X線球管虛擬仿真軟件在教學中的應用

蔡小濤 唐 溯 姚鐵辰 黃 碩 朱 涵

（山東第一醫(yī)科大學 山東·濟南 250000）

0 前言

新時代的醫(yī)學科技發(fā)展已經(jīng)不再局限于實驗室內(nèi)的研究，將醫(yī)學實驗與信息技術(shù)相結(jié)合已經(jīng)成為一種大趨勢。而虛擬仿真模擬技術(shù)（Virtual Reality），簡稱VR，就是一種如今日益成熟的，可以將醫(yī)學研究與網(wǎng)絡緊密結(jié)合的一種技術(shù)。醫(yī)學影像學是現(xiàn)代醫(yī)學領(lǐng)域發(fā)展最快、涉及范圍最廣的學科之一，所以就可以將其與虛擬仿真技術(shù)結(jié)合在一起，成為高等教育體系信息化建設與實踐教學中心建設的關(guān)鍵所在。也正因為如此，現(xiàn)代醫(yī)學影像學的學生不僅要掌握豐富的專業(yè)知識，還要掌握有關(guān)影像的臨床技能，并能相當熟練地操作儀器設備。而目前醫(yī)學影像學專業(yè)的學生在學習相關(guān)專業(yè)知識，如影像學的成像原理時，由于實驗室的實驗儀器缺乏，手段相對落后再加上學生的不斷增多，是許多該專業(yè)的學生對成像的原理理解不夠透徹，甚至會死記硬背，導致我校學生的理論知識不夠扎實，出現(xiàn)漏洞。

隨著虛擬仿真技術(shù)的崛起，新型的模擬醫(yī)學影像教育彌補了傳統(tǒng)醫(yī)學教育的以上缺陷，學生可以通過此技術(shù)沉浸在計算機所創(chuàng)建的可視化三維環(huán)境，可以對一個裝置，比如X線球管，進行更加直觀細致地研究，從而理解之前過于抽象的成像原理，以獲得更加深刻的印象及體會，這在現(xiàn)實的實驗室中是幾乎不可能達到的。

本課題的目的就是將X線球管的X光線形成情景通過計算機、虛擬仿真軟件等設備展示出來，可與其他教學軟件無縫對接。學生和老師可以在該軟件內(nèi)進行沉浸式地實驗操作和細致觀察。

1 目前傳統(tǒng)醫(yī)學影像學教學現(xiàn)狀

1.1 教材的內(nèi)容無法及時更新

隨著醫(yī)學影像技術(shù)的不斷發(fā)展，對所成像的清晰度要求越來越高。應用于醫(yī)學影像領(lǐng)域的X線球管也已經(jīng)不僅僅是最基本的固定陽極X線球管，各式各樣改良版的X線球管被應用到臨床上的影像儀器中。而由于教學教材無法做到像網(wǎng)絡一樣對新出現(xiàn)的數(shù)據(jù)及時進行更新，從而導致學生無法第一時間接觸到最前沿的影像學技術(shù)或成果。

1.2 購買X線球管投入過大

X線球管價格不菲，尤其是用于醫(yī)學診斷的X線球管更是昂貴，不可能給每一個學生都配備一個。且對于成像的原理等課程的內(nèi)容涉及，僅憑教師在教授時也無法準確描述X線球管的內(nèi)部構(gòu)造等關(guān)鍵內(nèi)容，造成課堂枯燥乏味，學生接受度過低的現(xiàn)象。并且即使購進了一批X線球管，對于其后續(xù)的保養(yǎng)及維修也要不斷投入資金。而將此虛擬仿真軟件應用到實驗教學當中，不僅可以使學生更加直觀地觀察到X光線的產(chǎn)生過程，還大大降低了成本。

1.3 X線球管會對人體產(chǎn)生輻射危害

X線球管產(chǎn)生的X光線會產(chǎn)生輻射。影像專業(yè)的學生在近距離長時間觀察研究X線球管的時候，其所產(chǎn)生的X光線難免會對人體進行輻射，長此以往，則會對學生們的身體健康產(chǎn)生不良影響。

1.4 傳統(tǒng)課堂的枯燥無趣

通過隨機調(diào)查數(shù)名影像學的學生，問其對影像學課程的評價。結(jié)果顯示有超過半數(shù)的學生認為傳統(tǒng)的影像教學十分枯燥，甚至有出現(xiàn)上課刷手機、睡覺等現(xiàn)象。在如今這個信息技術(shù)如此發(fā)達的時代，教師仍然遵循傳統(tǒng)的辦法，照讀課本而不結(jié)合實際情況，只講理論，只憑口頭講解成像過程是難以吸引學生的，也就導致了以上不良現(xiàn)象的發(fā)生（見圖1）。

圖1

2 X線球管虛擬仿真軟件的優(yōu)勢及特點

2.1 虛擬仿真技術(shù)能夠激發(fā)學生的學習興趣

醫(yī)學影像學的學生在學習X光線形成過程及圖像形成原理等物理知識過程中難免會深感乏味，失去了對學習的興趣。興趣是一個人繼續(xù)學習的動力，失去了興趣也就意味著學生開始不再專注于課堂，將注意力分散到其他與學習無關(guān)的地方?？赏ㄟ^虛擬仿真這種可視化的人機交互式界面，把枯燥的知識形象、逼真的表現(xiàn)出來，大大激發(fā)了學生學習的興趣，改變原有的教學模式，不再是一味地聽老師在講臺上講解，而是轉(zhuǎn)變?yōu)閷W生在下面主動地，結(jié)合老師講的理論，自己去探索學習的模式，耳聽為虛眼見為實。正如在講解X線球管是如何產(chǎn)生X光線，之后再如何成像的時候，就可以利用這個虛擬仿真軟件，通過動畫的形式展現(xiàn)在學生的眼前，生動形象地模擬出從陰極發(fā)射的電子通過聚焦以電子束的形式發(fā)射轟擊到陽極的靶面，產(chǎn)生X光線的過程。通過這種模式的學習，相對于傳統(tǒng)的教學方式，學生就有了更加直觀的認識，對X線球管的原理及工作過程更能接受，印象也更加深刻。因此，合理地利用虛擬仿真技術(shù)可以更加吸引學生的注意力，激發(fā)他們對學習的興趣，將枯燥的課堂變得更加充滿趣味。

圖2

2.2 虛擬仿真技術(shù)可以彌補實驗室的儀器短缺問題

醫(yī)學影像學的發(fā)展近幾年來十分迅猛，新設備不僅層出不窮而且更新?lián)Q代也很快。而作為以教育為主的大學，由于客觀條件的限制，學校實驗室的許多設備器材都已經(jīng)十分滯后。學生畢業(yè)前所學習的儀器使用及操作落后于醫(yī)院新購的儀器設備，這也就導致了學生剛進入時醫(yī)院無法迅速融入科室，無法第一時間給科室增加幫手，分擔該有的壓力，甚至需要主任重新教導畢業(yè)生如何操作新設備，給科室徒增負擔。而虛擬仿真技術(shù)則恰好彌補了學校這一不足。它并不依賴于設備實物，而是依靠計算機模擬的等效模擬設備實現(xiàn)，可以逼真地模擬出設備的操作過程、工作及環(huán)境，通過可視化的虛擬場景展現(xiàn)在學生面前，使學生能夠第一時間接觸學習到最新的影像學設備。

2.3 虛擬仿真技術(shù)能夠培養(yǎng)學生的自學與創(chuàng)新能力

沒有創(chuàng)新，就不會有發(fā)展。醫(yī)學影像學專業(yè)的學生如果沒有創(chuàng)新能力，醫(yī)學影像學的發(fā)展就會停滯不前。現(xiàn)在大多數(shù)學生都存在眼高手低的現(xiàn)象，知識掌握得不少，真正的動手能力卻較弱，其實關(guān)鍵就是缺乏鍛煉，缺乏自學與自己鉆研的能力，也就更提不上所謂的創(chuàng)新能力。就以X線球管的學習為例，醫(yī)學影像學成像質(zhì)量的重要影響因素在于X線球管所產(chǎn)生的X光線的有效焦點大小。研究焦點性能大小的第一步就是要對X線焦點性能的檢測，目前國內(nèi)多將星卡固定于X線管束光器的窗口上，來進行焦點的性能檢測，測量精度均難以保證。針對上述焦點中心線定位技術(shù)難題，有人自主研制出一種 X 線球管焦點性能檢測裝置（專利號：ZL200710014184），可用于焦點中心線的精確定位，可作為狹縫、針孔和星卡的成像裝置，適用于焦點的性能檢測。而這個裝置上有調(diào)節(jié)旋鈕，上面等間隔分成10格，每格的調(diào)節(jié)精度為0.1mm。學校由于專利原因可能無法配備該檢測裝置，所以學生可以在X線球管虛擬仿真軟件中通過轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)旋鈕，觀察到X線球管所產(chǎn)生的X光線的焦點性能變化，進而反映出對人體成像的影響。這樣學生們就可以通過設置單一變量的方法來對X線球管的陰極、陽極、玻璃罩等組成成分做出一些調(diào)整和改變，進而對照出哪個變量能夠影響所產(chǎn)生的X光線的焦點性能。找出了影響因素所在，也就縮小了研究范圍。下一步可通過對這一組成成分的改變，來提高X光線的焦點性能，進而形成更高質(zhì)量的人體像。在這個過程中，不知不覺地便會提高了學生的自學與創(chuàng)新能力，進而不斷推動影像學的發(fā)展。

3 虛擬仿真球管的組成

X線球管的功能是能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為X光線。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了固定陽極、旋轉(zhuǎn)陽極以及各種特殊類型的X線管。本文現(xiàn)在介紹固定陽極X線球管。它是診斷用X線管中最為簡單的一類，主要由陽極、陰極和玻璃殼三部分構(gòu)成。它的工作原理十分簡單，就是從陰極發(fā)射的電子通過聚焦以電子束的形式發(fā)射轟擊到陽極的靶面，從而產(chǎn)生X射線。它的陽極結(jié)構(gòu)由陽極頭、陽極帽、玻璃圈和陽極柄四部分組成。陽極的作用主要體現(xiàn)在三個方面，第一，靶面可以阻擋住高速運動的電子流，從而產(chǎn)生X射線；第二，在產(chǎn)生X線的同時，陽極頭和陽極柄轟擊時產(chǎn)生的熱量傳導出去，也就是散熱；第三，陽極帽不僅能夠吸收二次電子還可以吸收其他散亂的射線。高速運動的電子流轟擊靶面，會有少量的電子從靶面反射和釋放出來，稱為二次電子。二次電子百害無一利，會使玻璃殼內(nèi)壁溫度升高，導致管內(nèi)的真空度降低，嚴重的話，還會擊穿外部的玻璃外殼；并且如果二次電子沒有被重新吸收，再次轟擊到陽極靶面時，由于沒有經(jīng)過聚焦，會使X射線的質(zhì)量降低；另外如果二次電子附著到了玻璃殼內(nèi)壁上，則會使管壁內(nèi)的電荷分布不均勻，電荷分布不均會產(chǎn)生縱向應力，造成玻璃殼的損壞。陰極的結(jié)構(gòu)則較為簡單，主要組成成分為燈絲和陰極頭。陰極的主要作用是發(fā)射并使射出的電子聚焦，使轟擊在靶面上的電子流具有一定的大小、形狀，進而在靶面上形成X射線的焦點。其中，燈絲之所以繞制成螺線管狀，是因為要發(fā)射電子并且保持電流形狀規(guī)整。陰極頭又稱聚焦槽，是由純鎳或鐵鎳合金制成，其作用是對燈絲發(fā)射的電子進行聚焦。

4 虛擬仿真設備的展望

隨著虛擬仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，日益成熟，不難想象，在未來的高等教育體系中必然會發(fā)揮越來越重要的作用。教育方式也會因虛擬仿真技術(shù)的加入課堂而發(fā)生重大變革。這不僅給在校教師增加了新的挑戰(zhàn)。教師也要像學生一樣不斷學習虛擬仿真技術(shù)，熟練掌握并將其運用到自己課程當中，將傳統(tǒng)的講授與VR技術(shù)相結(jié)合，從而進一步提升課堂教學效率。有一點要注意的是，虛擬仿真技術(shù)并不是功能越復雜越好，其最根本的宗旨是為學生們服務。

總而言之，不管新興的技術(shù)有多先進，功能有多多，都不可能從根本上把老師替代。教學也不可能是技術(shù)選擇老師，而是老師主導，通過選擇相應的虛擬仿真技術(shù)，配合自己的教學思路來教授知識?，F(xiàn)在這種VR技術(shù)還只是處于最初階段，還沒有大規(guī)模的應用到每個大學當中，但是由于其在教學當中所能發(fā)揮的種種優(yōu)勢，我相信很快，虛擬仿真技術(shù)就會在我們的課堂當中出現(xiàn)，帶來一場重大的教育改革。