新冠疫情下醫學影像設備的虛擬仿真實驗項目建設

武杰，王遠軍

上海理工大學 醫療器械與食品學院( 上海, 200093）

0 引言

突發的新冠疫情，使得傳統的實驗教學模式受到較大的影響，面對面的親自動手實踐操作的實驗模式，面臨前所未有的考驗，尤其對于嚴重依賴于大型醫學影像設備類的實驗教學，幾乎面臨課程停開的風險。但是，在停課不停學的原則下，在網上辦公、網上學習的新形勢下，醫學影像設備類的實踐教學也迫切需要轉型到線上線下互動的教學模式。因此，基于互聯網的醫學影像設備虛擬仿真實驗項目建設就顯得格外重要，基于互聯網的醫學影像設備虛擬仿真實驗，可以為新冠疫情下的相應實驗教學搭建一個基礎平臺，為師生共同學習提供一個教學互動的聯接紐帶，使得相應理論和實踐的教和學都能落實落地，為后續的長期教學提供了一個很好的選擇。

目前應用于醫學影像技術專業的虛擬仿真軟件，主要有兩種形式：一是傳統的網絡資源庫形式，即集成大量的教學資料，主要是以PPT 教學資源、在線測試、動畫展示設備結構等，其仿真實驗儀具有部分交互功能，但此種交互只是通過調用預存在服務器中的臨床影像圖片，所顯示的是最終的結果，無法實現實時動態的展示影像設備數據采集與圖像重建過程；另一種形式是基于數值仿真技術，即完全仿真大型影像設備的整個圖像產生過程，從最初的原理出發，每一步的采集過程都是可視化，并可進行實時交互，結合設計的實驗教程，可以潛移默化的將原來晦澀的成像原理以圖像、數據等形式展示出來。

1 醫學影像設備的虛擬仿真實驗特點

開發的醫學影像設備虛擬仿真實驗項目，不是簡單的表象展示，而是本質理論的呈現和相關規律的復現，因此，涉及兩方面的核心技術基礎：一方面是虛擬采集數據的生成，從醫學影像成像技術的基礎理論，需要從本質上深刻的掌握該理論，要理解成像的本質，也就是說完全用數學公式來闡述各種圖像信號的產生過程、數據采集過程以及圖像重建過程。如在磁共振實驗項目開發中首先需要將各種序列實驗的數據采集和處理過程全部用數學公式進行表達，再程序化實現。

由于醫學影像理論復雜，所涉參數很多，用數學公式來描述全部的成像實驗過程，是該系列仿真實驗儀核心技術之一；另一方面是樣品模板數據庫技術，模擬的樣品種類多，涉及到普通的油標樣、水標樣、多空介質標樣以及人體組織樣品，構建數字人數據庫，將人體組織數字化，而這個數據庫內的每個數據點都還包含著多重信息，基于真實的數字人數據庫才可以提供接近真實場景的虛擬成像實驗，還可以生成各種維度的圖譜，供輔助臨床診斷。

開發出的醫學影像設備虛擬仿真實驗項目，所有實驗項目可以集中在一個系統界面上展開，如圖1 所示?？芍斡布嶒瀮x所有的成像原理實訓項目，也可支撐影像質量控制相應課程，對影像技術實訓課程可部分支撐，該系列仿真實驗儀可規避硬件實訓平臺的不足，可實現真正的網絡化、批量化、規范化的教學實驗。

圖1 虛擬仿真實驗系統界面Fig.1 Interface of virtual simulation experiment system

開發出的醫學影像設備虛擬仿真實驗項目，可以模擬真實臨床大型影像設備的實際數據采集和圖像重建過程，且整個過程做到可視化，其數據量與真實設備數據量基本相同；應用該仿真實驗儀進行實操實驗教學無需龐大的硬件配套，可獲得與小型實驗儀和大型臨床影像設備相似的實驗效果；避免硬件實驗儀的高成本和高條件要求；去除了運行成本、電離輻射或者使用條件等的限制，允許學生自由開放地學習醫學影像技術原理以及參數對圖像的影響規律；從本質上理解和掌握醫學成像原理，為后續的圖像質量控制、維修故障判斷以及設計開發奠定堅實的理論基礎。

2 針對CT 設備的虛擬仿真實驗項目

（1）可分別動態演示第一代和第三代CT 掃描模式的探測器和球管的掃描運動過程，數據動態采集過程即正弦圖獲取，如圖2 所示，濾波反投影過程和最終的重建圖像效果；

（2）扇形束CT 重建中，可選擇使用不同加窗函數濾波器進行反投影重建，觀察重建圖像效果，包括Sinc 窗，矩形窗，三角窗，漢寧窗，漢明窗，切比雪夫窗，布萊克曼窗和高斯窗等?？娠@示加窗濾波器的時域和頻域波形；

（3）常見偽影等模擬功能：探測器損壞或響應不一致、DAS 增益不一致、金屬異物、球管打火等常見偽影等模擬功能；

（4）空間分辨率和密度分辨率測試；

（5）可調節層面參數（層傾斜角度、層位、層數），采集參數（旋轉角度、步進角度）；采集矩陣大小，掃描方向，病人體位，掃描距離，螺旋/常規掃描等設置；

（6）樣品模版為數字人體，可實現針對數字人的不同傾斜角度的單幅或多幅CT 數據采集和圖像重建效果等。

圖2 仿真實驗模型及其對應的正弦圖Fig.2 Simulation experimental model and its corresponding sinusoidal diagram

3 總結

醫學影像技術及其相關專業是綜合醫學、數學、物理以及工程多個學科的綜合性專業，隨著國民經濟的發展與時代的進步，對高素質的醫學影像技術人員的需求越來越明顯，醫學影像是當前醫生進行診斷的主要依據，初期診斷90% 來自影像數據，高素質醫學影像技術人才可以為臨床提供更加快速與準確的圖像數據，為疾病的早發現早治療，提供必要的診斷基礎；隨著技術的發展，醫學影像設備越來越集成化、智能化，影像設備的操作雖然越來越簡單，但對圖像質量的控制要求越來越高，這需要操作與維護人員能夠及時、準確判斷影響圖像質量的本質原因，從而保證設備的正常運行，這顯然需要相關人才必須對成像原理有深刻理解。

基于網絡的醫學影像設備類的虛擬仿真實驗，既能解決新冠疫情下的實踐教學問題，也為學生自主學習提供一個支撐環境，將來必然具有巨大的現實需求，還有很大的挖掘潛力，還有很多的設備類型和實驗環節，有待于更深入地開發和完善。