虛實結合的影像專業實驗模式構建

陳建方, 石 波, 曹明娜, 張順花, 張根選, 張 賽

(蚌埠醫學院 醫學影像學系，安徽 蚌埠 233030)

虛實結合的影像專業實驗模式構建

陳建方, 石 波, 曹明娜, 張順花, 張根選, 張 賽

(蚌埠醫學院 醫學影像學系，安徽 蚌埠 233030)

針對影像專業實驗教學現狀，探討構建虛實結合的影像專業實驗教學新模式。在分析了目前影像專業實驗教學中普遍存在的問題后，結合示范實驗中心與虛擬仿真實驗中心建設經驗，構建了基于放射模擬人、超聲模擬人、數據庫、Matlab等平臺上的虛實結合的實驗教學體系。在有限資金投入下，構建以虛實結合為核心的影像專業實驗教學體系，較好地解決了實驗教學中存在的問題，對影像專業創新性人才的培養發揮了重要作用。

影像專業； 虛實結合； 放射模擬人； 實驗教學

0 引 言

教育信息化是信息時代教育改革發展的必然要求，也是教育現代化的核心特征，虛擬仿真技術已經上升到國家戰略層面[1-2]。從醫學影像學科發展來看，醫學影像成像技術及軟硬件集成了當今最新科學技術，以圖像重建為代表的數字化成像技術得了廣泛的應用，圖像后處理、軟拷貝讀片已經成為常規手段,同時基于網絡技術、計算機技術及數字化成像技術的PACS也在醫院得到建設與應用[3-5]。盡管最近幾年，高等學校投入在不斷增大，國家、省都推出各種支持高校發展的計劃，但是就實驗教學而言，實驗教學設備、技術及方法仍難以與臨床影像技術同步發展，遠落后于臨床應用。而影像科又具有一定的特殊性，其影像設備都是大型設備，價格昂貴，數量少，具有高精尖、成像過程復雜等特點。本文結合蚌埠醫學院醫學影像學實驗中心建設情況，探討了虛實結合的影像專業實驗模式構建。

1 影像專業實驗教學中亟待解決的問題

(1) 硬件“投入大、數量少”。臨床應用的影像設備動輒數十萬至數百萬元的投資，使學校無力投入巨大資金購置，即使學校投入巨資購置了一定數量的硬件設備，但由于學校招生規模較大，實驗設備數量仍難以滿足需要，學生實驗由“動手做”變成了“演示看”，幾十人使用一臺設備，這必然造成“能力不足”。

(2) 實驗“風險大”“禁區多”。臨床影像設備高精尖、運行維護費用高，存在電離輻射及高壓電擊危害，用“實體病人”實驗存在道德倫理問題等。醫院不敢放手讓學生操作，學生沒有機會接受相關項目訓練，造成影像專業培養的人才“動手能力不夠”。

(3) 影像設備成像過程復雜，原理抽象。由于目前影像設備都是大型化數字成像設備，自動化程度高，但從教學角度來看，不利于學生對成像過程與原理的理解，更難把握其中參數的調控。

(4) 教學與診療之間存在潛存沖突。盡管各大醫學院都設有臨床教學醫院，為學生實習提供保障。但是臨床醫院的根本目標仍是以病人為中心，為病人的診療服務。而學校的教學任務是以學生為中心，重點是教學。

針對以上問題，許多學者開展了研究工作。范能勝等[6]開展了全硬件仿真X線機的研制；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技術引入到MRI仿真操作上；胡俊峰等[11]發明了“一種MRI影像診斷系統”的仿真裝置。以上研究都將虛擬仿真技術引入到了實驗教學中，解決了實驗教學中的某些方面的問題，取得了一些教學成果。我校醫學影像學實驗中心多年來一直堅持實驗教學改革[12]。在學校的支持下，實驗中心本著“虛實結合、相互補充、能實不虛”的原則，在硬件建設基礎上，構建以虛擬仿真為核心的實驗教學體系，滿足影像(醫學影像學、醫學影像技術)專業對創新型人才培養的要求。

2 虛實結合的實驗模式構建

在影像專業培養計劃中，影像專業主干課程有影像成像原理、介入放射學、影像檢查技術學、影像設備學、超聲診斷學、醫學圖像處理、醫學影像學等，這些課程的實驗開設是培養學生專業能力的核心。只不過醫學影像學專業(授醫學位)與醫學影像技術專業(授理學位)在實驗開設上側重點不同，一個側重于影像診斷方面訓練，一個側重于影像技術方面的訓練。

2.1硬件實訓體系

影像專業實驗教學設備主要硬件包括影像設備及影像模擬人。多年來醫學影像實驗中心在國家、省級專項資金的支持下，陸續添置了一些必要的硬件。目前實驗中心有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、近10臺超聲診斷儀、1臺CR系統、1臺MRI設備及一些配套設施，這些都是共享硬件設施。在此硬件基礎上，多門課程根據影像專業對創新型人才培養的要求，重構了硬件實訓項目，基本滿足了醫學影像設備學、醫學影像檢查技術學、超聲診斷學、醫學影像物理學等課程硬件實訓要求。尤其是影像模擬人是影像專業實驗教學中的關鍵。硬件實訓體系框圖如圖1所示。

圖1 硬件實訓體系框圖

對于影像專業來說，實驗實訓教學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，對人健康產生影響，二是沒有標準疾病的“實體病人”來供成像，迫切需要一種能替代真實人體完成成像的模擬人裝置。影像實驗中心最近幾年加大了實驗室硬件投入，陸續購置了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體材料制作，在X線/CT機下實際拍出影像和真實人體在X線/CT機下拍出影像幾乎接近，并可預置相關病變。

借助“模擬人”模擬“實體病人”的“實”，設計了許多“虛”的實驗項目，做到了虛實結合，充分發揮了仿真技術的優勢。實驗室硬件的改善，為創新性實驗開設打下了堅實的基礎。

2.2軟資源仿真體系構成

有了較好硬件，還必須有相應配套的軟資源，才能充分發揮硬件的功能。圖2為軟資源仿真體系構成框圖，核心是計算機硬件與應用軟件資源。目前影像實驗中心建有2個60臺電腦組成的通用計算機房、1個專用的PACS機房及其他專用軟硬平臺，軟資源的建設更是體現了虛實結合，相互補充，能實不虛的原則。

2.2.1教學型PACS建設

隨著數字化影像技術、計算機技術、網絡技術等的發展，PACS在各大醫院中得了廣泛的應用，它集成了影像獲取、存儲、傳輸、處理、顯示與一體，在PACS網絡上，可以實現影像資源共享、診斷與遠程醫療等。但是由于PACS投資規模較大，學校教學部門幾乎不可能完成PACS的建設。怎么解決實際影像教學與臨床影像需求之間的矛盾，我們依托實驗中心原有的電子讀片實驗室，通過軟硬件升級，開展了以影像數據庫建設為核心的軟資源建設，建成了教學型PACS，其功能接近于臨床所用PACS，此外還增加了大量教學特有的功能。

圖2 軟資源構成框圖

2.2.2影像診斷學實驗系統

影像診斷學是影像專業的核心課程，包括普通X線成像、數字化X線成像(包括CR、DR、CT、乳腺鉬靶X線)、MRI等核心教學內容。數字化資源的優點是突出的，可以通過計算機進行數字化后處理，來達到診斷要求，這在臨床影像診斷中已經達到了廣泛的應用。但是在醫學影像學教學過程中，教師所能利用的數字化資源是有限的，直接影響了教學效果。怎么利用數字化資源來進行教學，提高學生“能力”就擺在我們面前。在這方面我們一直追蹤影像技術的發展，收集整理相關數字化資源庫，目前已經建有2 000余例完整病例的數字化資源數據庫系統，并完成在Web界面下對影像數據庫管理平臺(如添加、刪除、修改等)與學生學習平臺(如自主學習、隨機學習、模擬檢測、在線考試、隨機考試等)編程設計，實現影像數據庫資源的網絡化管理與學習應用，充分發揮了硬件與PACS平臺的作用。

2.2.3超聲診斷學實驗系統

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

2.2.4影像檢查技術仿真系統

CT、MRI、CR/DR等是大型復雜的影像成像設備，實際成像過程中，參數較多，操作較復雜，影響影像質量的因素較多，而且還有復雜的圖像后處理過程。在實際教學過程中，學生沒有機會在這些大型、昂貴的設備上完成影像檢查技術的技能訓練，教師也無法把這些復雜的檢查過程、參數設置與影像之間關系形象直觀地表達出來。影像實驗中心汪百真等[14-15]先后完成了基于Windows的CT、MRI仿真操作系統的開發。近期實驗中心又著手開展了CR、DR等仿真操作系統的設計，通過對目前主流影像設備使用的仿真，使我們培養訓練的學生能夠一直與影像技術的發展同步，掌握最新的影像成像技術。同時在仿真系統的開發過程中，多位老師還指導一批同學參與，更是激發了同學們的創新積極性。

2.2.5醫學影像設備仿真實驗系統

傳統的影像設備教學普遍采用多媒體課件教學，課件中多以單個靜止圖片來顯示設備結構、工作原理等工作過程中的各個環節。各功能模塊、操作控制、參數調節之間缺乏應有的動作聯系與關聯。實驗教學更是停留在示教、演示的基礎上。影像設備學仿真實驗通過計算機實現了虛擬實現技術[16]，解決了影像設備實驗投資大的問題，節省了大量的教學經費；解決了實驗設備少，學生人數多的矛盾；使復雜的影像設備結構、工作過程(如大型X線機、X-CT等)通過仿真實驗加以操作控制，便于學生理解所學內容；使學生所掌握的實驗操作技能更接近于實際影像設備的工作，可以更快的適應將來所從事的影像工作需要；此外還降低了影像設備使用過程中的安全風險，學生可以反復實驗，無需耗材。

2.2.6介入放射學仿真系統

介入放射是隨著影像技術發展而建起來的，其核心是借助于影像設備的引導、利用專用器材(如導管等)將藥物或支架引導到病變部位，來治療某些疾病。但是由于介入治療是微創，設備價格昂貴、治療風險較高，致使影像專業教師在該門課程教學過程中無法來完成相關實驗項目教學，學生根本沒有機會也不可能有機會來進行相關實驗項目的實際操作，這樣培養的學生僅停留在“理論”階段，解決的辦法是開展介入放射學仿真實驗項目，采用“計算機+硬件+軟件”來仿真介入治療的整個過程，學生通過計算機來做“實驗”。

2.2.7圖像處理實驗系統

目前醫院中使用的影像設備(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行處理，滿足診斷要求，因此圖像處理成為影像專業學生必須要掌握的基本技能之一。怎么訓練這方面的能力，為此在Matlab7.01環境下，緊密結合臨床影像應用，組織開發了圖像處理實驗模塊。如利用Matlab圖像工具箱實現窗寬、窗位調整，加深對窗口技術應用的理解；通過編寫GUI，實現圖像增強、濾波、減影、融合、分割等基本圖像處理的操作，加深了對相關概念與理論的理解。如對CT成像原理中的圖像重建理論，我們采用了計算機仿真使深奧的CT圖像重建理論變成了直觀圖像表達。圖3所示為人頭部Shepp-Logan模型仿真截圖。采用18、36與90個方向的投影數據進行圖像重建，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。

圖3 人頭部shepp-logen模型仿真

3 結 語

虛實結合的實驗模式解決了影像專業實踐教學中的一些問題，滿足了影像專業對創新型人才培養的需求。通過多年的運行來看，收到了較好的教學效果。本文僅探討了影像專業主干課程的虛實結合實驗教學開展情況，其實，在影像專業培養方案中，還有許多基礎課程也開展了虛實結合實驗教學。如影像電子學基礎開展了在Multisim平臺上的電子電路仿真實驗,單片機原理課程開發了實驗仿真教學平臺等。隨著影像資源的數字、網絡化發展，虛實結合的實驗教學將在影像專業實踐教學中得到廣泛應用，下一步實驗中心將加大網絡共享平臺資源的建設，完善基于網絡平臺的虛擬實驗系統，這將有力支持影像專業創新型人才的培養。

[1] 教育信息化十年發展規劃(2011—2020年)[EB/OL].http://www.moe.edu.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/s3342/201203/xxgk_133322.html.

[2] 教育部辦公廳關于開展2015年國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知[EB/OL].http://www.moe.edu.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201506/t20150618_190671.html.

[3] 虞春暉.醫院放射科PACS系統的臨床應用[J].電子技術與軟件工程，2014(12):122.

[4] 單 良.大型綜合性醫院RIS/PACS系統的現狀與發展[J].電子世界，2015(14):144-148.

[5] 趙志平.PACS系統在醫院的應用[J].中國醫療裝備,2011(11):17-18.

[6] 范能勝，張懷岑.仿真工頻X線機的研制[J].中國醫學物理學雜志，2016，33(5)：496-500.

[7] 郭圣文，江 南，吳效明，等.《醫學圖像處理》網絡教學平臺的建設[J].中國醫學物理學雜志，2007，24(6):464-466.

[8] 劉 偉，謝晉東，王鵬程，等.基于Web技術的醫學圖像發布系統[J].中國醫學物理學雜志，2007，24(5):337-374.

[9] 黃展鵬，蔣世忠，劉金裕.基于Web的數字圖像處理虛擬實驗室的實現[J].實驗技術與管理，2010，27(12):110-112.

[10] 黃 磊，翟健，陳基明，等.基于Web技術的MRI仿真操作與診斷系統的設計與實現[J].中國醫學物理學雜志，2011，28(5):2924-2926.

[11] 胡俊峰，胡智慧.一種MRI影像診斷系統：中國，CN201210494945.4[P].2013.3.20.

[12] 張俊祥，陳建方，時 風，等.醫學影像學專業實踐教學環節的改革與研究[J].全科醫學，2008(8):820-821.

[13] 張順花，孫醫學，張俊祥，等.基于Director超聲診斷學多媒體教學軟件的開發與研究[J].蚌埠醫學院學報，2012，37(11)：1355-1361.

[14] 汪百真，俞曼華，張俊祥，等.CT、MRI仿真操作系統的研發及在實驗教學中的應用[J].蚌埠醫學院學報，2013，38(2):219-220.

[15] 汪百真，俞曼華，張俊祥，等.醫學影像檢查技術學實驗課程的改革與創新[J].蚌埠醫學院學報，2013，38(7):919-921.

[16] 陳建方，曹明娜，汪百真.《醫學影像設備學》仿真實驗教學研究[J].中國醫學教育技術，2008(1):40-41.

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

安徽省質量工程項目(2016xnzx027，2014sxzx010)

陳建方(1964-),男，安徽蚌埠人，副教授，醫學影像學系副主任，研究方向為醫學影像技術、教學管理。Tel.：13865029151；E-mail:bavfyy@163.com