陳建方, 石 波, 曹明娜, 張順花, 張根選, 張 賽

(蚌埠醫(yī)學(xué)院 醫(yī)學(xué)影像學(xué)系，安徽 蚌埠 233030)

虛實(shí)結(jié)合的影像專業(yè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綐?gòu)建

陳建方, 石 波, 曹明娜, 張順花, 張根選, 張 賽

(蚌埠醫(yī)學(xué)院 醫(yī)學(xué)影像學(xué)系，安徽 蚌埠 233030)

針對影像專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀，探討構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的影像專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式。在分析了目前影像專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中普遍存在的問題后，結(jié)合示范實(shí)驗(yàn)中心與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建了基于放射模擬人、超聲模擬人、數(shù)據(jù)庫、Matlab等平臺上的虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。在有限資金投入下，構(gòu)建以虛實(shí)結(jié)合為核心的影像專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，較好地解決了實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，對影像專業(yè)創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)發(fā)揮了重要作用。

影像專業(yè)； 虛實(shí)結(jié)合； 放射模擬人； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

0 引 言

教育信息化是信息時(shí)代教育改革發(fā)展的必然要求，也是教育現(xiàn)代化的核心特征，虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)上升到國家戰(zhàn)略層面[1-2]。從醫(yī)學(xué)影像學(xué)科發(fā)展來看，醫(yī)學(xué)影像成像技術(shù)及軟硬件集成了當(dāng)今最新科學(xué)技術(shù)，以圖像重建為代表的數(shù)字化成像技術(shù)得了廣泛的應(yīng)用，圖像后處理、軟拷貝讀片已經(jīng)成為常規(guī)手段,同時(shí)基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及數(shù)字化成像技術(shù)的PACS也在醫(yī)院得到建設(shè)與應(yīng)用[3-5]。盡管最近幾年，高等學(xué)校投入在不斷增大，國家、省都推出各種支持高校發(fā)展的計(jì)劃，但是就實(shí)驗(yàn)教學(xué)而言，實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備、技術(shù)及方法仍難以與臨床影像技術(shù)同步發(fā)展，遠(yuǎn)落后于臨床應(yīng)用。而影像科又具有一定的特殊性，其影像設(shè)備都是大型設(shè)備，價(jià)格昂貴，數(shù)量少，具有高精尖、成像過程復(fù)雜等特點(diǎn)。本文結(jié)合蚌埠醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像學(xué)實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)情況，探討了虛實(shí)結(jié)合的影像專業(yè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綐?gòu)建。

1 影像專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中亟待解決的問題

(1) 硬件“投入大、數(shù)量少”。臨床應(yīng)用的影像設(shè)備動輒數(shù)十萬至數(shù)百萬元的投資，使學(xué)校無力投入巨大資金購置，即使學(xué)校投入巨資購置了一定數(shù)量的硬件設(shè)備，但由于學(xué)校招生規(guī)模較大，實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量仍難以滿足需要，學(xué)生實(shí)驗(yàn)由“動手做”變成了“演示看”，幾十人使用一臺設(shè)備，這必然造成“能力不足”。

(2) 實(shí)驗(yàn)“風(fēng)險(xiǎn)大”“禁區(qū)多”。臨床影像設(shè)備高精尖、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高，存在電離輻射及高壓電擊危害，用“實(shí)體病人”實(shí)驗(yàn)存在道德倫理問題等。醫(yī)院不敢放手讓學(xué)生操作，學(xué)生沒有機(jī)會接受相關(guān)項(xiàng)目訓(xùn)練，造成影像專業(yè)培養(yǎng)的人才“動手能力不夠”。

(3) 影像設(shè)備成像過程復(fù)雜，原理抽象。由于目前影像設(shè)備都是大型化數(shù)字成像設(shè)備，自動化程度高，但從教學(xué)角度來看，不利于學(xué)生對成像過程與原理的理解，更難把握其中參數(shù)的調(diào)控。

(4) 教學(xué)與診療之間存在潛存沖突。盡管各大醫(yī)學(xué)院都設(shè)有臨床教學(xué)醫(yī)院，為學(xué)生實(shí)習(xí)提供保障。但是臨床醫(yī)院的根本目標(biāo)仍是以病人為中心，為病人的診療服務(wù)。而學(xué)校的教學(xué)任務(wù)是以學(xué)生為中心，重點(diǎn)是教學(xué)。

針對以上問題，許多學(xué)者開展了研究工作。范能勝等[6]開展了全硬件仿真X線機(jī)的研制；郭勝文等[7]、劉偉等[8]、黃展鵬等[9]開展了圖像處理等方面的研究工作；黃磊等[10]更是將Web技術(shù)引入到MRI仿真操作上；胡俊峰等[11]發(fā)明了“一種MRI影像診斷系統(tǒng)”的仿真裝置。以上研究都將虛擬仿真技術(shù)引入到了實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，解決了實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的某些方面的問題，取得了一些教學(xué)成果。我校醫(yī)學(xué)影像學(xué)實(shí)驗(yàn)中心多年來一直堅(jiān)持實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[12]。在學(xué)校的支持下，實(shí)驗(yàn)中心本著“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛”的原則，在硬件建設(shè)基礎(chǔ)上，構(gòu)建以虛擬仿真為核心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，滿足影像(醫(yī)學(xué)影像學(xué)、醫(yī)學(xué)影像技術(shù))專業(yè)對創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的要求。

2 虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綐?gòu)建

在影像專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃中，影像專業(yè)主干課程有影像成像原理、介入放射學(xué)、影像檢查技術(shù)學(xué)、影像設(shè)備學(xué)、超聲診斷學(xué)、醫(yī)學(xué)圖像處理、醫(yī)學(xué)影像學(xué)等，這些課程的實(shí)驗(yàn)開設(shè)是培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)能力的核心。只不過醫(yī)學(xué)影像學(xué)專業(yè)(授醫(yī)學(xué)位)與醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)(授理學(xué)位)在實(shí)驗(yàn)開設(shè)上側(cè)重點(diǎn)不同，一個側(cè)重于影像診斷方面訓(xùn)練，一個側(cè)重于影像技術(shù)方面的訓(xùn)練。

2.1硬件實(shí)訓(xùn)體系

影像專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備主要硬件包括影像設(shè)備及影像模擬人。多年來醫(yī)學(xué)影像實(shí)驗(yàn)中心在國家、省級專項(xiàng)資金的支持下，陸續(xù)添置了一些必要的硬件。目前實(shí)驗(yàn)中心有2具X線模擬人、1具超聲模塊人、1臺CT、3臺多型號X線機(jī)、近10臺超聲診斷儀、1臺CR系統(tǒng)、1臺MRI設(shè)備及一些配套設(shè)施，這些都是共享硬件設(shè)施。在此硬件基礎(chǔ)上，多門課程根據(jù)影像專業(yè)對創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的要求，重構(gòu)了硬件實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，基本滿足了醫(yī)學(xué)影像設(shè)備學(xué)、醫(yī)學(xué)影像檢查技術(shù)學(xué)、超聲診斷學(xué)、醫(yī)學(xué)影像物理學(xué)等課程硬件實(shí)訓(xùn)要求。尤其是影像模擬人是影像專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的關(guān)鍵。硬件實(shí)訓(xùn)體系框圖如圖1所示。

圖1 硬件實(shí)訓(xùn)體系框圖

對于影像專業(yè)來說，實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)開展始終受到二個方面因素的困擾，一是放射成像具有電離輻射，對人健康產(chǎn)生影響，二是沒有標(biāo)準(zhǔn)疾病的“實(shí)體病人”來供成像，迫切需要一種能替代真實(shí)人體完成成像的模擬人裝置。影像實(shí)驗(yàn)中心最近幾年加大了實(shí)驗(yàn)室硬件投入，陸續(xù)購置了2具X線模擬人與1具超聲模擬人。例如X線模擬人采用對X線的吸收率和人體相近的特殊合成樹脂實(shí)體材料制作，在X線/CT機(jī)下實(shí)際拍出影像和真實(shí)人體在X線/CT機(jī)下拍出影像幾乎接近，并可預(yù)置相關(guān)病變。

借助“模擬人”模擬“實(shí)體病人”的“實(shí)”，設(shè)計(jì)了許多“虛”的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，做到了虛實(shí)結(jié)合，充分發(fā)揮了仿真技術(shù)的優(yōu)勢。實(shí)驗(yàn)室硬件的改善，為創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)開設(shè)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.2軟資源仿真體系構(gòu)成

有了較好硬件，還必須有相應(yīng)配套的軟資源，才能充分發(fā)揮硬件的功能。圖2為軟資源仿真體系構(gòu)成框圖，核心是計(jì)算機(jī)硬件與應(yīng)用軟件資源。目前影像實(shí)驗(yàn)中心建有2個60臺電腦組成的通用計(jì)算機(jī)房、1個專用的PACS機(jī)房及其他專用軟硬平臺，軟資源的建設(shè)更是體現(xiàn)了虛實(shí)結(jié)合，相互補(bǔ)充，能實(shí)不虛的原則。

2.2.1教學(xué)型PACS建設(shè)

隨著數(shù)字化影像技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的發(fā)展，PACS在各大醫(yī)院中得了廣泛的應(yīng)用，它集成了影像獲取、存儲、傳輸、處理、顯示與一體，在PACS網(wǎng)絡(luò)上，可以實(shí)現(xiàn)影像資源共享、診斷與遠(yuǎn)程醫(yī)療等。但是由于PACS投資規(guī)模較大，學(xué)校教學(xué)部門幾乎不可能完成PACS的建設(shè)。怎么解決實(shí)際影像教學(xué)與臨床影像需求之間的矛盾，我們依托實(shí)驗(yàn)中心原有的電子讀片實(shí)驗(yàn)室，通過軟硬件升級，開展了以影像數(shù)據(jù)庫建設(shè)為核心的軟資源建設(shè)，建成了教學(xué)型PACS，其功能接近于臨床所用PACS，此外還增加了大量教學(xué)特有的功能。

圖2 軟資源構(gòu)成框圖

2.2.2影像診斷學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

影像診斷學(xué)是影像專業(yè)的核心課程，包括普通X線成像、數(shù)字化X線成像(包括CR、DR、CT、乳腺鉬靶X線)、MRI等核心教學(xué)內(nèi)容。數(shù)字化資源的優(yōu)點(diǎn)是突出的，可以通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字化后處理，來達(dá)到診斷要求，這在臨床影像診斷中已經(jīng)達(dá)到了廣泛的應(yīng)用。但是在醫(yī)學(xué)影像學(xué)教學(xué)過程中，教師所能利用的數(shù)字化資源是有限的，直接影響了教學(xué)效果。怎么利用數(shù)字化資源來進(jìn)行教學(xué)，提高學(xué)生“能力”就擺在我們面前。在這方面我們一直追蹤影像技術(shù)的發(fā)展，收集整理相關(guān)數(shù)字化資源庫，目前已經(jīng)建有2 000余例完整病例的數(shù)字化資源數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，并完成在Web界面下對影像數(shù)據(jù)庫管理平臺(如添加、刪除、修改等)與學(xué)生學(xué)習(xí)平臺(如自主學(xué)習(xí)、隨機(jī)學(xué)習(xí)、模擬檢測、在線考試、隨機(jī)考試等)編程設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)影像數(shù)據(jù)庫資源的網(wǎng)絡(luò)化管理與學(xué)習(xí)應(yīng)用，充分發(fā)揮了硬件與PACS平臺的作用。

2.2.3超聲診斷學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

該部分包括三方面內(nèi)容，① 以正常人為對象，采用DV錄制“標(biāo)準(zhǔn)操作手法”錄像，后期配以文本、音頻、示意圖、解剖圖、flash動畫、特寫等制作視頻數(shù)字化資源，解決肝、膽、胰腺等常見部位影像資源建設(shè)；② 以超聲模擬人為檢查對象，重點(diǎn)解決婦科、產(chǎn)科、乳腺等特殊部位正常影像資源建設(shè)；③ 以超聲模擬人為檢查對象，重點(diǎn)解決預(yù)設(shè)病變影像資源建設(shè)。通過此3種方法，完成了超聲檢查數(shù)字化資源庫的建設(shè)[13]，采集到500例以上完整超聲影像資源。

2.2.4影像檢查技術(shù)仿真系統(tǒng)

CT、MRI、CR/DR等是大型復(fù)雜的影像成像設(shè)備，實(shí)際成像過程中，參數(shù)較多，操作較復(fù)雜，影響影像質(zhì)量的因素較多，而且還有復(fù)雜的圖像后處理過程。在實(shí)際教學(xué)過程中，學(xué)生沒有機(jī)會在這些大型、昂貴的設(shè)備上完成影像檢查技術(shù)的技能訓(xùn)練，教師也無法把這些復(fù)雜的檢查過程、參數(shù)設(shè)置與影像之間關(guān)系形象直觀地表達(dá)出來。影像實(shí)驗(yàn)中心汪百真等[14-15]先后完成了基于Windows的CT、MRI仿真操作系統(tǒng)的開發(fā)。近期實(shí)驗(yàn)中心又著手開展了CR、DR等仿真操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過對目前主流影像設(shè)備使用的仿真，使我們培養(yǎng)訓(xùn)練的學(xué)生能夠一直與影像技術(shù)的發(fā)展同步，掌握最新的影像成像技術(shù)。同時(shí)在仿真系統(tǒng)的開發(fā)過程中，多位老師還指導(dǎo)一批同學(xué)參與，更是激發(fā)了同學(xué)們的創(chuàng)新積極性。

2.2.5醫(yī)學(xué)影像設(shè)備仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

傳統(tǒng)的影像設(shè)備教學(xué)普遍采用多媒體課件教學(xué)，課件中多以單個靜止圖片來顯示設(shè)備結(jié)構(gòu)、工作原理等工作過程中的各個環(huán)節(jié)。各功能模塊、操作控制、參數(shù)調(diào)節(jié)之間缺乏應(yīng)有的動作聯(lián)系與關(guān)聯(lián)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)更是停留在示教、演示的基礎(chǔ)上。影像設(shè)備學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了虛擬實(shí)現(xiàn)技術(shù)[16]，解決了影像設(shè)備實(shí)驗(yàn)投資大的問題，節(jié)省了大量的教學(xué)經(jīng)費(fèi)；解決了實(shí)驗(yàn)設(shè)備少，學(xué)生人數(shù)多的矛盾；使復(fù)雜的影像設(shè)備結(jié)構(gòu)、工作過程(如大型X線機(jī)、X-CT等)通過仿真實(shí)驗(yàn)加以操作控制，便于學(xué)生理解所學(xué)內(nèi)容；使學(xué)生所掌握的實(shí)驗(yàn)操作技能更接近于實(shí)際影像設(shè)備的工作，可以更快的適應(yīng)將來所從事的影像工作需要；此外還降低了影像設(shè)備使用過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)，學(xué)生可以反復(fù)實(shí)驗(yàn)，無需耗材。

2.2.6介入放射學(xué)仿真系統(tǒng)

介入放射是隨著影像技術(shù)發(fā)展而建起來的，其核心是借助于影像設(shè)備的引導(dǎo)、利用專用器材(如導(dǎo)管等)將藥物或支架引導(dǎo)到病變部位，來治療某些疾病。但是由于介入治療是微創(chuàng)，設(shè)備價(jià)格昂貴、治療風(fēng)險(xiǎn)較高，致使影像專業(yè)教師在該門課程教學(xué)過程中無法來完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)，學(xué)生根本沒有機(jī)會也不可能有機(jī)會來進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)際操作，這樣培養(yǎng)的學(xué)生僅停留在“理論”階段，解決的辦法是開展介入放射學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，采用“計(jì)算機(jī)+硬件+軟件”來仿真介入治療的整個過程，學(xué)生通過計(jì)算機(jī)來做“實(shí)驗(yàn)”。

2.2.7圖像處理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

目前醫(yī)院中使用的影像設(shè)備(CR、DR、CT、MRI)等都配有豐富的圖像后處理軟件，可以對形成的影像進(jìn)行處理，滿足診斷要求，因此圖像處理成為影像專業(yè)學(xué)生必須要掌握的基本技能之一。怎么訓(xùn)練這方面的能力，為此在Matlab7.01環(huán)境下，緊密結(jié)合臨床影像應(yīng)用，組織開發(fā)了圖像處理實(shí)驗(yàn)?zāi)K。如利用Matlab圖像工具箱實(shí)現(xiàn)窗寬、窗位調(diào)整，加深對窗口技術(shù)應(yīng)用的理解；通過編寫GUI，實(shí)現(xiàn)圖像增強(qiáng)、濾波、減影、融合、分割等基本圖像處理的操作，加深了對相關(guān)概念與理論的理解。如對CT成像原理中的圖像重建理論，我們采用了計(jì)算機(jī)仿真使深奧的CT圖像重建理論變成了直觀圖像表達(dá)。圖3所示為人頭部Shepp-Logan模型仿真截圖。采用18、36與90個方向的投影數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像重建，可以明顯看到圖像的變化情況，說明選取的體素(voxel)越小，投影方向越多，重建的圖像越精細(xì)。

圖3 人頭部shepp-logen模型仿真

3 結(jié) 語

虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ浇鉀Q了影像專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中的一些問題，滿足了影像專業(yè)對創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需求。通過多年的運(yùn)行來看，收到了較好的教學(xué)效果。本文僅探討了影像專業(yè)主干課程的虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)開展情況，其實(shí)，在影像專業(yè)培養(yǎng)方案中，還有許多基礎(chǔ)課程也開展了虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)。如影像電子學(xué)基礎(chǔ)開展了在Multisim平臺上的電子電路仿真實(shí)驗(yàn),單片機(jī)原理課程開發(fā)了實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)平臺等。隨著影像資源的數(shù)字、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)將在影像專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中得到廣泛應(yīng)用，下一步實(shí)驗(yàn)中心將加大網(wǎng)絡(luò)共享平臺資源的建設(shè)，完善基于網(wǎng)絡(luò)平臺的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，這將有力支持影像專業(yè)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。

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ConstructionoftheExperimentalModeofImagingSpecialtyBasedontheCombinationofVirtualandActualCircumstances

CHENJianfang,SHIBo,CAOMingna,ZHANGShunhua,ZHANGGenxuan,ZHANGSai

(Department of Imaging, Bengbu Medical College, Bengbu 23300, Anhui, China)

Aiming at the present situation of experimental teaching of imaging specialty, this paper discusses the construction of a new experimental teaching mode of imaging specialty. Based on the analysis of the common problems in the experimental teaching of imaging specialty, combining with the experience of the demonstration experiment center and the virtual simulation experiment center, this paper constructs the experimental teaching system based on the combination of virtuality and actuality on the platform of X-ray simulation human, ultrasonic simulation human, database, MATLAB and so on. Under the limited capital investment, the experiment teaching system with combination of virtuality and actuality as the core is constructed, it solves the problems existing in the experiment teaching and supports the cultivation of innovative talents. The combination of virtuality and actuality is a new experimental teaching mode of imaging specialty, it will be widely used in the experimental teaching of imaging specialty.

imaging specialty; combination of virtuality and actuality; X-ray simulation human; experimental teaching

TP 399

A

1006-7167(2017)09-0189-04

2016-10-08

安徽省質(zhì)量工程項(xiàng)目(2016xnzx027，2014sxzx010)

陳建方(1964-),男，安徽蚌埠人，副教授，醫(yī)學(xué)影像學(xué)系副主任，研究方向?yàn)獒t(yī)學(xué)影像技術(shù)、教學(xué)管理。Tel.：13865029151；E-mail:bavfyy@163.com