新醫(yī)科下圖像引導(dǎo)放療誤差分析虛擬仿真教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)的研發(fā)應(yīng)用

董芳芬，江柳清，鄭芬，郭嵐晏，宋文芳，黃妙云，吳一旻，徐本華,1b,1c,，李小波,1b,1c,,3

1. 福建醫(yī)科大學(xué) a. 醫(yī)學(xué)技術(shù)與工程學(xué)院；b. 臨床醫(yī)學(xué)部影像學(xué)系；c. 腫瘤中心，福建 福州 350122；2. 福建醫(yī)科大學(xué)附屬協(xié)和醫(yī)院 放療科，福建 福州 350001；3. 清華大學(xué) 工程物理系，北京 100084

引言

圖像引導(dǎo)放射治療[1]是通過在放療前利用加速器自帶的圖像采集系統(tǒng)進(jìn)行圖像采集后與治療計劃圖像配準(zhǔn)達(dá)到治療精度范圍再實施治療的方式，目的是為了克服因治療擺位和腫瘤位置移動造成的誤差，實現(xiàn)盡可能的精準(zhǔn)照射腫瘤的同時降低周圍正常組織的損傷。因此，圖像引導(dǎo)放療誤差的分析是保證治療效果的重要環(huán)節(jié)，也是每一個放射治療師必須掌握的工作重點和難點，但實際工作中對這類技能的指導(dǎo)、培訓(xùn)和提升存在困難[2]。VR技術(shù)是一種利用新興計算機(jī)技術(shù)結(jié)合多媒體和仿真技術(shù)營造出集視、觸、嗅、聽等為一體的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，讓用戶可以身臨其境并與之交互[3]。近年來國內(nèi)虛擬仿真技術(shù)與各行各業(yè)尤其是醫(yī)學(xué)、教育等領(lǐng)域的融合日漸普及，信息技術(shù)、智能技術(shù)與教學(xué)培訓(xùn)的融合能進(jìn)一步的解決傳統(tǒng)教學(xué)培訓(xùn)“做不到、做不好、做不了、做不上”的困難[4]。

有研究報道，VR技術(shù)在醫(yī)學(xué)生理、胃鏡仿真系統(tǒng)、臨床解剖仿真系統(tǒng)等的科研、培訓(xùn)及教育方面具有優(yōu)異性能[5-8]，而在醫(yī)學(xué)影像專業(yè)領(lǐng)域中，VR的應(yīng)用也十分廣泛[9-11]。國外部分學(xué)者研究表明，對醫(yī)學(xué)影像相關(guān)專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行動態(tài)交互和反饋虛擬現(xiàn)實仿真，有利于提高學(xué)生在臨床和技能實踐方面的能力[12]。在放射治療技術(shù)領(lǐng)域，前期的研究也表明VR技術(shù)與放療技術(shù)的人才培養(yǎng)相結(jié)合，進(jìn)行線上及線下課程的理論和實踐教學(xué)，具有高效便捷的優(yōu)點，值得大力推廣[13]。本文基于圖像引導(dǎo)放療誤差分析的重要性和現(xiàn)有放射治療專業(yè)學(xué)生和工作人員見習(xí)、實習(xí)、培訓(xùn)困難的問題，探討利用VR技術(shù)開發(fā)線上教學(xué)培訓(xùn)考核系統(tǒng)的必要性、可行性及應(yīng)用價值，以期能提升使用者對放射治療圖像引導(dǎo)放療誤差分析的能力，進(jìn)一步提高放療的精準(zhǔn)性。

1 材料與方法

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)針對圖像引導(dǎo)放療誤差分析中關(guān)鍵技術(shù)點以及國家放療質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行腳本設(shè)計，分為教學(xué)模式和考核模式，內(nèi)容主要包括：① 放射治療體位驗證過程中擺位注意點；② 圖像獲取方式的選擇；③ 圖像質(zhì)量影響因素；④ 圖像配準(zhǔn)誤差分析；⑤ 精準(zhǔn)放射治療的實施等模塊。系統(tǒng)分為應(yīng)用構(gòu)架和平臺構(gòu)架，詳見圖1。應(yīng)用架構(gòu)包括應(yīng)用層及通用層，應(yīng)用層包括建模和可視化，用于場景和人物構(gòu)建并可視化輸出虛擬設(shè)備和虛擬環(huán)境；通用層涵括理論知識學(xué)習(xí)、實驗教學(xué)管理、試驗資源管理、教學(xué)互動交流、智能糾錯指導(dǎo)、實驗結(jié)果批改、實驗報告管理和教學(xué)效果評估。平臺通過網(wǎng)絡(luò)層、支撐層和數(shù)據(jù)層，采取線上模式，引入三維建模、虛擬現(xiàn)實、增強(qiáng)現(xiàn)實、人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)手段，堅持能實不虛的原則，建設(shè)圖像引導(dǎo)放療誤差分析優(yōu)質(zhì)數(shù)字資源和共建共享環(huán)境。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)架圖

1.2 教學(xué)模式

教學(xué)模式以“教”為主，重在對學(xué)生思維的引導(dǎo)，利用計算機(jī)屏幕畫面展示虛擬現(xiàn)實技術(shù)，開發(fā)過程首先進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容分析與設(shè)計（圖2a），進(jìn)一步對課程素材收集分類，通過3D Studio Max或cinema 4D構(gòu)建三種圖像獲取設(shè)備、直線加速器、治療床、醫(yī)生、患者等三維模型，形成FBX文件；利用Photoshop制備答題頁面、知識點學(xué)習(xí)頁面、設(shè)備成像等二維圖形圖像，形成PSD/PNG文件；采用Adobe Audition處理預(yù)設(shè)的遠(yuǎn)程會診討論、系統(tǒng)提示等音頻文件，形成MP3文件。將三類文件導(dǎo)入unity 3D工程文件進(jìn)行三維場景建造和圖形用戶界面的編制，進(jìn)一步的利用C#、JavaScript語言編寫交互功能腳本，最后導(dǎo)出apk可執(zhí)行文件，實現(xiàn)利用VR技術(shù)實現(xiàn)教學(xué)模式中虛擬人物及場景設(shè)計遠(yuǎn)程會診動畫、體位校正判斷觸發(fā)、圖像配準(zhǔn)及誤差分析等關(guān)鍵教學(xué)內(nèi)容。

圖2 教學(xué)模式及考核模式實現(xiàn)內(nèi)容邏輯圖

1.3 考核模式

考核模式重在對學(xué)習(xí)模式學(xué)習(xí)效果的檢測，VR技術(shù)結(jié)合考核模式的建設(shè)方法技術(shù)類似教學(xué)模式，但不設(shè)計知識點提示，需使用者根據(jù)所學(xué)知識自己做出判斷進(jìn)行選擇（圖2b）?？己祟}庫建立及答案識別方法：系統(tǒng)通過預(yù)留題庫，包括選擇題和填空題，涉及圖像引導(dǎo)過程中容易出錯和遺漏的知識點。選擇題利用題庫錄入和答案實時判斷的方法，當(dāng)輸入答案，系統(tǒng)會自動判斷對錯并在評分系統(tǒng)上記錄得分。填空題采用在空格填入文字，通過判斷文字是否與預(yù)留文字統(tǒng)一進(jìn)行條件語句輸出正確答案，并在評分系統(tǒng)記錄得分。

1.4 系統(tǒng)評價方法

系統(tǒng)測試評價方法包括內(nèi)部測試、互聯(lián)網(wǎng)測試和問卷調(diào)查。

1.4.1 內(nèi)部測試

由開發(fā)團(tuán)隊及小范圍專業(yè)領(lǐng)域?qū)＜覝y試，具體流程包括下載安裝包、本地安裝、啟動軟件、輸入預(yù)留賬號密碼。

1.4.2 互聯(lián)網(wǎng)測試

借助VR實驗教學(xué)平臺——實驗空間進(jìn)行面向全國的正式投入前測試反饋，具體流程包括電腦端進(jìn)入實驗空間網(wǎng)站、點擊網(wǎng)站右上角注冊入口、填寫手機(jī)號碼等信息完成注冊并登錄、登錄后在首頁點擊實驗中心、點擊專業(yè)大類中的醫(yī)學(xué)技術(shù)類、輸入關(guān)鍵詞“精準(zhǔn)放射治療誤差分析”找到本研究項目、點擊“我要做實驗”按照提示進(jìn)行操作，即可開始實驗進(jìn)行測試，并且可以在評價處反饋測試意見，項目運行后臺也能獲取每位測試者的測試情況，根據(jù)測試結(jié)果和出現(xiàn)的問題進(jìn)行完善。

1.4.3 問卷調(diào)查

經(jīng)過平臺研發(fā)小組和部分放射治療技術(shù)專業(yè)老師及學(xué)生討論擬定問卷內(nèi)容，采用問卷星制作問卷，通過微信鏈接針對前期測試過該平臺的福建醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)本科生及福建醫(yī)科大學(xué)附屬協(xié)和醫(yī)院放療科放射治療物理技術(shù)人員進(jìn)行問卷調(diào)查。調(diào)查前先向受調(diào)查者說明本研究的目的，并要求受調(diào)查者如實回答、獨立完成，問卷結(jié)束后利用問卷星數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果進(jìn)行描述性分析。

2 結(jié)果

2.1 整體完成情況

依照實驗內(nèi)容邏輯設(shè)計流程和框架，結(jié)合VR技術(shù)手段，基本完成系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)、測試及完善。其中，實驗儀器選擇頁面采用實際圖片展示形式（圖3a）；具體實驗空間采用unity 3D構(gòu)建VR場景模型（圖3b）；實驗操作界面采用全仿真UI設(shè)計界面（圖3c）；知識點模塊采用點擊出現(xiàn)方式；答題考核采用預(yù)設(shè)題庫，自動判斷答案并用不同顏色文字給出判斷結(jié)果（圖3d），軟件采用C#語言和vs2017編譯器進(jìn)行編程。系統(tǒng)運行環(huán)境要求CPU 16核、內(nèi)存32 GB、磁盤4096 GB、GPU型號為板載，操作系統(tǒng)為Windows Server，數(shù)據(jù)庫存儲使用SQL Server。系統(tǒng)品質(zhì)單場景模型總面數(shù)大于100000、貼圖分辨率大于2048×2048、每幀渲染次數(shù)大于100、動作反饋時間小于5 ms、顯示刷新率大于60 fps，分辨率大于1920×1080。

圖3 實驗結(jié)果舉例

2.2 教學(xué)模式

① 設(shè)置菜單欄、學(xué)習(xí)欄、提示欄；② 由5G遠(yuǎn)程指導(dǎo)案例導(dǎo)入到選擇正確體架，利用判斷程序，選擇正確進(jìn)入下一步，選擇錯誤給出提示后繼續(xù)選擇達(dá)到學(xué)習(xí)效果；③ 糾正患者體位：參考定位時體位，利用點擊觸發(fā)系統(tǒng)判斷程序，選出所有不正確體位進(jìn)入下一步，選擇不完全繼續(xù)選擇；④ 校對患者X、Y、Z治療中心位置，利用虛擬激光燈，將虛擬治療激光燈照射的位置與虛擬患者身上定位時的標(biāo)記重合，三個方向均重合進(jìn)入下一步，否則繼續(xù)對位；⑤ 圖像獲取方式選擇：此為該實驗項目核心內(nèi)容，分別有EPID、IGPS、CBCT三種方式，根據(jù)實驗者的選擇進(jìn)入不同的實驗?zāi)M流程；⑥ 選擇不同的圖像獲取方式后再根據(jù)實際操作界面設(shè)計的虛擬UI界面進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，圖像配準(zhǔn)采用系統(tǒng)提前設(shè)置的中心點，會根據(jù)實驗者不同的配準(zhǔn)結(jié)果給出配準(zhǔn)數(shù)據(jù)并讓實驗者判斷是否實施治療，系統(tǒng)會根據(jù)不同的匹配結(jié)果和選擇出現(xiàn)虛擬治療動畫，將看不見的腫瘤和看不見的射線虛擬出來，直觀地展示給實驗者，突出VR教學(xué)的優(yōu)勢。

2.3 考核模式

考核模式針對學(xué)習(xí)模式的知識點隱藏相關(guān)提示并增加考核點設(shè)計，考核形式包括填空題、邏輯題、二維三維圖像配準(zhǔn)題等，系統(tǒng)會根據(jù)預(yù)留題庫和答題情況實時判斷并給出正確答案，但考核題目只能完成一次，不能重復(fù)完成。實驗項目最終結(jié)果以實驗報告形式展示（圖3e）。實驗包括總成績和教學(xué)模式及考核模式下各模塊的成績，系統(tǒng)還根據(jù)實驗者不同的成績分類給出相應(yīng)的學(xué)習(xí)指導(dǎo)，讓實驗者可以根據(jù)自己的情況加強(qiáng)薄弱點、鞏固掌握點并根據(jù)需求多次重復(fù)練習(xí)。

2.4 系統(tǒng)評價結(jié)果

內(nèi)部測試結(jié)果以修改建議反饋到具體平臺修改形式展示，互聯(lián)網(wǎng)測試結(jié)果根據(jù)實驗空間系統(tǒng)統(tǒng)計顯示。從2019年11月上線截至2020年7月，實驗瀏覽量為14985人次，實驗測試人數(shù)489人次，實驗通過率為86.7%（圖3f）。實驗應(yīng)用價值問卷結(jié)果：發(fā)放問卷84份，回收有效問卷84份。其中學(xué)生52人（61.9%）、老師3人（3.57%）、放療相關(guān)工作人員29人（34.52%），男性36人（42.86%）、女性48人（57.14%）。84人中，60人（71.43%）為第一次接觸放射治療相關(guān)的虛擬仿真實驗，其他具體問題統(tǒng)計結(jié)果如圖4所示。

圖4 問卷結(jié)果統(tǒng)計

3 討論

隨著精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的發(fā)展[14]，精準(zhǔn)放射治療也逐漸受到重視，圖像引導(dǎo)誤差分析是精準(zhǔn)放療中的重要環(huán)節(jié)[15]，主要是由放射治療技師承擔(dān)相關(guān)工作，但現(xiàn)有的放射治療技師教學(xué)培訓(xùn)模式欠佳，教學(xué)培訓(xùn)效果不良[16]，導(dǎo)致相關(guān)放射治療技師知識基礎(chǔ)不牢固、實踐操作能力較差等問題，不能緊跟精準(zhǔn)放射治療的發(fā)展。本實驗項目基于此背景，結(jié)合圖像引導(dǎo)放療誤差分析對精準(zhǔn)放療的重要性，以及放射治療師和相關(guān)專業(yè)學(xué)生的實際需求而設(shè)計。

通過對圖像引導(dǎo)誤差分析系統(tǒng)的設(shè)計，搭建了具有教學(xué)模式和考核模式的教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)，搭建過程中以三種圖像驗證方式為核心注重知識點的教與考。系統(tǒng)搭建后進(jìn)行內(nèi)部測試后對界面和評價系統(tǒng)進(jìn)行完善，進(jìn)一步通過互聯(lián)網(wǎng)測試數(shù)據(jù)反饋系統(tǒng)的使用情況和教學(xué)成果，上線半年來瀏覽量達(dá)到14985人次，實驗人數(shù)489人次，實驗通過率達(dá)到86.7%，表明該系統(tǒng)的教學(xué)效果良好，大部分使用者能達(dá)到教學(xué)的要求，掌握相應(yīng)的知識和操作技能。為了更深入驗證系統(tǒng)的使用價值，針對試點學(xué)校和醫(yī)院設(shè)計相應(yīng)調(diào)查問卷。在收回的84份有效問卷中，90%以上的人認(rèn)為該系統(tǒng)是有必要并且有幫助的，進(jìn)一步證明系統(tǒng)開發(fā)的必要性和應(yīng)用價值。在針對虛擬仿真教學(xué)實驗的優(yōu)點上，可以隨時隨地進(jìn)行學(xué)習(xí)、可以操作到平時因為危險性高而缺少練習(xí)的技能以及情景真實有趣能夠激發(fā)學(xué)習(xí)興趣三個方面選擇最多，這也是虛擬仿真的突出優(yōu)勢。此外虛擬仿真和放射治療技術(shù)人才的培養(yǎng)和培訓(xùn)相結(jié)合，還能減少學(xué)校和教學(xué)醫(yī)院的臨床教學(xué)壓力以及減少不必要的醫(yī)患矛盾等問題，有利于學(xué)生自主探究學(xué)習(xí)和培養(yǎng)“三創(chuàng)”精神。

自新冠肺炎疫情暴發(fā)以來[17]，疫情逐步得到緩解，但還未被完全控制，線下培訓(xùn)指導(dǎo)存在風(fēng)險且傳統(tǒng)指導(dǎo)方式不能很好的滿足實際需求，線上教學(xué)和培訓(xùn)系統(tǒng)的開展有利于高校和醫(yī)院人才的培養(yǎng)[18-20]。將來的教學(xué)和培訓(xùn)模式也會逐漸朝著傳統(tǒng)課程和虛擬仿真平臺結(jié)合或逐步過渡的形式發(fā)展，新醫(yī)科下的人才少不了新的信息技術(shù)的應(yīng)用。

4 結(jié)論

總之，對將來或者剛進(jìn)入放射治療崗位的本科生或者技師來說，利用VR教學(xué)實驗具有必要性和應(yīng)用價值，未來將對實驗的互動性、實驗種類和系統(tǒng)更新計劃做進(jìn)一步的完善和改進(jìn)，讓系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展和共享性，為廣大師生和放療工作人員服務(wù)，提高整體精準(zhǔn)放射治療水平。