醫(yī)學影像虛擬仿真系統(tǒng)在臨床教學中的應用

柴 娜，彭 銳，徐子良，李 劍，殷繼鵬，鄭敏文

(空軍軍醫(yī)大學：1.西京醫(yī)院放射科;2.西京消化病醫(yī)院，陜西 西安 710032)

醫(yī)學影像設備是醫(yī)療器械最主要技術含量最高的分支之一，也是醫(yī)學影像學專業(yè)及生物醫(yī)學工程專業(yè)的必修課。然而，在實際的醫(yī)學影像教育教學過程中，仍存在諸多的限制與不足：醫(yī)學設備工作原理抽象，結構復雜，使得理論教學枯燥、乏味；醫(yī)療設備體積較大，理論授課過程中無法隨時進行課堂演示，因而難以把抽象的道理形象且通俗易懂地傳授給學生，致使學生缺乏學習積極性；CT、MRI等硬件設備價格以及維修費用昂貴，如果要配備種類齊全的實訓設施，其費用對于一般的醫(yī)學院校來說難以承受[1]。因此，在資源有限的情況下，學生會缺乏親自動手的機會。這也成了《醫(yī)學影像設備學》這門課程教學的一個難題。

隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，虛擬仿真技術(Virtual Reality，VR)為解決這一難題帶來契機。利用VR技術，我們可以對CT、MRI等醫(yī)療設備的結構進行建模，在計算機上真實模擬出價格高昂的各類大型醫(yī)學影像設備，彌補實驗資源受限等缺陷。同時，VR技術還可以模擬醫(yī)療設備的工作環(huán)境，對機械結構的拆解以及設備的操作流程進行模擬仿真[2]，降低了教學成本，并豐富了教學體驗。

根據《教育部辦公廳關于2017-2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》的文件精神，教育部及時把握信息時代高等教育的規(guī)律，全面深化高等教育教學質量，在全國范圍內啟動虛擬仿真實驗教學項目建設，倡導和鼓勵各高校探索虛擬仿真教學。在該政策的引導下，虛擬仿真正逐步應用于各個領域，并成為各大院校新的研究方向[3-4]。

空軍軍醫(yī)大學影像醫(yī)學與核醫(yī)學教研室，是全軍醫(yī)學影像中心，我國基層醫(yī)師培訓基地和住院醫(yī)師規(guī)范化培訓基地，教研室承擔空軍軍醫(yī)大學研究生八年制、七年制、五年制臨床，航醫(yī)、心理學專業(yè)本科生多軌道的醫(yī)學影像學理論與實踐教學。

為促進醫(yī)學成像系統(tǒng)在教學、管理、科研與臨床中的應用，提高學科核心競爭力，空軍軍醫(yī)大學西京醫(yī)院放射科醫(yī)工系教研室和醫(yī)學影像教研室，依托學校信息化建設工作和基礎條件，以5G技術為基礎，結合混合虛擬仿真技術，率先構建了《醫(yī)學影像設備學》課程的實踐教學虛擬操作環(huán)境，通過模擬設備操作，使學生在虛擬現(xiàn)實場景內，直觀理解設備結構，理解并掌握課程教學內容。本文將以胸部CT掃描技術為例，分析虛擬仿真技術在臨床教學中的重要性。

1 教學分析

1.1 教學內容

本次授課內容是“醫(yī)學成像與系統(tǒng)”，該課程是生物醫(yī)學工程專業(yè)的必修課，選用的基本教材有我科石明國教授主編的《醫(yī)學影像設備學》，以及牛金海教授主編的《超聲原理及生物醫(yī)學工程應用生物醫(yī)學超聲學》。本次比賽節(jié)選的是其中的“胸部CT掃描技術”部分，共分兩個學時完成。第一學時：胸部CT掃描的適應征，掃描前的準備以及掃描技術。第二學時：顯示和攝影技術，胸部正常CT圖像解剖顯示和肺部CT導向穿刺活檢技術。

1.2 學情分析

本次授課對象是生物醫(yī)學工程專業(yè)本科四年級學員，這部分學生已完成了前置課程的學習，具備了相應的基本理論知識，并且經過見習，也具備了主要的實踐技能，系統(tǒng)掌握了相關專業(yè)知識，正處于從理論向創(chuàng)新實踐轉變的階段。

1.3 教學目標

根據人才培養(yǎng)方案，結合醫(yī)學課程標準和未來崗位的實際需求，確定了三個維度的教學目標，即知識目標：建立醫(yī)學成像與系統(tǒng)的知識結構和思想[5]，掌握常見醫(yī)療器械的成像原理和簡要構造；技能目標：引導學員將所學基礎知識與實際工作相結合，并能進行簡單操作，提高學生自主學習和解決實際問題的能力；情感目標：引導學員樹立正確的人生觀、價值觀、熱愛國家衛(wèi)生事業(yè)，培養(yǎng)學員為國家衛(wèi)生事業(yè)服務的使命感和榮譽感。

2 教學設計

將“以人為本，學以致用”的教學理念貫穿始終，引導學員將理論知識和臨床實踐相結合，將我們的教學和學員的能力認證相結合，把提示學員的崗位勝任能力作為實踐教學的終極目標。

目前胸部CT的掃描主要以低劑量掃描為主，掃描厚度范圍為1 mm～5 mm，我們在教學過程中采用啟發(fā)式與病灶對比式相結合的教學方法[6]，幫助學員理解窗寬、窗位設置方案對肺磨玻璃密度結節(jié)面積測量的影響(見圖1)，以及掃描層厚對于觀察肺部病灶的影響(見圖2)。如圖1和圖2所示，銳利算法重建及1mm重建對于觀察磨玻璃內部細節(jié)好，能清晰顯示增多增粗的血管，而平滑算法重建及5mm重建對于觀察磨玻璃邊界范圍更好。

2.1 課程評價標準

本課程最終以考試課的形式進行考核。分為形成性考核和終結性考核2部分[7]。形成性考核根據學員平時的上課表現(xiàn)，對理論知識的掌握程度，實訓操作是否規(guī)范，以及數據記錄的分析情況，進行評分，占整個課程分值的20%。終結性考核：在基礎理論授課結束后采取閉卷考試。占整個課程分值的80%。

圖1 CT影像:銳利算法重建和平滑算法重建

圖2 CT影像:1mm重建和5mm重建

3 虛擬仿真技術的運用

3.1 虛擬仿真技術背景介紹

虛擬仿真技術(Virtual Reality，VR)，又稱計算機仿真，就是用一個系統(tǒng)模仿另一個真實系統(tǒng)的技術。是指利用計算機生成三維動態(tài)實景，對系統(tǒng)的結構、功能、行為，以及參與系統(tǒng)控制的人的行為和思維過程進行動態(tài)及逼真的模擬。VR技術最早應用于軍事領域，如阿波羅登月計劃、洲際導彈的研制、核電站運行等方面[8]。直到20世紀70年代中期，民用領域才開始出現(xiàn)VR技術，并且隨著計算機信息技術的大規(guī)模發(fā)展，從1980年左右開始，VR技術才逐漸開始應用于人們生產及生活的各個方面，如儀器儀表、虛擬制造、電子產品設計、仿真訓練等[9]。

數字孿生(Digital Twin, DT)是一種超越現(xiàn)實的概念，可以被視為一個或多個重要的、彼此依賴的現(xiàn)實系統(tǒng)的數字映射。數字孿生技術中的孿生并不是完全一樣的兩個個體，準確來說，它們是兩個不同的系統(tǒng)，一個是現(xiàn)實世界中的真實系統(tǒng)，而另一個則是計算機仿真出來的虛擬系統(tǒng)[10]。通過計算機仿真技術，這個虛擬系統(tǒng)也能以一種直觀的方式讓我們感知與觸碰。真實的系統(tǒng)由大量不同的模塊構成，每個模塊分別實現(xiàn)一個或多個功能，通過模塊之間的相互配合，完成系統(tǒng)的運轉。數字孿生技術則是通過計算機對真實系統(tǒng)進行模擬仿真，使得虛擬出來的系統(tǒng)無論是在外觀，功能還是實際運行方面，均與真實系統(tǒng)相差無幾[11]。

醫(yī)學影像類專業(yè)的人才培養(yǎng)計劃要求學生熟悉并掌握各類醫(yī)學影像設備的實踐操作技能。由于經費和實驗設施的限制，在傳統(tǒng)的教學過程中，學生實踐操作技能的培養(yǎng)多選擇在醫(yī)院進行。由于醫(yī)院的醫(yī)療任務繁重，因此實際留給學生動手機會本身就少之又少，這為實際教學帶來了種種弊端[12-13]。為解決以上痛點問題，可以將VR技術與數字孿生技術應用到實際教學過程當中，通過計算機仿真，在三維場景中復現(xiàn)出《醫(yī)學影像設備學》《醫(yī)學影像成像理論》《醫(yī)學影像檢查技術》《醫(yī)學影像診斷學》等專業(yè)課程的相關理論及實踐教學內容[14]。并通過VR操作訓練，讓學生對醫(yī)院影像中心的布局及設備功能有真實的體驗理解，同時讓學員體會實驗的真實感和操作感。

近幾年，全世界頂級大學紛紛步入虛擬仿真實驗領域，并相繼推出基于PC 、移動設備或獨立設備的虛擬仿真實驗項目和解決方案，從而大大加快了虛擬仿真實驗相關研究的發(fā)展進程。但從總體上看，由于醫(yī)學的專業(yè)性和特殊性， 醫(yī)學虛擬仿真項目屈指可數，而醫(yī)學影像仿真項目則更少，醫(yī)學影像教育項目更是少之又少。在醫(yī)學教育領域， 德國Ruhr大學的“網絡虛擬實驗室學習系統(tǒng)”，加拿大西安大略大學醫(yī)療健康學院的“醫(yī)療3D虛擬現(xiàn)實教學環(huán)境” 和美國英特哥特生命科學控股公司開發(fā)的“虛擬現(xiàn)實ICP顱內壓檢測探入植入教學系統(tǒng)” 是醫(yī)學虛擬仿真教學的典型案例[14]。而在我國，山東的醫(yī)影智能科技有限公司開發(fā)的醫(yī)療設備結構虛擬仿真系統(tǒng)可以構建出大型設備仿真模擬機和設備間，并能真實再現(xiàn)場地規(guī)劃、機房設計、設備安裝與調試，模擬真實場景中設備布局、結構和參數，使教師在教學過程中可以實現(xiàn)理論與實踐結合，加強學生的認知深度。另一款性能檢測虛擬仿真系統(tǒng)則將教材和臨床實驗結合，可以實現(xiàn)儀器設備的拆分和組裝以及進行實訓操作，確保了實驗的沉浸感和互動感，使學生正確地掌握儀器設備的操作方法，并支持實驗報告自動導出，為學生提供個性化學習。

3.2 課件展示

本課件實現(xiàn)了醫(yī)工醫(yī)理深度融合，利用VR及數字孿生等技術，集醫(yī)學影像學成像原理，硬件結構及軟硬件操作于一體，構建1∶1的醫(yī)學影像學實踐教學虛擬操作環(huán)境，解決了硬件設備昂貴、維修難及操作危險等一系列實際教學中的痛點問題。

通過VR技術開展虛擬實景教學，讓學生直觀理解設備結構；通過模擬設備操作，實現(xiàn)學生在虛擬現(xiàn)實場景內“學中做、做中學”，愉快地理解和掌握教學內容。

操作步驟顯示：

展示部分以胸部CT常規(guī)掃描技術為例，學生通過理論學習和現(xiàn)場環(huán)境認知后，進行實訓學習，點擊進入按鈕，按照提示逐步完成15個操作步驟。課件設有文字及圖標步驟提示，當學生做出錯誤操作時，系統(tǒng)會給出錯誤提示。VR軟件操作系統(tǒng)具有以下功能：

①學生通過理論學習和現(xiàn)場環(huán)境認知后，進行實訓學習，點擊進入按鈕(見圖3)；

②新建患者信息，體位擺放可以選擇頭先進、足先進、仰臥位、俯臥位、右側臥位、左側臥位(見圖4)；

③可對CT掃描體位擺放方向進行各種調整，以適應各種檢查部位(見圖5)；

④可對定位掃描出現(xiàn)掃描部位CT圖像進行掃描計劃制定、修改、角度以及范圍調整(見圖6)；

⑤可以選擇掃描參數(見圖7)，可以進行OM、GB、EM、CM等多種定位線調整；掃完定位像，選好掃描范圍后，開始掃描(見圖8)；

圖3 虛擬仿真系統(tǒng)進入按鈕

圖4 新建患者信息

圖5 對CT掃描體位擺放方向進行各種調整

圖6 對掃描部位CT圖像進行掃描計劃制定、修改、角度、范圍調整

⑥操作系統(tǒng)可以排版各種方案、可對圖像顯示定位線、具備拍片、窗寬、窗位、骨窗、腦窗、肺窗、縱膈窗、圖像處理、發(fā)送等功能(見圖9)。

教研室同期開發(fā)了部分實踐教學的手機端APP，解決實訓教室設備不足的問題，也為遠程教學提供了基礎。

圖7 選擇掃描參數

圖8 掃完定位像，選好掃描范圍后，開始掃描

圖9 獲取掃描結果，操作系統(tǒng)可以排版多種方案，并對圖像進行后處理

4 結語

《醫(yī)學影像設備學》是醫(yī)學影像技術專業(yè)的核心課程。每個醫(yī)學影像檢查設備的工作原理及組成構造需要學生花費大量時間去記憶與掌握。而在傳統(tǒng)授課過程中，學生在規(guī)定的授課時間內，很難對這些內容進行充分的學習和觀察。因此，很多該專業(yè)學生在這門課程的學習上存在一定的困難[15]。教學效果滿意度調查的結果顯示，該專業(yè)的多數學生對于傳統(tǒng)的教學方式、方法表示不滿意。存在的主要問題是供學生實際動手拆卸、觀察的影像檢查設備數量少，且實際操作時間短。實驗課考試成績的結果也顯示了傳統(tǒng)教學方式的欠佳[16]。

虛擬仿真技術完美解決了以上教學難題。為了鼓勵各級各類學校探索仿真實驗教學的新理念、新方法及新模式，推動仿真教學的發(fā)展與應用，引導高校加強對仿真教學創(chuàng)新應用人才的培養(yǎng)，創(chuàng)新教學模式，提高教育質量，中國仿真學會舉辦了全國仿真教學大賽，為國內從事仿真實驗教學的教師們搭建了一個交流經驗和展示成果的平臺。

作為參賽隊伍之一，西京醫(yī)院放射科醫(yī)工系教研室和醫(yī)學影像教研室的作品《醫(yī)學成像與系統(tǒng)-胸部CT成像技術》成功入圍決賽并獲得一等獎，這也是我校首次獲得“全國仿真教學大賽”一等獎。本課件依托學校信息化建設工作和基礎條件，以5G技術為基礎，將VR技術與醫(yī)學影像學融合，所開展的虛擬實景教學完美解決了以上教學痛點和難題，讓學員具有實驗的真實感、沉浸感、互動感和操作感。促進了醫(yī)學影像技術在教學、管理及醫(yī)學科研中的應用，極大提高了學科核心競爭力。

綜上所述，將虛擬現(xiàn)實技術應用于臨床教學，能夠有效提升《醫(yī)學影像設備學》的教學效果，減輕教員的教學工作負擔，實現(xiàn)教學資源的共享，大幅減低院校對醫(yī)療實訓設備的資金投入和教學成本，是教與學的雙贏模式。