Multisim仿真軟件在醫學影像電子學教學中的應用

戴逢亮，孫九愛，趙夢蝶，唐懿文，畢 昕，黃清明

1 上海理工大學醫療器械與食品學院， 上海 200093；2 上海健康醫學院醫學影像學院， 上海 201318

醫學影像電子學作為醫學影像專業學生的必修課，內容主要是關于醫學影像設備中系統電路的基本組成結構及工作原理、單元電路的基本組成及工作原理等[1]。這門課程對學習各類醫學影像設備及其攝影技術尤為重要。

大多數X線醫學影像設備內部結構較為復雜，單元電路較多，相互之間有較強的聯系。一般教學過程中采用以教師講授為主的教學手段，很難將相關內容的知識點較為形象地呈現出來[2]。因此，實驗教學成為了提高教學效果的重要方式[3]。但是X線機、CT等大型醫學影像設備存在高壓和電離輻射等危險，學生難以進行有效實驗[4]。另外，大型醫學影像設備價格昂貴，普通高校不可能為實驗教學配備種類齊全、數量眾多的設備，學生缺乏親自動手機會[5-7]。基于上述原因，如何在實驗室資源有限的情況下，能夠更好地向學生講授醫學影像設備中電路的相關知識要點，便于學生理解，成為醫學影像電子學教學過程中的難題。

針對醫學影像設備(如X線機)內部電路較為復雜以及電路存在上千伏的高壓危險、電路運行過程不易觀察等教學難點，Multisim仿真軟件的優勢則可以彌補傳統電路實驗教學的不足，使得學生更加直觀、清晰地觀察到醫學影像設備內部電路運行的動態過程，掌握各部分單元電路的功能。利用Multisim仿真軟件所搭建的電路教學系統可以根據實際需要進行改進或升級，達到與理論教學同步的效果，使得學生能夠更好地掌握醫學影像設備電路的工作原理和相關電路工作過程。同時，教師也可以結合教學內容，通過仿真實驗的方式，將抽象和難以理解的內容進行更直觀、生動、具體地講解。

1 Multisim仿真軟件簡介

隨著計算機技術的發展，越來越多的電子電路仿真軟件被用于電子電路實驗教學[8]，Multisim是美國國家儀器(NI)有限公司推出的電子設計自動化軟件，它為學生提供了一個直觀的類似電子實驗平臺的工作界面，使得學生進行電子電路仿真實驗時，可以方便地修改電路參數和實時觀察實驗結果。

Multisim仿真軟件已經廣泛用于模擬電子電路教學[9]，并取得良好的教學效果。在國內，宋莉[10]等應用Multisim仿真實驗彌補硬件電路實驗箱的不足，極大地調動學生的學習興趣，提高實驗教學效率；李素玲[11]應用Multisim進行RC積分電路仿真時，可以使學生歸納出參數變化對輸出波形及幅值的影響規律；金巧芳[12]發現利用Multisim仿真軟件學生更加容易接受疊加原理的電路驗證；尹均萍[13]等采用Multi- sim仿真軟件輔助講授差分放大電路，可有效地幫助學生理解抽象的電路理論知識。在國外，Udit Mamo- diya[14]等利用Multisim仿真半波整流電路，在負載阻值變化的情況下，學生能實時觀察到電路的運行狀態和實驗結果。

該研究以醫學影像電子學課程中X線機單向全波整流電路實驗的教學為例探討新的教學方法。在傳統的教學方法中利用模擬電路實驗箱進行教學，由于學生在實驗過程中容易發生誤操作，時常導致元器件損壞；同時，模擬實驗箱數量有限，需要多個學生共用一臺儀器，另外，測量結果也缺乏準確性。

有鑒于此，筆者利用Multisim軟件平臺構建X線機單向全波整流電路教學系統。圖1為X線機單向全波整流電路教學系統仿真圖。由于實際X線球管電氣特性跟電子管類似，只是工作電壓比一般電子管大，因此在Multisim中可以利用電子管仿真X線球管。利用該實驗系統可以完成X線球管陽極特性曲線分析實驗：當改變滑動變阻器R1的值時，相應的模擬管電壓變化，進而使得管電流變化。通過管電壓、管電流測量儀表可以記錄每次調節產生的實驗結果，通過取點繪圖，從而進行陽極特性分析實驗。另外，還可以通過觀察管電壓波形圖這一實驗步驟，使學生更好地了解電路動態變化特性；通過拓展此教學系統，還可以模擬單向全波整流電路中某個整流二極管斷路時產生的故障現象[15]。以下為了方便介紹，我們將利用Multisim仿真軟件構建的X線機單向全波整流電路教學系統簡稱為：“仿真電路教學系統”。現將該仿真電路教學系統教學情況報道如下。

圖1 X線機單向全波整流電路教學系統仿真圖

2 對象與方法

選取41名大學二年級醫學影像工程專業學生，這些學生前期已完成電路，模/數電等課程的學習。利用他們正在學習的X線機單元電路課程，由同一名教師講解X線機單向全波整流電路的工作原理及電路組成，在理論教學結束后，分別要求學生利用Multisim仿真軟件構建X線機單向全波整流電路和采用傳統的X線機整流模擬電路實驗箱進行實驗教學，在實驗結束后對學生進行問卷調查，調查的內容包括：①對兩種教學方法進行總體評價：選項有“好”與“一般”；②對教學方法細節的評價，具體的評價包括“有利于對不同型號X線球管電氣特性的掌握”“方便實時觀察X線機單元電路的運行狀態和運行結果”“有助于X線機單元電路實驗操作安全性的提高”“有利于課后對電路功能的復習”“可以促進開放性思維的培養，提升自主設計電路的能力”，選項有“完全同意”“同意”“基本同意”“不同意”。

2.1 統計分析方法

利用SPSS 22.0統計軟件對數據進行統計學分析，對于兩種教學方法的總體評價，采用四表格χ2檢驗，以α=0.05為檢驗水準，以P<0.05為差異具有統計學意義[16]。對于教學方法細節的評價，在兩種教學方法之間采用非參數的秩和檢驗，以P<0.05為差異具有統計學意義。

3 結果

3.1 兩種教學方法的總體評價比較

從表1調查結果可以看出，37人(90.2%)對利用Multisim仿真軟件構建電路教學系統進行教學的方法總體評價好，比較認同該教學方法；另外，有36人(87.8%)對模擬電路實驗箱的教學方法總體評價為一般。二者的差異具有統計學意義(χ2=49.98，P<0.01)。

表1兩種教學方法進行X線機單向全波整流電路教學的總體評價n(%)

教學方法 人數教學效果評價 好一般χ2P仿真電路教學系統4137(90.2)4(9.8)模擬電路實驗箱415(12.2)36(87.8)49.98<0.01

3.2 兩種教學方法細節評價

對于教學方法細節評價，如表2所示。關于仿真電路教學系統“有利于對不同型號X線球管電氣特性的掌握”的問題，有34(82.9%)位學生表示完全同意；2(4.9%)位學生表示同意；2(4.9%)位學生表示基本同意；3(7.3%)位學生表示不同意。而對于模擬電路實驗箱，有1(2.4%)位學生表示完全同意；2(4.9%)位學生表示同意；2(4.9%)位學生表示基本同意；36(87.8%)位學生表示不同意。從表2可以看出，問題1的秩和檢驗結果Z=-7.534，P<0.01，關于兩種教學方法細節評價的差異具有統計學意義。其他問題的細節評價結果如表2所述。

表2教學方法細節評價問卷調查結果n(%)

題序評價內容仿真電路教學系統模擬電路實驗箱ZP1有利于對不同型號X線球管電氣特性的掌握 完全同意34(82.9)1(2.4) 同意2(4.9)2(4.9) 基本同意2(4.9)2(4.9) 不同意3(7.3)36(87.8)-7.63<0.012方便實時觀察X線機單元電路的運行狀態和運行結果 完全同意30(73.2)1(2.4) 同意3(7.3)1(2.4) 基本同意3(7.3)5(12.2) 不同意5(12.2)34(82.9)-6.97 <0.013有助于X線機單元電路實驗操作安全性的提高 完全同意35(85.3)10(24.4) 同意2(4.9)8(19.5) 基本同意2(4.9)7(17.1) 不同意2(4.9)16(39.1)-5.41 <0.014有利于課后對電路功能的復習 完全同意32(78.0)7(17.1) 同意5(12.2)2(4.9) 基本同意2(7.3)3(7.3) 不同意2(4.8)29(70.8)-6.23<0.015可以促進開放性思維的培養,提升自主設計電路的能力 完全同意35(85.3)1(2.4) 同意3(7.3)2(4.9) 基本同意1(2.4)10(24.4) 不同意2(4.8)28(68.3)-7.53<0.01

4 討論

針對教學方法總體評價，調查顯示，90.2%的學生認為Multisim仿真軟件用于醫學影像電子學課程中X線機單向全波整流電路的教學方法好。在Mul- tisim仿真軟件用于醫學影像電子學電路教學時，該方法可以根據不同型號球管仿真的需求，選擇不同的電子管用于實驗，進而“有利于對不同型號X線球管電氣特性的掌握”。在教學細節評價上，有82.9%的學生完全同意這一觀點。

其次，在傳統的電路實驗箱中，需要改變連線及輸入參數來觀察實驗結果，由于經常發生人為誤操作，增加了實驗結果的不確定性，而利用Multisim仿真軟件構建仿真電路教學系統用于電路實驗，則可以實時觀察X線機單元電路的運行狀態和運行結果，這一點有73.2%的學生完全認可；以往在進行電路實驗時，往往由于模擬電路實驗箱的故障引發外殼漏電，使得學生實驗時有觸電危險，利用Multisim仿真軟件開發的仿真教學系統用于X線機單元電路實驗時，全部在計算機上操作完成，不存在觸電危險，因此，有85.3%的學生非常認同教學仿真系統“有助于X線機單元電路實驗安全性的提高”；相對于模擬電路實驗箱方法，試驗箱只能存放于在實驗室，學生在課后進行復習時很不方便，仿真電路教學系統能夠很好地解決這一問題，只需要學生電腦上安裝Multisim仿真軟件，即可隨時隨地進行電路實驗仿真，這一點在兩種教學方法的細節評價“有利于課后對電路功能的復習”問題上，不同意模擬電路實驗箱教學方法的學生總共占總人數的70.8%，同意和完全同意仿真電路教學系統教學方法的學生占90.2%，并且P<0.01,學生對教學方法細節評價差異具有統計學意義。

最后，傳統的模擬電路實驗箱教學方法通常是根據教材中的問題，進行驗證性實驗，得出實驗結果，填寫實驗報告。由于廠家設置，一些具有損壞儀器的試錯性實驗無法進行，而利用Multisim仿真軟件構建的X線機單向全波整流電路教學系統能夠很好地解決這一問題。當進行試錯性實驗時，能夠得到軟件反饋的錯誤信息，對電路情況分析后進行修改，這一過程可以提升學生的開放性思維能力和自主設計電路能力，在教學方法細節評價調查中也可以體現，85.3%的學生完全同意“可以促進開放性思維的培養，提升自主設計電路的能力”這一觀點。

5 展望

Multisim仿真軟件方法作為醫學影像電子學實驗教學方法的一個補充，有助于靈活開展實驗教學，提高學生的學習興趣和效率，從而最終提高學生的創新能力。但Multisim仿真軟件用于醫學影像電子學教學仍有改善的空間。例如：在醫學X線影像設備學中，經常使用的一些特殊電氣元件(例如自耦變壓器、空間電荷補償變壓器、高壓整流硅堆等)在目前開放環境中還沒有提供，我們將在進一步的工作中，利用Multisim仿真軟件自定義元器件功能對其進行建模，從而使得Multisim仿真軟件可以進行課程中其他的實驗。