基于數(shù)值仿真的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索

武杰，任怡潔，劉樂(lè)，汪紅志

1.上海理工大學(xué)健康科學(xué)與工程學(xué)院（上海，200093）

2.華東師范大學(xué)上海市磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（上海，200241）

0 引言

醫(yī)學(xué)影像技術(shù)是醫(yī)學(xué)技術(shù)重要的二級(jí)學(xué)科，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性、交叉性，是理論更新與知識(shí)迭代較快的一個(gè)專業(yè)，也是理、工、醫(yī)深度交叉融合的前沿學(xué)科。醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的課堂理論教學(xué)與臨床實(shí)踐需要有機(jī)融合，理論指導(dǎo)實(shí)踐，在實(shí)踐中夯實(shí)理論。因此，影像技術(shù)本科教育亟須提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力、分析和解決問(wèn)題的能力、實(shí)踐操作的能力、創(chuàng)新及科研能力。因此，醫(yī)學(xué)影像技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)也應(yīng)該充分利用遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)和虛擬仿真等現(xiàn)代工具，積極探索課堂理論教學(xué)與醫(yī)院臨床實(shí)踐有機(jī)結(jié)合的未來(lái)教學(xué)新模式。

1 基于數(shù)值仿真的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)的必要性

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展與時(shí)代進(jìn)步，對(duì)高素質(zhì)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)人員的需求越來(lái)越高。醫(yī)學(xué)影像設(shè)備越來(lái)越集成化、智能化，影像設(shè)備的操作雖然越來(lái)越簡(jiǎn)單，但對(duì)圖像質(zhì)量的控制要求越來(lái)越高，這需要操作與維護(hù)人員能夠及時(shí)、準(zhǔn)確判斷影響圖像質(zhì)量的本質(zhì)原因，從而保證設(shè)備的正常運(yùn)行，這顯然需要相關(guān)人才必須對(duì)醫(yī)學(xué)成像技術(shù)原理有深刻理解。

目前，應(yīng)用于醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件主要是傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)資源庫(kù)形式，即集成大量的教學(xué)資料，主要是以PPT 教學(xué)資源、在線測(cè)試、動(dòng)畫(huà)展示設(shè)備結(jié)構(gòu)等，其仿真實(shí)驗(yàn)儀具有部分交互功能，但此種交互只是通過(guò)調(diào)用預(yù)存在服務(wù)器中的臨床影像圖片，所顯示的是最終結(jié)果，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的展示影像設(shè)備數(shù)據(jù)采集與圖像重建過(guò)程。所以有必要開(kāi)發(fā)一種基于數(shù)值計(jì)算的仿真技術(shù)，即完全仿真大型影像設(shè)備的整個(gè)圖像產(chǎn)生過(guò)程，從最初的原理出發(fā)，每一步的采集過(guò)程都能可視化，并可進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，結(jié)合設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)教程，可以潛移默化將原來(lái)晦澀的成像原理以圖像、數(shù)據(jù)等形式予以展示出來(lái)。

而基于數(shù)值仿真的虛擬模擬技術(shù)，仿真的不是表象，而是原理本質(zhì)，這就需要從基礎(chǔ)理論本質(zhì)上去深刻理解醫(yī)學(xué)影像成像技術(shù)的成像原理，也就是說(shuō)完全用數(shù)學(xué)公式來(lái)闡述各種圖像信號(hào)的產(chǎn)生過(guò)程、數(shù)據(jù)采集過(guò)程以及圖像重建過(guò)程。如在磁共振實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中首先需要將各種序列實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集和處理過(guò)程全部用數(shù)學(xué)公式進(jìn)行表達(dá)，再程序化實(shí)現(xiàn)。由于醫(yī)學(xué)影像理論復(fù)雜，所涉參數(shù)很多，用數(shù)學(xué)公式來(lái)描述全部的成像實(shí)驗(yàn)過(guò)程，這是數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)的核心技術(shù)之一。

2 醫(yī)學(xué)影像技術(shù)數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

醫(yī)學(xué)影像技術(shù)數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建就是模擬真實(shí)醫(yī)學(xué)影像教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器和臨床大型影像設(shè)備的實(shí)際數(shù)據(jù)采集和圖像重建過(guò)程，且整個(gè)過(guò)程做到可視化，其數(shù)據(jù)量與真實(shí)設(shè)備數(shù)據(jù)量基本相同；應(yīng)用該仿真實(shí)驗(yàn)儀進(jìn)行實(shí)操實(shí)驗(yàn)教學(xué)無(wú)需龐大的硬件配套，可獲得與小型實(shí)驗(yàn)儀和大型臨床影像設(shè)備相似的實(shí)驗(yàn)效果；避免硬件實(shí)驗(yàn)儀的高成本和高條件要求；去除了運(yùn)行成本、電離輻射或者使用條件等的限制，以允許學(xué)生自由開(kāi)放地學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)原理以及參數(shù)對(duì)圖像的影響規(guī)律；從本質(zhì)上理解和掌握醫(yī)學(xué)成像原理，為后續(xù)的圖像質(zhì)量控制、維修故障判斷以及設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ).

采用的是數(shù)值仿真模式的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，應(yīng)該包括DR、CT、小型教學(xué)MRI、臨床MRI、臨床磁共振模型和CT 仿真模型，可支撐硬件實(shí)驗(yàn)儀所有的成像原理實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，也可支撐影像質(zhì)量控制相應(yīng)課程，對(duì)影像技術(shù)實(shí)訓(xùn)課程可部分支撐，該系列仿真實(shí)驗(yàn)儀可規(guī)避硬件實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的不足，運(yùn)用醫(yī)學(xué)影像成像原理與技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)真正的批量化、規(guī)范化的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。

根據(jù)醫(yī)學(xué)成像理論采用虛擬掃描技術(shù)掃描樣本數(shù)據(jù)，真實(shí)再現(xiàn)圖像采集過(guò)程，相當(dāng)于真機(jī)圖像采集過(guò)程的仿真再現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)了全參數(shù)可調(diào)、全過(guò)程可視，可以采集任意斷面、任意角度的圖像數(shù)據(jù)，從而把枯燥乏味的原理公式轉(zhuǎn)換為生動(dòng)可視的圖像數(shù)據(jù)，操作者可以任意調(diào)節(jié)參數(shù)來(lái)觀察各參數(shù)對(duì)成像效果的影響，再結(jié)合相關(guān)原理，從而實(shí)現(xiàn)從感性認(rèn)識(shí)到理性認(rèn)識(shí)的提升。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目

在整個(gè)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)下，可以開(kāi)展很多具體的和醫(yī)學(xué)影像技術(shù)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，所有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以集中在一個(gè)系統(tǒng)界面上展開(kāi)，本文僅以目前已開(kāi)展的DR 和CT 設(shè)備相關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目來(lái)舉例說(shuō)明。

與DR 相關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目具體包括：①X 線能譜特性；②DR 場(chǎng)景擺位訓(xùn)練；③X 線劑量與半價(jià)層測(cè)量；④X 線球管熱容量與散熱特性測(cè)量；⑤成像流程及操作介紹；⑥曝光參數(shù)對(duì)圖像的影響;⑦病人擺位及投影角度對(duì)圖像的影響；⑧仰臥位腹部與胸部攝影；⑨頭部攝影；⑩腳踝部位攝影；⑾可用線對(duì)模板開(kāi)展空間分辨率實(shí)驗(yàn)；模擬不同曝光參數(shù)、不同源像距（SID）、不同源物距（SOD）對(duì)分辨率的影響。整個(gè)數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)界面如圖1 所示。

圖1 DR 數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)界面Fig.1 Interface of DR numerical simulation experiment system

與CT 相關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目具體包括：①探測(cè)器和球管的掃描運(yùn)動(dòng)過(guò)程，數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)采集過(guò)程；②濾波反投影過(guò)程和最終的重建圖像效果；③選擇使用不同加窗函數(shù)濾波器進(jìn)行反投影重建，觀察重建圖像效果；④常見(jiàn)偽影等模擬功能；⑤空間分辨率和密度分辨率測(cè)試；⑥掃描參數(shù)調(diào)節(jié)以及螺旋/ 常規(guī)掃描的設(shè)置；⑦針對(duì)數(shù)字人模版不同傾斜角度的單幅或多幅CT 數(shù)據(jù)采集和圖像重建效果等。整個(gè)數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)界面如圖2 所示。

圖2 CT 數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)界面Fig.2 Interface of CT numerical simulation experiment system

4 總結(jié)與展望

醫(yī)學(xué)影像是當(dāng)前醫(yī)生進(jìn)行診斷的主要依據(jù)，高素質(zhì)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)人才可以為臨床提供更加快速與準(zhǔn)確的圖像數(shù)據(jù)，為疾病的早發(fā)現(xiàn)早治療，提供必要的診斷基礎(chǔ)。以往僅依靠設(shè)備真機(jī)或模型僅能滿足設(shè)備結(jié)構(gòu)或操作的實(shí)訓(xùn)教學(xué)，很難幫助學(xué)生理解抽象的原理，通過(guò)動(dòng)畫(huà)等固定模式的教學(xué)資源講解又缺乏互動(dòng)性，基于數(shù)值仿真的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，可實(shí)現(xiàn)清晰、精確、科學(xué)定量的教學(xué)，將教學(xué)設(shè)計(jì)與互動(dòng)還給教師和學(xué)生，可以根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)情況更自主地進(jìn)行調(diào)整和設(shè)計(jì)，體現(xiàn)了教學(xué)的交互性和自主性。