數(shù)字減影血管造影虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)開發(fā)與實踐

王超，孟凡，張慎忠

（1.南京醫(yī)科大學 生物醫(yī)學工程與信息學院，江蘇南京 211166；2.南京醫(yī)科大學附屬逸夫醫(yī)院麻醉科，江蘇南京 211112）

數(shù)字減影血管造影技術（Digital Subtraction Angiography，簡稱 DSA）是一種能夠可視化X 射線序列圖片中血管的技術[1-3]，已在臨床應用20 多年，是血管疾病無創(chuàng)診斷與介入治療手術導航的重要依據(jù)[4-5]，在圖像質量、判斷血流方向和優(yōu)勢供血等方面具有無可替代的作用[6-7]。2023年3月，中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發(fā)《關于進一步完善醫(yī)療衛(wèi)生服務體系的意見》，強調“提高醫(yī)療衛(wèi)生技術水平。加強臨床醫(yī)學、公共衛(wèi)生和醫(yī)藥器械研發(fā)體系與能力建設”“努力突破技術裝備瓶頸，加快補齊高端醫(yī)療裝備短板”[8]。本項目是把培養(yǎng)生物醫(yī)學工程專業(yè)人才與國家需求相對接。

數(shù)字減影血管造影成像原理是南京醫(yī)科大學生物醫(yī)學工程、醫(yī)學影像技術、醫(yī)學影像專業(yè)本科生的主干課程的核心知識點，其中包涵了自然科學的各種技術，可引導學生形成創(chuàng)新思維。

數(shù)字減影血管造影成像原理一直是學習難點[9-11]，學習DSA 原理需要對X 射線與人體相互作用、對比劑流體動力學、數(shù)字圖像減影等作用過程與數(shù)學模型進行想象、重構，傳統(tǒng)教學方法難以直觀、形象地展示技術原理，難以實現(xiàn)教學目標[12]。同時，由于DSA 不僅有較大量X 射線輻照[13]，且實施過程有創(chuàng)且復雜，加之DSA 設備昂貴，這些因素都不利于傳統(tǒng)DSA 實驗的開展。

1 數(shù)字減影血管造影虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)設計

1.1 實驗教學系統(tǒng)設計思路

數(shù)字減影血管造影虛擬防真實驗實驗教學系統(tǒng)設計基于互動學習與仿真操作來提高學生對數(shù)字減影血管造影成像原理重點及難點的掌握度及抽象概念的認知度，重點解決數(shù)字減影血管造影成像原理學習中驗證成本高、間接測量多、抽象推理難的問題[14]。具體設計思路如下。

（1）多維沉浸式設計：通過設備結構、原理展現(xiàn)、臨床應用等多個維度學習數(shù)字減影血管造影原理。觀察設備內部結構、了解設備工作原理和數(shù)字減影流程，增強學生的代入感；觀察不同時間、不同能量X 射線照射時血管內的影像變化，總結相關規(guī)律，深刻理解物理理論對成像及臨床診斷的意義。

（2）體內可視化設計：以人體血管系統(tǒng)為基礎，通過軟件建模呈現(xiàn)出血管路徑，使人體中難以觀察的到血管通路完全可視。實驗中，從造影前穿刺到血管中對比劑的流動過程皆能夠通過仿真可視化，學生在軟件中即可觀察血管造影的完整過程，能夠有效幫助學生對血管造影原理知識的學習和理解。

（3）數(shù)理模型化設計：依據(jù)數(shù)字減影血管造影的物理原理，基于數(shù)理模型實時運算高仿真技術，建立了“對比劑濃度變化”“時間/能量減影”等各種精準數(shù)學模型，并嵌入相應的模塊。仿真模塊將快速實時計算出不同參數(shù)對應的模擬輸出結果，使實驗過程更加科學、真實。

1.2 實驗教學系統(tǒng)內容設計

根據(jù)醫(yī)學成像原理中數(shù)字減影血管造影章節(jié)的教學目標和教學重點，虛擬仿真實驗課程內容共包含學習模式（知識點）、練習模式（學習）和綜合實驗模塊（測試）三大模塊，整體內容設計見圖1。

（1）數(shù)字減影血管造影基礎概念模塊：該模塊主要是對DSA 成像中設計的概念進行講解和學習，用戶通過點擊知識點即可跳轉到相應的學習視頻。這部分知識點包涵了訓練模塊和綜合設計模塊中所有參數(shù)選擇的方法，具體內容包括：X 射線成像原理、數(shù)字減影物理基礎、不同成像部位對比劑的選擇與濃度調節(jié)、數(shù)字減影方式、K 緣效應、DSA 成像參數(shù)、常用DSA 圖像處理方式和旋轉DSA。

（2）數(shù)字減影血管造影原理訓練模塊：該模塊的實驗方法主要為自主設計法和觀察法，用戶進入訓練界面之后選擇需要訓練的知識點，根據(jù)基礎概念模塊中學習的內容選擇相應的參數(shù)并觀察實驗結果，如果參數(shù)選擇錯誤，軟件將給出提示，幫助用戶快速定位到相應知識點。訓練模塊中具有豐富的案例，可多次學習和訓練。具體訓練內容包括對比劑選擇、X 射線參數(shù)設置、減影方式和圖像處理四個部分。

（3）數(shù)字減影血管造影原理綜合設計實驗模塊：該模塊的實驗方法包含自主設計法、觀察法和比較法。學生面對虛擬患者，根據(jù)基礎概念模塊和訓練模塊中所學習和掌握的內容，選擇對比劑參數(shù)、X 射線參數(shù)、減影方式等，系統(tǒng)將自動展示穿刺到成像過程，接著根據(jù)系統(tǒng)給出的成像結果，用戶選擇其中兩張圖片進行減影，最后再選擇圖像處理方式，完成完整的實驗過程。

2 數(shù)字減影血管造影虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)的使用

數(shù)字減影血管造影虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)包括學習模塊、練習模塊和綜合實驗模塊三大模塊，學生通過虛擬仿真軟件的首頁登錄后，點擊開始實驗即可進入模塊選擇主界面。

2.1 學習模塊

在學習模塊中，教師通過視頻講解方式呈現(xiàn)數(shù)字減影相關基礎概念，視頻內容包含理論課程配套教材上的知識和相關課外擴展資料，包括X 射線成像原理、數(shù)字減影物理基礎、不同成像部位對比劑的選擇與濃度調節(jié)、數(shù)字減影方式、K 緣效應、DSA 成像參數(shù)等理論知識，以列表形式展示在頁面。學生在進入下一模塊之前，必須先完成該模塊知識的學習。

2.2 練習模塊

練習模塊是在學習模塊的基礎上，結合標準化病人作為實驗數(shù)據(jù)，建立時間減影、能量減影、二次曝光等各種精準數(shù)學模型，并嵌入相應的模塊。仿真模塊將快速實時計算出不同參數(shù)對應的模擬輸出結果。練習模塊具體內容見圖2，包括對比劑、X 射線參數(shù)、減影方式、圖像處理四個訓練模塊，支持學生分模塊或者組合模塊進行學習和練習，學生在各個模塊中可反復調節(jié)相關參數(shù)，以此來達到學習目的。

圖2 練習模式內容組成

2.3 綜合實驗模塊

綜合實驗模塊是在練習模塊的基礎上，對練習模塊中的對比劑、X 射線參數(shù)設置、減影方式和圖像處理四個訓練模塊進行綜合訓練，考核學生的邏輯思維能力和演繹推理能力。同時考核模式將融合真實案例教學，結合臨床病人數(shù)據(jù)作為實驗數(shù)據(jù)，以顱內動脈、下肢動脈和膀胱動脈DSA 影像為例，以最終得出清晰的血管造影圖片為目的，考核學生知識點掌握情況。進入綜合實驗模塊后，系統(tǒng)隨機給出病人的生理參數(shù)和目標成像部位，學生需完成成像參數(shù)選擇、數(shù)字減影圖像選擇和減影圖像后處理三個過程。

（1）成像參數(shù)選擇：根據(jù)模擬病人的參數(shù)和檢查部位，選擇成像位置、減影方式、拍攝方式、成像時間、射線能量等實驗參數(shù)，點擊確定之后系統(tǒng)模擬穿刺至成像過程，在界面右側實時顯示動脈內對比劑濃度變化曲線，學生點擊停止拍攝按鍵后，系統(tǒng)生成系列掩膜和X 射線成像圖片。

（2）數(shù)字減影圖像選擇：成像參數(shù)選擇后，對于系統(tǒng)生成的系列影像圖片，學生分別選擇一幅掩膜和X射線影像圖片進行減影，點擊確定之后，系統(tǒng)將生成減影后的圖像。

（3）減影圖像后處理：選擇減影圖像后，系統(tǒng)隨機生成噪聲、偽影等，疊加在圖像上，學生根據(jù)顯示圖像的特點選擇處理方法，最終得到檢查部位的成像結果。完成之后，學生點擊右上角的提交成績按鍵，系統(tǒng)將對綜合實驗結果分步驟進行評價。

2.4 成績考核方式

數(shù)字減影血管造影虛擬仿真實驗評價主要由學習模塊、練習模塊和綜合實驗模塊三部分組成，分值占比分別為20%、30%和50%，學生操作總成績大于85 分記為合格，系統(tǒng)自動生成結果證書。其中，學習模塊要求學生完成知識點的學習；在練習模塊中，學生需連續(xù)3 次正確選擇隨機出現(xiàn)的檢查部位的參數(shù)；在綜合實驗模塊中，系統(tǒng)按各步驟操作結果賦分。

3 虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)的實踐與成效

在醫(yī)學成像原理課程第二章X 射線成像教學中，增加了數(shù)字減影血管造影虛擬仿真實驗部分內容，要求學生自主在線進行學習和操作，并需通過綜合實驗考核。通過增加該部分實驗教學內容，串聯(lián)第一章X射線成像原理的知識點，進一步提升學生對數(shù)字減影血管成像原理的理解，包括數(shù)字減影物理基礎、對比劑選擇、減影方式、圖像選擇與處理等內容。

虛擬仿真實驗教學與原有數(shù)字減影血管造影成像原理實體實踐教學相結合，深入學習DSA 圖像成像機制與重建原理，創(chuàng)建了“以實為本、虛實結合”滿足認知實習、專業(yè)實驗、專業(yè)實訓、專業(yè)實習等要求的綜合實踐教學體系，形成了以“仿真實驗”拓展“真實實驗”的“綠色實踐教學”。多輪實際實踐結果表明：本系統(tǒng)具有良好的教學效果。

（1）創(chuàng)造了與實際環(huán)境相似度非常高的環(huán)境，有利于學生快速學習。依托虛擬仿真、人機交互技術建立的虛擬體驗系統(tǒng)，學生可以直觀地學習DSA 成像設備的內部結構和成像原理，并可以體驗DSA 成像實際操作的流程。

（2）節(jié)省了時間和成本。比起傳統(tǒng)的實物實景教學以及單一的實物現(xiàn)場實習或體驗，虛擬仿真系統(tǒng)能夠縮短建立實物和獲取環(huán)境的時間，而且一套虛擬仿真系統(tǒng)可以多人同時、多次使用，實現(xiàn)了在更短的時間內用更小的成本培養(yǎng)更高素質人才的目標。

（3）增加了安全可靠性。虛擬仿真系統(tǒng)使得體驗過程不會浪費財力、物力，體驗者可以通過虛擬仿真系統(tǒng)熟練掌握知識原理和操作流程，強化知識學習過程。

（4）手段新穎，直觀性強，學生學習興趣高。采用3D 仿真技術，模擬真實操作環(huán)境，實現(xiàn)人機交互操作等，都能在虛擬的三維現(xiàn)實環(huán)境中實現(xiàn)協(xié)同模擬操作，有利于進一步培養(yǎng)學生的創(chuàng)新實踐能力。

4 結語

虛擬仿真實驗系統(tǒng)彌補了傳統(tǒng)實體實驗教學的不足，通過以虛補實、虛實結合促進理論教學的開展，為學生實踐操作能力的培養(yǎng)提供了有力工具。本文中設計并開發(fā)的數(shù)字減影血管造影虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)從理論知識、實踐實訓到綜合考核各環(huán)節(jié)，循序漸進開展線上實驗教學，實踐教學表明：本系統(tǒng)有效提高了學生的學習興趣和自主學習能力，進一步培養(yǎng)了學生的實驗操作能力和創(chuàng)新思維，為醫(yī)學成像原理課程的教學提供了有益支撐，也為醫(yī)工復合型人才的培養(yǎng)起到了重要支持作用。

數(shù)字減影血管造影虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)解決了醫(yī)學成像原理課程中數(shù)字減影血管造影原理實驗開展的難題，其他醫(yī)學成像技術如磁共振、核素成像等也同樣面臨難以開展實體實驗教學的問題。因此，以本虛擬仿真系統(tǒng)為基礎，未來將逐步設計與開發(fā)更多相關實驗系統(tǒng)，建設完整的醫(yī)學成像原理實驗教學體系，進一步豐富和完善課程教學內容。數(shù)字成影血管造影虛擬仿真教學系統(tǒng)主要面向本校生物醫(yī)學工程、醫(yī)學影像技術和醫(yī)學影像專業(yè)的學生，其他醫(yī)學相關專業(yè)學生也可使用本系統(tǒng)輔助學習相關知識。此外，全國其他高校師生也可通過本系統(tǒng)開放的入口進行學習，實現(xiàn)線上教學資源高效共享，為醫(yī)學、理學、工學等相關人才的培養(yǎng)提供有力支持。