董芳芬，江柳清，鄭芬，郭嵐晏，宋文芳，黃妙云，吳一旻，徐本華,1b,1c,，李小波,1b,1c,,3

1. 福建醫(yī)科大學 a. 醫(yī)學技術(shù)與工程學院；b. 臨床醫(yī)學部影像學系；c. 腫瘤中心，福建 福州 350122；2. 福建醫(yī)科大學附屬協(xié)和醫(yī)院 放療科，福建 福州 350001；3. 清華大學 工程物理系，北京 100084

引言

圖像引導放射治療[1]是通過在放療前利用加速器自帶的圖像采集系統(tǒng)進行圖像采集后與治療計劃圖像配準達到治療精度范圍再實施治療的方式，目的是為了克服因治療擺位和腫瘤位置移動造成的誤差，實現(xiàn)盡可能的精準照射腫瘤的同時降低周圍正常組織的損傷。因此，圖像引導放療誤差的分析是保證治療效果的重要環(huán)節(jié)，也是每一個放射治療師必須掌握的工作重點和難點，但實際工作中對這類技能的指導、培訓和提升存在困難[2]。VR技術(shù)是一種利用新興計算機技術(shù)結(jié)合多媒體和仿真技術(shù)營造出集視、觸、嗅、聽等為一體的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，讓用戶可以身臨其境并與之交互[3]。近年來國內(nèi)虛擬仿真技術(shù)與各行各業(yè)尤其是醫(yī)學、教育等領(lǐng)域的融合日漸普及，信息技術(shù)、智能技術(shù)與教學培訓的融合能進一步的解決傳統(tǒng)教學培訓“做不到、做不好、做不了、做不上”的困難[4]。

有研究報道，VR技術(shù)在醫(yī)學生理、胃鏡仿真系統(tǒng)、臨床解剖仿真系統(tǒng)等的科研、培訓及教育方面具有優(yōu)異性能[5-8]，而在醫(yī)學影像專業(yè)領(lǐng)域中，VR的應(yīng)用也十分廣泛[9-11]。國外部分學者研究表明，對醫(yī)學影像相關(guān)專業(yè)的學生進行動態(tài)交互和反饋虛擬現(xiàn)實仿真，有利于提高學生在臨床和技能實踐方面的能力[12]。在放射治療技術(shù)領(lǐng)域，前期的研究也表明VR技術(shù)與放療技術(shù)的人才培養(yǎng)相結(jié)合，進行線上及線下課程的理論和實踐教學，具有高效便捷的優(yōu)點，值得大力推廣[13]。本文基于圖像引導放療誤差分析的重要性和現(xiàn)有放射治療專業(yè)學生和工作人員見習、實習、培訓困難的問題，探討利用VR技術(shù)開發(fā)線上教學培訓考核系統(tǒng)的必要性、可行性及應(yīng)用價值，以期能提升使用者對放射治療圖像引導放療誤差分析的能力，進一步提高放療的精準性。

1 材料與方法

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)針對圖像引導放療誤差分析中關(guān)鍵技術(shù)點以及國家放療質(zhì)量控制標準進行腳本設(shè)計，分為教學模式和考核模式，內(nèi)容主要包括：① 放射治療體位驗證過程中擺位注意點；② 圖像獲取方式的選擇；③ 圖像質(zhì)量影響因素；④ 圖像配準誤差分析；⑤ 精準放射治療的實施等模塊。系統(tǒng)分為應(yīng)用構(gòu)架和平臺構(gòu)架，詳見圖1。應(yīng)用架構(gòu)包括應(yīng)用層及通用層，應(yīng)用層包括建模和可視化，用于場景和人物構(gòu)建并可視化輸出虛擬設(shè)備和虛擬環(huán)境；通用層涵括理論知識學習、實驗教學管理、試驗資源管理、教學互動交流、智能糾錯指導、實驗結(jié)果批改、實驗報告管理和教學效果評估。平臺通過網(wǎng)絡(luò)層、支撐層和數(shù)據(jù)層，采取線上模式，引入三維建模、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)手段，堅持能實不虛的原則，建設(shè)圖像引導放療誤差分析優(yōu)質(zhì)數(shù)字資源和共建共享環(huán)境。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)架圖

1.2 教學模式

教學模式以“教”為主，重在對學生思維的引導，利用計算機屏幕畫面展示虛擬現(xiàn)實技術(shù)，開發(fā)過程首先進行教學內(nèi)容分析與設(shè)計（圖2a），進一步對課程素材收集分類，通過3D Studio Max或cinema 4D構(gòu)建三種圖像獲取設(shè)備、直線加速器、治療床、醫(yī)生、患者等三維模型，形成FBX文件；利用Photoshop制備答題頁面、知識點學習頁面、設(shè)備成像等二維圖形圖像，形成PSD/PNG文件；采用Adobe Audition處理預(yù)設(shè)的遠程會診討論、系統(tǒng)提示等音頻文件，形成MP3文件。將三類文件導入unity 3D工程文件進行三維場景建造和圖形用戶界面的編制，進一步的利用C#、JavaScript語言編寫交互功能腳本，最后導出apk可執(zhí)行文件，實現(xiàn)利用VR技術(shù)實現(xiàn)教學模式中虛擬人物及場景設(shè)計遠程會診動畫、體位校正判斷觸發(fā)、圖像配準及誤差分析等關(guān)鍵教學內(nèi)容。

圖2 教學模式及考核模式實現(xiàn)內(nèi)容邏輯圖

1.3 考核模式

考核模式重在對學習模式學習效果的檢測，VR技術(shù)結(jié)合考核模式的建設(shè)方法技術(shù)類似教學模式，但不設(shè)計知識點提示，需使用者根據(jù)所學知識自己做出判斷進行選擇（圖2b）。考核題庫建立及答案識別方法：系統(tǒng)通過預(yù)留題庫，包括選擇題和填空題，涉及圖像引導過程中容易出錯和遺漏的知識點。選擇題利用題庫錄入和答案實時判斷的方法，當輸入答案，系統(tǒng)會自動判斷對錯并在評分系統(tǒng)上記錄得分。填空題采用在空格填入文字，通過判斷文字是否與預(yù)留文字統(tǒng)一進行條件語句輸出正確答案，并在評分系統(tǒng)記錄得分。

1.4 系統(tǒng)評價方法

系統(tǒng)測試評價方法包括內(nèi)部測試、互聯(lián)網(wǎng)測試和問卷調(diào)查。

1.4.1 內(nèi)部測試

由開發(fā)團隊及小范圍專業(yè)領(lǐng)域?qū)＜覝y試，具體流程包括下載安裝包、本地安裝、啟動軟件、輸入預(yù)留賬號密碼。

1.4.2 互聯(lián)網(wǎng)測試

借助VR實驗教學平臺——實驗空間進行面向全國的正式投入前測試反饋，具體流程包括電腦端進入實驗空間網(wǎng)站、點擊網(wǎng)站右上角注冊入口、填寫手機號碼等信息完成注冊并登錄、登錄后在首頁點擊實驗中心、點擊專業(yè)大類中的醫(yī)學技術(shù)類、輸入關(guān)鍵詞“精準放射治療誤差分析”找到本研究項目、點擊“我要做實驗”按照提示進行操作，即可開始實驗進行測試，并且可以在評價處反饋測試意見，項目運行后臺也能獲取每位測試者的測試情況，根據(jù)測試結(jié)果和出現(xiàn)的問題進行完善。

1.4.3 問卷調(diào)查

經(jīng)過平臺研發(fā)小組和部分放射治療技術(shù)專業(yè)老師及學生討論擬定問卷內(nèi)容，采用問卷星制作問卷，通過微信鏈接針對前期測試過該平臺的福建醫(yī)科大學醫(yī)學影像技術(shù)本科生及福建醫(yī)科大學附屬協(xié)和醫(yī)院放療科放射治療物理技術(shù)人員進行問卷調(diào)查。調(diào)查前先向受調(diào)查者說明本研究的目的，并要求受調(diào)查者如實回答、獨立完成，問卷結(jié)束后利用問卷星數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果進行描述性分析。

2 結(jié)果

2.1 整體完成情況

依照實驗內(nèi)容邏輯設(shè)計流程和框架，結(jié)合VR技術(shù)手段，基本完成系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)、測試及完善。其中，實驗儀器選擇頁面采用實際圖片展示形式（圖3a）；具體實驗空間采用unity 3D構(gòu)建VR場景模型（圖3b）；實驗操作界面采用全仿真UI設(shè)計界面（圖3c）；知識點模塊采用點擊出現(xiàn)方式；答題考核采用預(yù)設(shè)題庫，自動判斷答案并用不同顏色文字給出判斷結(jié)果（圖3d），軟件采用C#語言和vs2017編譯器進行編程。系統(tǒng)運行環(huán)境要求CPU 16核、內(nèi)存32 GB、磁盤4096 GB、GPU型號為板載，操作系統(tǒng)為Windows Server，數(shù)據(jù)庫存儲使用SQL Server。系統(tǒng)品質(zhì)單場景模型總面數(shù)大于100000、貼圖分辨率大于2048×2048、每幀渲染次數(shù)大于100、動作反饋時間小于5 ms、顯示刷新率大于60 fps，分辨率大于1920×1080。

圖3 實驗結(jié)果舉例

2.2 教學模式

① 設(shè)置菜單欄、學習欄、提示欄；② 由5G遠程指導案例導入到選擇正確體架，利用判斷程序，選擇正確進入下一步，選擇錯誤給出提示后繼續(xù)選擇達到學習效果；③ 糾正患者體位：參考定位時體位，利用點擊觸發(fā)系統(tǒng)判斷程序，選出所有不正確體位進入下一步，選擇不完全繼續(xù)選擇；④ 校對患者X、Y、Z治療中心位置，利用虛擬激光燈，將虛擬治療激光燈照射的位置與虛擬患者身上定位時的標記重合，三個方向均重合進入下一步，否則繼續(xù)對位；⑤ 圖像獲取方式選擇：此為該實驗項目核心內(nèi)容，分別有EPID、IGPS、CBCT三種方式，根據(jù)實驗者的選擇進入不同的實驗?zāi)M流程；⑥ 選擇不同的圖像獲取方式后再根據(jù)實際操作界面設(shè)計的虛擬UI界面進行圖像配準，圖像配準采用系統(tǒng)提前設(shè)置的中心點，會根據(jù)實驗者不同的配準結(jié)果給出配準數(shù)據(jù)并讓實驗者判斷是否實施治療，系統(tǒng)會根據(jù)不同的匹配結(jié)果和選擇出現(xiàn)虛擬治療動畫，將看不見的腫瘤和看不見的射線虛擬出來，直觀地展示給實驗者，突出VR教學的優(yōu)勢。

2.3 考核模式

考核模式針對學習模式的知識點隱藏相關(guān)提示并增加考核點設(shè)計，考核形式包括填空題、邏輯題、二維三維圖像配準題等，系統(tǒng)會根據(jù)預(yù)留題庫和答題情況實時判斷并給出正確答案，但考核題目只能完成一次，不能重復(fù)完成。實驗項目最終結(jié)果以實驗報告形式展示（圖3e）。實驗包括總成績和教學模式及考核模式下各模塊的成績，系統(tǒng)還根據(jù)實驗者不同的成績分類給出相應(yīng)的學習指導，讓實驗者可以根據(jù)自己的情況加強薄弱點、鞏固掌握點并根據(jù)需求多次重復(fù)練習。

2.4 系統(tǒng)評價結(jié)果

內(nèi)部測試結(jié)果以修改建議反饋到具體平臺修改形式展示，互聯(lián)網(wǎng)測試結(jié)果根據(jù)實驗空間系統(tǒng)統(tǒng)計顯示。從2019年11月上線截至2020年7月，實驗瀏覽量為14985人次，實驗測試人數(shù)489人次，實驗通過率為86.7%（圖3f）。實驗應(yīng)用價值問卷結(jié)果：發(fā)放問卷84份，回收有效問卷84份。其中學生52人（61.9%）、老師3人（3.57%）、放療相關(guān)工作人員29人（34.52%），男性36人（42.86%）、女性48人（57.14%）。84人中，60人（71.43%）為第一次接觸放射治療相關(guān)的虛擬仿真實驗，其他具體問題統(tǒng)計結(jié)果如圖4所示。

圖4 問卷結(jié)果統(tǒng)計

3 討論

隨著精準醫(yī)學的發(fā)展[14]，精準放射治療也逐漸受到重視，圖像引導誤差分析是精準放療中的重要環(huán)節(jié)[15]，主要是由放射治療技師承擔相關(guān)工作，但現(xiàn)有的放射治療技師教學培訓模式欠佳，教學培訓效果不良[16]，導致相關(guān)放射治療技師知識基礎(chǔ)不牢固、實踐操作能力較差等問題，不能緊跟精準放射治療的發(fā)展。本實驗項目基于此背景，結(jié)合圖像引導放療誤差分析對精準放療的重要性，以及放射治療師和相關(guān)專業(yè)學生的實際需求而設(shè)計。

通過對圖像引導誤差分析系統(tǒng)的設(shè)計，搭建了具有教學模式和考核模式的教學培訓系統(tǒng)，搭建過程中以三種圖像驗證方式為核心注重知識點的教與考。系統(tǒng)搭建后進行內(nèi)部測試后對界面和評價系統(tǒng)進行完善，進一步通過互聯(lián)網(wǎng)測試數(shù)據(jù)反饋系統(tǒng)的使用情況和教學成果，上線半年來瀏覽量達到14985人次，實驗人數(shù)489人次，實驗通過率達到86.7%，表明該系統(tǒng)的教學效果良好，大部分使用者能達到教學的要求，掌握相應(yīng)的知識和操作技能。為了更深入驗證系統(tǒng)的使用價值，針對試點學校和醫(yī)院設(shè)計相應(yīng)調(diào)查問卷。在收回的84份有效問卷中，90%以上的人認為該系統(tǒng)是有必要并且有幫助的，進一步證明系統(tǒng)開發(fā)的必要性和應(yīng)用價值。在針對虛擬仿真教學實驗的優(yōu)點上，可以隨時隨地進行學習、可以操作到平時因為危險性高而缺少練習的技能以及情景真實有趣能夠激發(fā)學習興趣三個方面選擇最多，這也是虛擬仿真的突出優(yōu)勢。此外虛擬仿真和放射治療技術(shù)人才的培養(yǎng)和培訓相結(jié)合，還能減少學校和教學醫(yī)院的臨床教學壓力以及減少不必要的醫(yī)患矛盾等問題，有利于學生自主探究學習和培養(yǎng)“三創(chuàng)”精神。

自新冠肺炎疫情暴發(fā)以來[17]，疫情逐步得到緩解，但還未被完全控制，線下培訓指導存在風險且傳統(tǒng)指導方式不能很好的滿足實際需求，線上教學和培訓系統(tǒng)的開展有利于高校和醫(yī)院人才的培養(yǎng)[18-20]。將來的教學和培訓模式也會逐漸朝著傳統(tǒng)課程和虛擬仿真平臺結(jié)合或逐步過渡的形式發(fā)展，新醫(yī)科下的人才少不了新的信息技術(shù)的應(yīng)用。

4 結(jié)論

總之，對將來或者剛進入放射治療崗位的本科生或者技師來說，利用VR教學實驗具有必要性和應(yīng)用價值，未來將對實驗的互動性、實驗種類和系統(tǒng)更新計劃做進一步的完善和改進，讓系統(tǒng)具有良好的可擴展和共享性，為廣大師生和放療工作人員服務(wù)，提高整體精準放射治療水平。