高職院校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在“醫(yī)學(xué)影像設(shè)備學(xué)”中的應(yīng)用與探索

陸薇 王盼霞

石家莊醫(yī)學(xué)高等專科學(xué)校 河北石家莊 050000

“醫(yī)學(xué)影像設(shè)備學(xué)”作為醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)的核心課程之一，主要講述當(dāng)今各種醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的分類形式、結(jié)構(gòu)組成、使用方法、故障排查、維護(hù)保養(yǎng)等內(nèi)容。只有掌握了該課程的具體內(nèi)容，學(xué)生才能在以后的醫(yī)院實(shí)習(xí)、就業(yè)中更好地去使用、操作醫(yī)學(xué)影像設(shè)備，更高效地得到相應(yīng)的診斷圖像。當(dāng)今醫(yī)院、學(xué)校常見的醫(yī)學(xué)影像設(shè)備技術(shù)含量高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、功率較大，在教學(xué)實(shí)施過程中容易出現(xiàn)一些問題，影響教學(xué)正常進(jìn)行。在這種情況下，將虛擬仿真技術(shù)融入醫(yī)學(xué)影像設(shè)備學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中去，可以把抽象的理論知識(shí)更加具體化，而且減少了設(shè)備購買、維護(hù)費(fèi)用，把現(xiàn)實(shí)中無法開展的實(shí)驗(yàn)課通過虛擬的方式形象展現(xiàn)出來，有助于學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的深度掌握。2019年3月，《教育部關(guān)于公布2018年度國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目認(rèn)定結(jié)果的通知》中，浙江、湖北等省份的高校均已建成完善的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)，高職院校也應(yīng)積極加快虛擬仿真平臺(tái)建設(shè)，促進(jìn)影像專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量得到不斷提升，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)際操作能力，提升高職院校在相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域的影響力和競爭力。

1 醫(yī)學(xué)影像設(shè)備學(xué)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)特點(diǎn)

1.1 設(shè)備數(shù)量較少，學(xué)生人數(shù)較多，圍觀式實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果差

我校醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)學(xué)生人數(shù)較多，大部分院校實(shí)驗(yàn)設(shè)備難以達(dá)到人均教學(xué)需求，另外醫(yī)學(xué)影像設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，大部分學(xué)生無法通過規(guī)定的授課時(shí)間掌握設(shè)備的組成、結(jié)構(gòu)，在實(shí)驗(yàn)過程中，由于設(shè)備體積大，讓學(xué)生動(dòng)手拆裝影像設(shè)備難以實(shí)現(xiàn)，學(xué)生實(shí)踐操作機(jī)會(huì)少，只能圍觀式教學(xué)，學(xué)生無法真正了解設(shè)備的原理，學(xué)生參與度低，使得教學(xué)資源嚴(yán)重不足。另外，醫(yī)學(xué)影像設(shè)備價(jià)格昂貴，學(xué)生的操作失誤會(huì)引起設(shè)備相應(yīng)部件的損壞，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)損失。

1.2 設(shè)備陳舊，無法展現(xiàn)當(dāng)今最新影像技術(shù)

高職類院校教學(xué)資金投入相對(duì)薄弱，示教使用的影像設(shè)備較為陳舊，以我校為例，學(xué)校醫(yī)學(xué)影像實(shí)驗(yàn)室有多臺(tái)X線機(jī)、CT、核磁設(shè)備，但與當(dāng)前市場和醫(yī)院應(yīng)用的主流設(shè)備相比相對(duì)落后，無法對(duì)接當(dāng)今出現(xiàn)的新趨勢、新技術(shù)、新材料、新理念。

1.3 實(shí)驗(yàn)過程中電離輻射較大，不利于師生健康

醫(yī)學(xué)影像設(shè)備大多數(shù)功率較大，工作過程中管電壓高達(dá)幾百千伏，管電流大，生成的X線劑量也較大，有較強(qiáng)的電離輻射，而學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的防輻射措施及設(shè)備相對(duì)落后，曝光運(yùn)行易影響師生健康。

1.4 傳統(tǒng)影像設(shè)備在線上實(shí)驗(yàn)課中無法正常開展

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和信息技術(shù)的高速發(fā)展，理論課線上授課越來越成熟，多種網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)資源共享，可以不受地點(diǎn)、環(huán)境的約束。但線上實(shí)驗(yàn)課卻缺乏實(shí)驗(yàn)場地、實(shí)驗(yàn)器械，學(xué)生無法正常操作，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果大幅降低，教學(xué)目標(biāo)無法實(shí)現(xiàn)。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)實(shí)施

2.1 “醫(yī)學(xué)影像設(shè)備學(xué)”教學(xué)模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)方案，結(jié)合高職院校學(xué)生的實(shí)際特點(diǎn)，以人民衛(wèi)生出版社的《醫(yī)學(xué)影像設(shè)備學(xué)》第4版教材為內(nèi)容依據(jù)，課程知識(shí)體系架構(gòu)如下表：

醫(yī)學(xué)影像設(shè)備學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊設(shè)計(jì)表

2.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)界面如下圖所示。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)界面

虛擬實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)使用Web前端技術(shù)，開發(fā)過程結(jié)合Solidworks、3DMAX和VR-Platform等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)場景和設(shè)備結(jié)構(gòu)的仿真，提前設(shè)定好的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于服務(wù)器中，在需要時(shí)以高仿真式形式調(diào)用，實(shí)現(xiàn)逼真的互動(dòng)實(shí)驗(yàn)授課。以數(shù)字X線攝影裝置仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為例，當(dāng)前可以實(shí)現(xiàn)的具體內(nèi)容包括以下方面。

2.2.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)的展示

在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作過程中影像設(shè)備的組成部件都會(huì)以3D的形式進(jìn)行展示，畫面立體且直觀。以數(shù)字X線機(jī)的基本構(gòu)成為例，包括X線管裝置、高壓變壓器、燈絲變壓器、高壓整流器、控制裝置、X線管頭支持裝置、影像裝置、記錄裝置等，最核心的部件為旋轉(zhuǎn)陽極X線管裝置，它的外部為管套，管套內(nèi)壁襯有鉛層，內(nèi)部封裝X線管，并且充滿變壓器油，X線管由旋轉(zhuǎn)陽極靶面、轉(zhuǎn)子、定子、陰極燈絲、玻璃外殼等幾部分組成，這些結(jié)構(gòu)都有文字進(jìn)行標(biāo)注，讓學(xué)生對(duì)基本組成結(jié)構(gòu)印象清晰。在實(shí)際X線機(jī)操作過程中，學(xué)生只能看到X線管裝置的外部管套，內(nèi)部組成不能直觀顯示，仿真實(shí)驗(yàn)使學(xué)生對(duì)X線管裝置的組成、結(jié)構(gòu)、原理有了更直觀的理解。

2.2.2 設(shè)備工作過程的展示

以X線管裝置中的燈絲加熱實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)為例，陰極燈絲常裝有兩根長短、粗細(xì)不同的螺旋管狀燈絲，對(duì)應(yīng)不同的焦點(diǎn)，選擇合適的燈絲供電。燈絲變壓器產(chǎn)生的燈絲電壓(5～10V)經(jīng)過高壓電纜的傳輸，送到X線管陰極端相應(yīng)的燈絲，燈絲在此電壓的作用下開始升溫，當(dāng)燈絲溫度增高達(dá)2100K后開始釋放電子。此時(shí)學(xué)生可以通過仿真平臺(tái)改變燈絲電壓，燈絲電壓升高，燈絲溫度也隨著升高，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的電子數(shù)量就越多，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可得，調(diào)節(jié)燈絲的加熱電壓，即可改變燈絲溫度，改變單位時(shí)間燈絲發(fā)射電子的數(shù)量，而電子在管電壓作用下形成管電流，由此可以得出管電流實(shí)際是由燈絲電壓決定。在虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)下，學(xué)生可以自主調(diào)整燈絲電壓，還可以看到在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中無法觀測的電流流向、電子發(fā)射，在沒有任何設(shè)備損耗的情況下多次重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，增加了學(xué)習(xí)的趣味性和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

2.2.3 控制臺(tái)面板參數(shù)調(diào)整

利用虛擬仿真平臺(tái)上相應(yīng)按鈕進(jìn)行透視、點(diǎn)片攝影、普通攝影、濾線器攝影、體層攝影等不同種工作模式的切換，還可以進(jìn)行曝光電參數(shù)的設(shè)定和調(diào)整：最高管電壓150kV，管電流25～500mA可調(diào)、曝光時(shí)間5～50000ms，共31檔，mAs選擇0.5～500mAs共31檔。

以普通攝影實(shí)驗(yàn)為例，具體操作方法：選擇普通攝影方式——選擇合適的kV、mA、mAs、ms——按下手閘Ⅰ檔，約1.5s左右——設(shè)備準(zhǔn)備就緒——按下手閘Ⅱ檔進(jìn)行模擬曝光。在整個(gè)模擬操作過程中，電源指示燈、曝光指示燈會(huì)在適宜的時(shí)候點(diǎn)亮。

2.2.4 設(shè)備各單元電路邏輯關(guān)系

醫(yī)學(xué)影像設(shè)備學(xué)中最生澀難懂的知識(shí)模塊為電路結(jié)構(gòu)分析，這些電路主要以實(shí)現(xiàn)透視和攝影過程中，管電壓、管電流、曝光時(shí)間的調(diào)控以及方便X線檢查為主要任務(wù)。用仿真技術(shù)模擬X線機(jī)主機(jī)電路中各單元電路流程圖，包括電源電路、X線燈絲加熱電路、高壓初級(jí)電路、高壓次級(jí)電路、操作控制電路之間的既相互聯(lián)系又相互制約的關(guān)系，不用焊接，調(diào)試儀表不擔(dān)心損壞，還可以演示電流在各個(gè)支路中的流向，模擬X線管加上管電壓后產(chǎn)生X線的場景，快捷直觀，大大提高了學(xué)習(xí)的趣味性，有助于學(xué)生對(duì)電路模塊知識(shí)點(diǎn)的深度掌握。

2.2.5 基礎(chǔ)知識(shí)考核

考核模塊可以有效驗(yàn)證學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，每個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K都附帶有考核。教師通過人才培養(yǎng)方案、教材、放射醫(yī)學(xué)技師考試等內(nèi)容為依據(jù)選取的試題導(dǎo)入考核模塊數(shù)據(jù)庫中，在學(xué)生每次操作之后可以針對(duì)性的進(jìn)行練習(xí)，并把考試分?jǐn)?shù)記錄下，加深學(xué)生對(duì)理論基礎(chǔ)知識(shí)的印象，讓學(xué)習(xí)效果實(shí)現(xiàn)最大化。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施優(yōu)勢

3.1 揚(yáng)長避短，突出學(xué)生優(yōu)勢

高職院校學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)薄弱，自主學(xué)習(xí)能力差，但頭腦靈活，熟練操作計(jì)算機(jī)和手機(jī)，對(duì)多個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)感興趣。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)可以讓每位同學(xué)獨(dú)立操作，增加了學(xué)生的動(dòng)手機(jī)會(huì)，突出學(xué)生主體地位，使得枯燥的理論知識(shí)更加立體形象，學(xué)生在認(rèn)知的同時(shí)可以進(jìn)行虛擬環(huán)境下的實(shí)機(jī)操作，并能實(shí)時(shí)得到操作結(jié)果作為反饋，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)手操作能力，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

3.2 化繁為簡，形象展示枯燥的知識(shí)點(diǎn)

“醫(yī)學(xué)影像設(shè)備學(xué)”課程具體內(nèi)容涵蓋醫(yī)學(xué)、電磁學(xué)、電路、計(jì)算機(jī)、機(jī)械學(xué)等多種學(xué)科知識(shí)，學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)薄弱，面對(duì)如此廣的知識(shí)領(lǐng)域，掌握起來難度較大。多種形式的虛擬環(huán)境中，將影像設(shè)備具體的結(jié)構(gòu)用視頻、動(dòng)畫、圖片等形式重新展現(xiàn)，學(xué)生能夠多角度、立體式地觀察和了解影像設(shè)備內(nèi)部詳細(xì)結(jié)構(gòu)，使基本原理更清晰易懂，學(xué)生對(duì)設(shè)備建立更加直觀和感性的認(rèn)識(shí)，改變了原有枯燥、抽象的情況，讓學(xué)生更加容易接受，達(dá)到預(yù)期的學(xué)習(xí)效果。

3.3 轉(zhuǎn)危為安，降低實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)

醫(yī)學(xué)影像設(shè)備尤其是X線設(shè)備在工作過程中使用高管電壓，會(huì)產(chǎn)生大劑量X線，存在很強(qiáng)的電離輻射，在實(shí)驗(yàn)中即使防護(hù)措施到位，X線設(shè)備都會(huì)對(duì)學(xué)生、教師健康存在安全隱患。另外，醫(yī)學(xué)影像設(shè)備發(fā)展迅速，新產(chǎn)品價(jià)格昂貴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作中拆卸安裝設(shè)備需要技術(shù)高，且耗時(shí)較長，不當(dāng)?shù)氖址ㄓ锌赡軗p壞設(shè)備。利用模擬仿真實(shí)驗(yàn)降低對(duì)大型實(shí)體設(shè)備的過度依賴，擺脫高管電壓、X線輻射等安全隱患，降低設(shè)備購置經(jīng)費(fèi)的投入。

3.4 更進(jìn)一步，開辟醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式

本虛擬仿真平臺(tái)，在全部開發(fā)完成之后可支持“醫(yī)學(xué)影像設(shè)備學(xué)”各個(gè)章節(jié)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生不用實(shí)際接觸儀器設(shè)備就可以完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作。醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)的其他專業(yè)核心課程包括“醫(yī)學(xué)影像診斷學(xué)”“醫(yī)學(xué)影像檢查技術(shù)”“醫(yī)學(xué)影像超聲診斷學(xué)”等也可以在此基礎(chǔ)上全面開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)逐漸建立以學(xué)促教、教學(xué)相長的學(xué)習(xí)過程，不斷提高高職院校醫(yī)學(xué)影像專業(yè)的教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量，為本專業(yè)的教學(xué)改革提供新方法、新手段。

結(jié)語

“醫(yī)學(xué)影像設(shè)備學(xué)”是一門將醫(yī)學(xué)、工學(xué)相結(jié)合的學(xué)科，利用虛擬仿真技術(shù)將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式進(jìn)行改變，使用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、軟件技術(shù)、多媒體技術(shù)將枯燥的理論知識(shí)改裝成有形有色的新模式，對(duì)增強(qiáng)學(xué)生素質(zhì)，提高專業(yè)素養(yǎng)起著助力作用。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在本課程中的應(yīng)用效果良好，尤其是在互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)高速發(fā)展的今天，可以不受實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制，完成既定的實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，可以繼續(xù)推廣到其他各類醫(yī)學(xué)專業(yè)教學(xué)當(dāng)中，從而培養(yǎng)更多適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的應(yīng)用型人才，為國家、社會(huì)輸送更多專業(yè)技術(shù)人員。