婦科后裝放射治療實驗教學虛擬仿真軟件的開發(fā)與應用

郭 飛 謝 力 李賢富

（1.川北醫(yī)學院附屬醫(yī)院放療科，四川 南充637000；2.川北醫(yī)學院醫(yī)學影像系，四川 南充637000）

在放射治療技術學中，后裝放射治療技術是利用放射源治療腫瘤的近距離治療技術，治療時先將不帶放射源的治療容器(施源器)置于治療部位，然后在安全防護條件下用遙控裝置將放射源通過導管送到已安裝在患者體腔內(nèi)的施源器內(nèi)進行放射治療，由于放射源是后來裝上去的，故稱之為“后裝”[1]。婦科后裝放射治療是將放射源放入貼近女性宮頸口位置的施源器中進行無創(chuàng)性治療的放療技術，在治療過程中涉及諸多問題：①女性病人隱私需要進行保護；②放射源出罐治療屬于輻射高危環(huán)境[2]；③后裝置管術要在無菌環(huán)境中進行；基于上述問題，傳統(tǒng)教學中學生幾乎沒有機會到現(xiàn)場觀摩，更不用說臨床操作，但虛擬仿真實驗能較好解決這一問題。

因此，為了適應當前經(jīng)濟社會發(fā)展對創(chuàng)新型人才培養(yǎng)以及高等教育實驗教學改革的新要求，以建設一流專業(yè)、一流課程為目標[3]，本團隊依托川北醫(yī)學院放射治療虛擬仿真實驗室、上海夢之路虛擬仿真實驗教學平臺，在醫(yī)學影像學院實驗室管理中心的大力支持下共同研發(fā)了《婦科后裝放射治療虛擬仿真實驗教學軟件》。

1 軟件總體框架與設計思路

1.1 軟件設計思路

婦科后裝放射治療虛擬仿真教學軟件應以學習者了解婦科后裝全部流程為目的，利用虛擬放療場所參觀，仿真治療設備操作、施源器無菌植入術為互動手段，讓學習者在高度逼真的環(huán)境中認識后裝放射治療設備、施源器無菌植入需要的工具及整體操作流程。于是，本團隊設計讓互動者置身于一個虛擬放療場所中，為某虛擬宮頸癌病人治療全過程為任務契機，通過使用各種相關工具和操作各種相關設備來完成整個后裝放射治療，圖1為軟件設計思路。為提高學習者興趣，整個實驗軟件使用游戲圖形引擎Unity3D開發(fā)，其中不乏趣味性和挑戰(zhàn)性。

圖1 軟件設計思路

1.2 任務模塊化

根據(jù)以上設計思路，該軟件將婦科后裝放射治療全過程分解為七大任務模塊（圖2）：①任務一：術前準備。②任務二：接待病患。③任務三：安裝施源器。④任務四：CT掃描。⑤任務五：制定后裝放療方案。⑥任務六：安裝患者的放療導管。⑦任務七：操作后裝放療主機。其中，每個任務菜單欄又分為各種互動操作支任務并設置其相應操作工具，圖2為窗口化互動模塊及對應工具欄。所有任務需依次逐步進行，完成上一任務，才開放下一任務操作權限。每個任務板塊對應其所需虛擬仿真場景，場景中包含患者注意事項和相關設備使用說明，并以觸發(fā)彈窗形式顯示。各種互動操作中設置操作提示，以減小任務執(zhí)行難度。

圖2 窗口化互動模塊及對應工具欄

1.3 軟件開發(fā)

在上述任務架構下，采用3DMax制作三維模型，使用Unity3D制作三維場景，互動窗口采用Adobe Flash顯示。本軟件按任務模塊開發(fā)，最后再封裝打包設計為可執(zhí)行文件，運行環(huán)境為Windows7及以上版本。

2 軟件應用

該軟件已在川北醫(yī)學院生物醫(yī)學工程專業(yè)放射治療技術學實驗教學中進行了推廣應用，在實際應用中體現(xiàn)了以下優(yōu)勢：①提供了一套完整系統(tǒng)、直觀形象、經(jīng)濟安全的立體化教程及虛擬仿真教學平臺，解決了以往婦科后裝放射治療實踐教學資源短缺等問題。②學生通過互聯(lián)網(wǎng)進入虛擬實驗室，自主選擇實驗項目，完成虛擬實驗，打破了實驗教學對場地、設備、師資、經(jīng)費的依賴。③將實驗教學、實踐教學、臨床問題所涉及的理論知識統(tǒng)一規(guī)劃并納入統(tǒng)一平臺管理，保證了理論教學到實驗教學的相互銜接與貫通，任務模塊的通關方式實現(xiàn)了對學生實踐能力的動態(tài)跟蹤與考核。④借助虛擬仿真技術將臨床后裝放療案例轉化為教學資源，是將其科研成果向教學資源進行了轉化[4]。

在軟件應用一段時間后，我們讓學生通過網(wǎng)絡問卷方式進行評價，整體好評率達91.8%。大多數(shù)學生認為能夠幫助理解理論課知識，認為該軟件的實用性很強。只有極少數(shù)學生認為該軟件操作復雜（見圖3）。

圖3 學生對該軟件評價結果顯示

3 軟件制作的關鍵問題及維護改進

婦科后裝放射治療具有很強的專業(yè)性，虛擬仿真軟件制作的一個關鍵點就是內(nèi)容的科學性和嚴密性。婦科后裝放射治療技術的流程比較復雜，我們在理論課上課過程中發(fā)現(xiàn)，操作性極強的課程用理論去描述，學生是極其難以理解的，只有通過實際操作，學生才能加深印象，幫助理解。該軟件的任務模塊目標在于準確、清晰地描述相關內(nèi)容，讓初學者能夠看懂，讓再學者能加深理解。我們的團隊中有專門從事臨床后裝放射治療的教師，專門負責軟件的內(nèi)容設計、資料查詢和腳本撰寫。比如，后裝治療機和其控制臺的操作界面，我們用3DMax軟件1∶1建模，建模時表面采用高清照片貼圖，盡量做到逼真。動畫制作由上海夢之路公司專業(yè)的軟件工程師完成，由于軟件工程師缺乏臨床后裝放射治療的知識背景，因此制作過程經(jīng)歷了多次溝通和修改。最后定稿前，我們又請了相關的專家對軟件內(nèi)容進行核驗，避免存在科學性錯誤。軟件開發(fā)的最后環(huán)節(jié)也是最重要的部分之一，就是在運行中進行修改和更新。我們團隊教師進行了多次試驗，同時在學生中進行了試運行。我們積極地與學生溝通，聽取他們的反饋，并與軟件開發(fā)人員溝通，及時修改存在的問題。目前通過生物醫(yī)學工程專業(yè)教師團隊及學生對軟件的反饋信息，我們歸納了軟件開發(fā)和運行方面存在的不足，計劃在后續(xù)的軟件更新中進行完善。其主要包括幾個方面：①軟件3D圖形流暢性還需要對低配機型電腦的顯卡進行優(yōu)化。②軟件主要是通過操作任務化流程互動菜單來運行，存在任務卡殼BUG，需要進一步優(yōu)化任務過渡模式。③緊跟學科發(fā)展的前沿，后續(xù)準備加入后裝放射源的運輸、審批虛擬場景模塊和后裝治療機質量控制管理模塊等任務。

4 結語

以學生為中心的虛實結合的互動教學，有利于培養(yǎng)學生自主學習、探究和解決科學問題的能力，達到提高教學質量和培養(yǎng)學生創(chuàng)新素質的目的，這也是高等院?，F(xiàn)代化教育教學建設的必然趨勢[5]。本軟件下一步準備上傳國家虛擬仿真實驗教學共享平臺[6]，供感興趣的全國范圍內(nèi)的醫(yī)學生及放療同行在線學習?，F(xiàn)在的顯示平臺是二維的，下一步計劃是三維顯示互動，使用人員帶上VR眼鏡將能更好展示虛擬空間，增強現(xiàn)實體驗感，對后裝放射治療場所、醫(yī)療器械、醫(yī)用材料等認識更為清楚，對治療過程掌握得更加具體。