醫(yī)學(xué)三維虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)的探索

陳冬梅　范姍慧

【摘 要】目前醫(yī)學(xué)三維成像技術(shù)在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中受到教學(xué)方式和實(shí)驗(yàn)條件的限制，不能達(dá)到預(yù)期的效果。筆者基于目前醫(yī)學(xué)三維成像的研究基礎(chǔ)，嘗試構(gòu)建醫(yī)學(xué)三維虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，將醫(yī)學(xué)圖像重建、圖像處理與分析、醫(yī)療設(shè)備儀器中的光電信號(hào)檢測(cè)等基礎(chǔ)知識(shí)融合到該平臺(tái)系統(tǒng)中，在低成本和零風(fēng)險(xiǎn)下實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)三維成像的原理、模型等方面的模擬和實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

【關(guān)鍵詞】醫(yī)學(xué)三維成像;虛擬仿真;教學(xué)平臺(tái)

中圖分類號(hào)： K250.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）33-0099-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.33.049

0 引言

醫(yī)學(xué)三維成像是研究由各種醫(yī)學(xué)成像設(shè)備獲取的二維圖像或二維數(shù)據(jù)構(gòu)建組織或器官的三維模型，可通過(guò)計(jì)算機(jī)及其他設(shè)備繪制并顯示出來(lái)。如今，醫(yī)學(xué)三維成像已是很多醫(yī)學(xué)成像設(shè)備中不可或缺的必備功能之一。這不僅是CT、PET等大型醫(yī)療應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)的必要手段，更是達(dá)到高效、準(zhǔn)確的醫(yī)療檢查和診斷治療的重要措施。在很多專業(yè)課教學(xué)中，醫(yī)學(xué)三維成像也是需要開(kāi)展和學(xué)習(xí)的重要內(nèi)容之一。

然而醫(yī)學(xué)三維成像的教學(xué)效果受到傳統(tǒng)教學(xué)方式和手段的諸多局限。其成像原理較復(fù)雜，理論知識(shí)抽象枯燥，單純的講授形式不利于學(xué)生的學(xué)習(xí)理解。其成像設(shè)備涉及精細(xì)的軟硬件構(gòu)造，價(jià)格昂貴，部分設(shè)備還會(huì)發(fā)散高能射線輻射，很難在教學(xué)環(huán)境中開(kāi)展真實(shí)實(shí)驗(yàn)[1]。醫(yī)學(xué)三維成像仿真模擬能夠利用較低成本實(shí)現(xiàn)三維成像的原理、模型等方面的模擬和應(yīng)用研究，從而進(jìn)一步拓展醫(yī)學(xué)三維成像的發(fā)展和普及，是一種非常重要的研究手段和技術(shù)[2]。

目前醫(yī)學(xué)三維成像的仿真模擬主要通過(guò)基于MATLAB、C、C++等基礎(chǔ)語(yǔ)言和開(kāi)發(fā)平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)斷層成像、正電子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層成像、光學(xué)成像等多個(gè)模態(tài)中的三維成像模擬，此外，為了研究的便捷和針對(duì)性，還開(kāi)發(fā)了很多專用的仿真工具和軟件，如GATE[3]、MOSE[4]、COMSOL、Zemax等，得到了業(yè)內(nèi)人士的普遍認(rèn)可和使用。這些軟件入門門檻較高，涉及很多專業(yè)術(shù)語(yǔ)和基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)，受到應(yīng)用領(lǐng)域和使用人群的局限性，不利于醫(yī)學(xué)三維成像的教學(xué)和學(xué)生的理解吸收[5]。

基于這些平臺(tái)的專業(yè)性和針對(duì)性，如何利用這些軟件平臺(tái)和基礎(chǔ)語(yǔ)言，進(jìn)一步推廣醫(yī)學(xué)三維成像的發(fā)展和推廣就是一項(xiàng)重要工作[6]。因此我們基于目前醫(yī)學(xué)三維成像的研究基礎(chǔ)，進(jìn)行了構(gòu)建醫(yī)學(xué)三維虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)的探索，該平臺(tái)在構(gòu)建中涵蓋了醫(yī)學(xué)圖像重建、圖像處理與分析、醫(yī)療設(shè)備儀器中的光電信號(hào)檢測(cè)等基礎(chǔ)知識(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)低成本和零風(fēng)險(xiǎn)下實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)三維成像的原理、模型等方面的模擬和實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

1 設(shè)計(jì)思路

醫(yī)學(xué)三維虛擬仿真平臺(tái)在設(shè)計(jì)時(shí)，既要考慮成像模態(tài)的專業(yè)性，又要通俗易懂便于教學(xué)使用，兼顧教學(xué)性和實(shí)驗(yàn)性，因此首先考慮選取幾種典型的成像手段作為切入點(diǎn)，這里選取光學(xué)相干斷層成像（OCT），正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層成像（PET）和X射線激發(fā)發(fā)光斷層成像（XLT）三種醫(yī)學(xué)成像模態(tài)作為中小型、大型和前沿性的醫(yī)學(xué)成像手段的代表，分別模擬高分辨的三維眼科OCT成像系統(tǒng)、PET大型成像設(shè)備和高分辨率的窄束XLT成像系統(tǒng)，設(shè)計(jì)如圖1所示的框架平臺(tái)：

根據(jù)上述框架，基本設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：基于GATE的PET三維成像虛擬仿真，基于MATLAB的光學(xué)相干斷層成像三維成像虛擬仿真和光學(xué)三維成像虛擬仿真。基于GATE的PET三維成像虛擬仿真包括：PET三維成像過(guò)程的虛擬演示，PET三維成像的數(shù)據(jù)校正模擬，PET三維成像的重建模型模擬和仿真與PET三維成像結(jié)果的可視化和結(jié)果分析評(píng)估。基于MATLAB的光學(xué)相干斷層成像三維成像虛擬仿真包括：OCT成像過(guò)程的虛擬演示，OCT成像過(guò)程的數(shù)據(jù)處理，OCT成像結(jié)果的可視化與結(jié)果分析。基于MATLAB的光學(xué)三維成像虛擬仿真包括：光學(xué)三維成像過(guò)程的虛擬演示，光學(xué)三維成像過(guò)程的數(shù)據(jù)處理，光學(xué)三維成像結(jié)果的可視化與結(jié)果分析。

醫(yī)學(xué)三維成像仿真平臺(tái)旨在讓使用者了解不同成像手段的基本成像原理;同時(shí)在該平臺(tái)上開(kāi)設(shè)了部分功能改進(jìn)與添加的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，主要包括： OCT二維圖像濾波、對(duì)比度調(diào)節(jié)以及三維成像結(jié)果比較，XLT的射線束產(chǎn)生與三維結(jié)果顯示等，使學(xué)生掌握基本的數(shù)據(jù)處理和分析手段。

該平臺(tái)主要面向本學(xué)院的本科生和研究生，主要針對(duì)測(cè)量技術(shù)與儀器專業(yè)、生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)、醫(yī)學(xué)信息工程專業(yè)的學(xué)生，輔助臨床醫(yī)學(xué)工程這門課程的課外實(shí)驗(yàn)，在不接觸大型設(shè)備和系統(tǒng)的條件下，避免了輻射等安全隱患，降低了教學(xué)成本，有助于本院學(xué)生學(xué)習(xí)和了解本專業(yè)的應(yīng)用特色，加深對(duì)課堂知識(shí)的理解和認(rèn)識(shí)。

2 應(yīng)用效果分析

2.1 理論實(shí)際聯(lián)系緊密

該虛擬仿真平臺(tái)可以結(jié)合理論授課過(guò)程，通過(guò)系統(tǒng)向?qū)W生展示典型醫(yī)學(xué)三維成像設(shè)備的構(gòu)成、功能、基本工作原理，形象逼真的演示成像過(guò)程，達(dá)到“百聞不如一見(jiàn)”的效果，從而激發(fā)出學(xué)生對(duì)設(shè)備學(xué)的濃厚興趣，喚起對(duì)設(shè)備的學(xué)習(xí)熱情。授課過(guò)程中，可以把各部分的原理融合成一個(gè)整體，讓學(xué)生深刻理解醫(yī)療儀器設(shè)備中每個(gè)部件的作用與聯(lián)系，并通過(guò)成像結(jié)果的案例解析透徹掌握醫(yī)學(xué)三維成像涉及的原理與方法，加深學(xué)生對(duì)這一復(fù)雜概念的理解。

以PET成像為例，該成像過(guò)程中有針對(duì)性地開(kāi)展基于GATE的PET三維成像仿真實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)新性的應(yīng)用GATE軟件建設(shè)和模擬特定PET系統(tǒng)，如圖2所示。平臺(tái)的使用和改進(jìn)過(guò)程不僅可以充分開(kāi)發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力和學(xué)習(xí)能力、拓展本學(xué)科和專業(yè)的實(shí)踐和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)三維成像技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。理論授課結(jié)束后，學(xué)生不但很好地掌握了PET等三維成像技術(shù)的原理，通過(guò)虛擬平臺(tái)還能體會(huì)到計(jì)算機(jī)、數(shù)字電路、信號(hào)與系統(tǒng)等各基礎(chǔ)學(xué)科之間的聯(lián)系及其在醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用。

2.2 實(shí)踐互動(dòng)教學(xué)

系統(tǒng)中還設(shè)置了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)模塊，通過(guò)該模塊，學(xué)生在已有的感性認(rèn)識(shí)和理解上，可以開(kāi)展綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，一方面可以通過(guò)實(shí)際操作進(jìn)一步學(xué)習(xí)三維成像模態(tài)中成像方法與相關(guān)參數(shù)的意義，另一方面可以通過(guò)編程和調(diào)試增加學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣，鼓勵(lì)學(xué)生們把所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際中去，不但大大激發(fā)了學(xué)生對(duì)醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的興趣，而且還提供了一個(gè)綜合運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)的平臺(tái)。

以O(shè)CT成像為例，學(xué)生可以在理解學(xué)習(xí)OCT成像原理的基礎(chǔ)上，對(duì)OCT成像過(guò)程中的圖像處理方法以及相關(guān)參數(shù)在進(jìn)行修改，后臺(tái)編寫OCT圖像處理方法并在平臺(tái)中可視化顯示處理結(jié)果，如圖3所示不但可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)驗(yàn)相互滲透，也提供了一個(gè)學(xué)生實(shí)踐學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，進(jìn)而達(dá)到在實(shí)踐中領(lǐng)會(huì)理論，在理論指導(dǎo)下學(xué)會(huì)實(shí)踐，完成理論和實(shí)踐質(zhì)的飛躍。

2.3 低成本、零風(fēng)險(xiǎn)

不論是大型PET設(shè)備，抑或光學(xué)三維成像，其設(shè)備成本和系統(tǒng)造價(jià)均較高，更不要提潛在的射線對(duì)人體的危害和輻射。本醫(yī)學(xué)三維成像仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)H需要特定的仿真平臺(tái)軟件和計(jì)算機(jī)等數(shù)據(jù)處理設(shè)備就能夠完成醫(yī)學(xué)三維成像研究，不僅設(shè)備成本大大降低，更避免了該實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究體系中潛在的傷害和風(fēng)險(xiǎn)。在進(jìn)行XLT成像模態(tài)講解中，可以通過(guò)圖4所示的環(huán)節(jié)，動(dòng)態(tài)演示X射線的變化過(guò)程以及輸出圖像的直觀展示。一方面降低了對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量的要求，通關(guān)過(guò)平臺(tái)演示有感性認(rèn)識(shí)，又降低了教學(xué)實(shí)驗(yàn)（下轉(zhuǎn)第41頁(yè)）（上接第100頁(yè)）環(huán)節(jié)的輻射傷害和操作風(fēng)險(xiǎn)以及設(shè)備維修和升級(jí)費(fèi)用。

3 結(jié)論

該平臺(tái)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)不僅有利于課堂知識(shí)和前沿學(xué)科的拓展，也有助于推廣目前以來(lái)器械企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)的宣傳。實(shí)踐證明，本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的虛擬仿真系統(tǒng)教學(xué)中效果良好，完全可以推廣到其他種類醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的教學(xué)中。

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