虛擬實驗在醫學成像技術類課程教學中的應用

楊慶華 李薇 賀超

1,川北醫學院 醫學影像學系，四川 南充 637007 ;2, 西華師范大學 計算機學院，四川 南充 637000

虛擬實驗在醫學成像技術類課程教學中的應用

楊慶華1李薇2賀超1

1,川北醫學院 醫學影像學系，四川 南充 637007 ;2, 西華師范大學 計算機學院，四川 南充 637000

運用虛擬實驗的方法對于醫學成像過程描述或計算，避免了實驗設備的大量投資，具有直觀精確性，還可以實現參數化開放性等諸多優點。是傳統實驗方法的一個很好補充。概述了成像技術虛擬實驗的目的、內容、要求和實現一般過程。其既可滿足教學要求，又有一定的設計分析使用價值。

虛擬實驗;成像技術;計算機仿真;多媒體教學

Virtual experiment；imaging technology；computer

simulation；multimedia instruction

引言

虛擬實驗是指借助于多媒體、仿真和虛擬現實等技術在計算機上營造可輔助、部分替代甚至全部替代傳統實驗各操作環節的相關軟硬件操作環境，實驗者可以像在真實的環境中一樣完成各種實驗項目，所取得的實驗效果等價于甚至優于在真實環境中所取得的效果。是近年來在各門科學領域廣泛開展的一種實驗和研究方法。不僅可以應用于實驗教學，并且也是研究，驗證，以及理論教學等的一個重要補充。[1][2]

在計算機上完成相關實驗和教學有助于在極大降低實驗成本基礎，得到較好的效果。優越性體現在：1）直觀性；2）交互性；3）參數化；4）開放性。學生進行虛擬實驗，不但有利于對概念進行深入掌握，并且可以培養一定的研究探索能力。[3]

1.醫學成像技術的虛擬實現

醫學成像技術主要是指運用醫學影像的方法，如超聲，X射線，磁共振，或核醫學方法，實現對人體內部的觀測。相關課程是醫學影像學專業，生物醫學工程等專業的重要專業基礎課程。醫學成像應用異常廣泛，其具體過程比較復雜。這點，我們也可以從醫學成像技術曾獲得過8次以上的諾貝爾獎知道。[4]

醫學成像技術課程設計知識面極廣，理論較深，概念繁雜。學生學習時難度比較大。學生在學習時，配以一定量的實驗有助于對已有概念，原理的掌握。但是傳統的教學方法和實驗方法，存在諸多缺點，限制了教學的效果。如：傳統實驗方法，側重于對某些成像物理原理，器件或過程的演示，無法展示細致的成像過程；參觀設備實習，學生僅僅可以看到外觀的變化，難以對參數加以理解；即使學生有機會參加實訓，可以使用操作設備。但由于設備的價值較大，且很多功能和成像過程均封裝在軟件中，學生很難進行詳細領會。

虛擬實驗方法也可以稱為計算機仿真方法近年來逐漸進入各個學科教學實驗中。低層次的即類似互動flash。而較高層次的仿真，則是基于系統的觀點，對于成像過程進行定量的求解。好的仿真軟件或者虛擬實驗系統甚至可以用作，成像前的模擬和結果預測。實際上就是一個求解器，輸入變量（要測量，通常是二維或三維的）得到預測結果，適合醫學成像類課程內容的演示和模擬。

醫學成像過程可以利用仿真的方法進行分析，主要的運用方面包括

（1）成像介質的不均勻性

（2）成像物體本身的不均勻性

（3）成像的具體過程流程

（4）相應算法的仿真

（5）噪聲及其他的干擾

（6）偽影的形成及演示

（7）圖像后處理或顯示的實現

其中圖像后處理技術比較獨立且復雜，已經專門發展出相應的較大學科，所以這里不做深入重點研究。

總體而言，醫學成像的過程是一個信號的調制和解卷的過程，處理的方法主要類似于信號處理類的模擬仿真。當然，實際的成像過程影像影響因素包含有很多的復雜因素，在仿真時候可以將模型抽象化，簡單化，或針對某一影響來進行定量分析。

如圖1所描述的是對醫學成像系統進行系統模擬的示意圖。可以看出，醫學成像的過程，其實就是一個信號被人體這個系統調制的過程，而調制函數即反映的是人體的信息，或者我們成像的模式。我們從得到信息出發，對內部結構的圖像顯示或者內部參數的分析，可以理解為一個求解調制函數的問題。

從高層次的意義上講，考慮周全，建模準確的虛擬實驗，其本身就是一種設計的輔助手段，可以用于實際產品的模擬和仿真。如芬蘭赫爾辛基大學的FIELDII系統，對于超聲探頭的模擬仿真，效果理想。可以用于生產設計部門的試制設計。[5]

圖1 醫學成像技術的系統圖

2.虛擬實驗的設計和實現過程

虛擬實驗的設計，如前文所述，隨實驗的內容及難易不同而不同，簡易的虛擬實驗演示，有少數按鈕或者選擇項進行交互，可以采用flash或dreamwaver等軟件來制作，界面的制作可以采用VisualBasic，JAVA等做設計，只要求裝載特定的圖片。方法比較簡單，這里不贅述。

就醫學成像技術的虛擬實驗而言，底層的方法，一般必須采用編程來實現，主要是基于系統的觀點，優勢是定量化好，可以改變擬定一些參數來進行仿真。設計的步驟和過程可以參看圖2所示。

2.1 任務分析：對不同成像的輸入輸出進行分析，選擇適當的建模方法，將復雜的成像過程進行數字化，并針對要輸出的結果進行分析，從而確定虛擬實驗的總體實現過程；輸入的可以改變的量有哪些，哪些是要主要分析，輸出的量是什么，是靜態還是動態的，等等。這些內容都要詳細設計。

2.2 工具選擇：包含有兩方面的內容。一種是基本的素材庫，繪制必要的圖形或界面，示意圖logo等，可以采用相關的繪圖工具：AutoCad，Dreamwaver，3DStudio，Pro/E等，圖形格式有2D，3D，動態等等；另一類工具就是虛擬實驗的開發工具：VB，VC，Matlab，JAVA（3D），Proteus，virtools等等，具體選擇那種工具，要視乎個人的熟練程度和具體問題的方便性[6]；

圖2 虛擬實驗設計的步驟和主要內容

2.3 主體設計：針對界面，參量，顯示程序，魯棒性的元素進行設計，是虛擬實驗的核心部分。對于較高級的虛擬實驗，為具有開放性，交互性。而且本身涉及時頻的變化，求解，需要編程來實現。通常使用matlab或C語言編寫。一些常用的數字處理，如傅里葉變換，相關性分析等等，都制作成函數，隨時進行調用。共同的處理部分也做成子程序減少計算工作量。高級的顯示結果有統計參數圖，動態圖，矢量圖，云圖等等。好的設計過程，必然具有多參數，多種顯示，快速，魯棒性好等等優點，使用者使用起來趣味盎然。高級的虛擬實驗，甚至可以用于科學設計和產品試制的模擬仿真。

3.實踐效果和展望

虛擬實驗的開展針對以下幾個方面:

3.1 CT成像重建等實驗

3.2 超聲聲場及超聲多普勒成像等實驗

3.3 磁共振的模擬成像實驗

3.4 一些圖像后處理顯示技術應用，這樣，可以充分發揮虛擬實驗的優點，如，(1）價格便宜：只需要用計算機即可完成實驗，避免了實驗設備較少，多人，多組共用設備，實驗效果較差的現象；(2）實驗效果直觀，顯示多樣，界面友好，學生容易接受，不同于傳統實驗得到的是一些簡單數據，虛擬實驗一般可以得到成像圖，比較接近整個圖像形成過程；（3）基于成像較底層的實現方法理解，有助于學生明白成像較細致理論，這些是成品設備封裝界面不可能達到的優點；（4）可調整參數較多，實驗具有更大的開放性。學生可以在理解成像的基礎上，進行一定的實驗設計，并處理顯示出結果，在某種程度上講，培養了學生的思考能力和一定的科學研究能力。[7][8]

當然，已有較好硬件或者實物使用條件的實驗項目，可以適當減少其虛擬實驗內容。影像類實驗設備的稀缺、價格高昂以及開放性差，注定了虛擬實驗長期存在和不可替代的價值。

[1]陳春朝，趙敏，張亞超等.基于Labview的虛擬實驗平臺設計[J]，中國現代教育裝備，2009,17,31～34；

[2]王建新，莫秋菊，基于Internet的通信系統虛擬實驗環境設計與實現[J]，中南大學學報（自然科學版），2006,4，330～335；

[3]方慕真.虛擬技術在遠程教育中的應用探索[J].開放教育研究，2009,8，103～106；

[4]吉強，洪洋.醫學影像物理學[M].北京：人民衛生出版社，2010，1～4；

[5]彭虎.超聲成像算法導論[M].合肥：中國科學技術大學出版社，2008，10～30 ；

[6]郭桂蘋，南岳松.虛擬實驗教學研究現狀和問題分析[J]，實驗室科學，2010,10,175～178；

[7]汪詩林，吳崇源.開展虛擬實驗系統的研究和應用[J].計算機工程與應用，2000,2，33～39；

[8]李旭華.虛擬實驗在實踐教學中的應用研究[J].電氣電子教學學報，2008,4,98～100；

Application of virtual experience in the teaching of medical imaging serial courses

Qinghua Yang1, Wei Li2,Chao He1

1 Department of Radiology, North Sichuan Medical College, Nanchong6370002 College of Computer Science, China West Normal University, Nanchon；g637000

Virtual experiment (VE) can be used to the description the medical imaging procedure. It have merits of low cost,precise, parameter, open etc. And it can be a good compensation of tradition experiment in learning and teaching. This article provide basic processing of a typical medical imaging VE which can meets the demanding of teaching also with designing application.

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.23.153

川北醫學院高教教改項目，編號11-06-074；

楊慶華(1977-)，男，漢族，碩士，講師，從事生物醫學工程專業的教學和科研工作。