高職院校虛擬仿真實驗教學在“醫學影像設備學”中的應用與探索

陸薇 王盼霞

石家莊醫學高等專科學校 河北石家莊 050000

“醫學影像設備學”作為醫學影像技術專業的核心課程之一，主要講述當今各種醫學影像設備的分類形式、結構組成、使用方法、故障排查、維護保養等內容。只有掌握了該課程的具體內容，學生才能在以后的醫院實習、就業中更好地去使用、操作醫學影像設備，更高效地得到相應的診斷圖像。當今醫院、學校常見的醫學影像設備技術含量高、結構復雜、價格昂貴、功率較大，在教學實施過程中容易出現一些問題，影響教學正常進行。在這種情況下，將虛擬仿真技術融入醫學影像設備學的實驗教學當中去，可以把抽象的理論知識更加具體化，而且減少了設備購買、維護費用，把現實中無法開展的實驗課通過虛擬的方式形象展現出來，有助于學生對專業知識的深度掌握。2019年3月，《教育部關于公布2018年度國家虛擬仿真實驗教學項目認定結果的通知》中，浙江、湖北等省份的高校均已建成完善的虛擬實驗平臺系統，高職院校也應積極加快虛擬仿真平臺建設，促進影像專業實驗教學水平和教學質量得到不斷提升，增強學生的實際操作能力，提升高職院校在相關專業領域的影響力和競爭力。

1 醫學影像設備學傳統實驗教學特點

1.1 設備數量較少，學生人數較多，圍觀式實驗教學效果差

我校醫學影像技術專業學生人數較多，大部分院校實驗設備難以達到人均教學需求，另外醫學影像設備結構復雜，大部分學生無法通過規定的授課時間掌握設備的組成、結構，在實驗過程中，由于設備體積大，讓學生動手拆裝影像設備難以實現，學生實踐操作機會少，只能圍觀式教學，學生無法真正了解設備的原理，學生參與度低，使得教學資源嚴重不足。另外，醫學影像設備價格昂貴，學生的操作失誤會引起設備相應部件的損壞，產生經濟損失。

1.2 設備陳舊，無法展現當今最新影像技術

高職類院校教學資金投入相對薄弱，示教使用的影像設備較為陳舊，以我校為例，學校醫學影像實驗室有多臺X線機、CT、核磁設備，但與當前市場和醫院應用的主流設備相比相對落后，無法對接當今出現的新趨勢、新技術、新材料、新理念。

1.3 實驗過程中電離輻射較大，不利于師生健康

醫學影像設備大多數功率較大，工作過程中管電壓高達幾百千伏，管電流大，生成的X線劑量也較大，有較強的電離輻射，而學校實驗室的防輻射措施及設備相對落后，曝光運行易影響師生健康。

1.4 傳統影像設備在線上實驗課中無法正常開展

隨著互聯網技術和信息技術的高速發展，理論課線上授課越來越成熟，多種網絡平臺資源共享，可以不受地點、環境的約束。但線上實驗課卻缺乏實驗場地、實驗器械，學生無法正常操作，實驗教學效果大幅降低，教學目標無法實現。

2 虛擬仿真實驗教學平臺實施

2.1 “醫學影像設備學”教學模塊設計

根據醫學影像技術專業人才培養方案，結合高職院校學生的實際特點，以人民衛生出版社的《醫學影像設備學》第4版教材為內容依據，課程知識體系架構如下表：

醫學影像設備學實驗教學模塊設計表

2.2 虛擬仿真實驗實施過程

虛擬仿真實驗平臺界面如下圖所示。

虛擬仿真實驗平臺界面

虛擬實驗仿真平臺使用Web前端技術，開發過程結合Solidworks、3DMAX和VR-Platform等技術，實現實驗室實驗場景和設備結構的仿真，提前設定好的數據存儲于服務器中，在需要時以高仿真式形式調用，實現逼真的互動實驗授課。以數字X線攝影裝置仿真實驗內容為例，當前可以實現的具體內容包括以下方面。

2.2.1 設備結構的展示

在虛擬仿真實驗操作過程中影像設備的組成部件都會以3D的形式進行展示，畫面立體且直觀。以數字X線機的基本構成為例，包括X線管裝置、高壓變壓器、燈絲變壓器、高壓整流器、控制裝置、X線管頭支持裝置、影像裝置、記錄裝置等，最核心的部件為旋轉陽極X線管裝置，它的外部為管套，管套內壁襯有鉛層，內部封裝X線管，并且充滿變壓器油，X線管由旋轉陽極靶面、轉子、定子、陰極燈絲、玻璃外殼等幾部分組成，這些結構都有文字進行標注，讓學生對基本組成結構印象清晰。在實際X線機操作過程中，學生只能看到X線管裝置的外部管套，內部組成不能直觀顯示，仿真實驗使學生對X線管裝置的組成、結構、原理有了更直觀的理解。

2.2.2 設備工作過程的展示

以X線管裝置中的燈絲加熱實驗環節為例，陰極燈絲常裝有兩根長短、粗細不同的螺旋管狀燈絲，對應不同的焦點，選擇合適的燈絲供電。燈絲變壓器產生的燈絲電壓(5～10V)經過高壓電纜的傳輸，送到X線管陰極端相應的燈絲，燈絲在此電壓的作用下開始升溫，當燈絲溫度增高達2100K后開始釋放電子。此時學生可以通過仿真平臺改變燈絲電壓，燈絲電壓升高，燈絲溫度也隨著升高，單位時間內發射的電子數量就越多，通過虛擬仿真實驗可得，調節燈絲的加熱電壓，即可改變燈絲溫度，改變單位時間燈絲發射電子的數量，而電子在管電壓作用下形成管電流，由此可以得出管電流實際是由燈絲電壓決定。在虛擬仿真的實驗平臺下，學生可以自主調整燈絲電壓，還可以看到在實際實驗中無法觀測的電流流向、電子發射，在沒有任何設備損耗的情況下多次重復進行實驗，增加了學習的趣味性和實驗教學的效果。

2.2.3 控制臺面板參數調整

利用虛擬仿真平臺上相應按鈕進行透視、點片攝影、普通攝影、濾線器攝影、體層攝影等不同種工作模式的切換，還可以進行曝光電參數的設定和調整：最高管電壓150kV，管電流25～500mA可調、曝光時間5～50000ms，共31檔，mAs選擇0.5～500mAs共31檔。

以普通攝影實驗為例，具體操作方法：選擇普通攝影方式——選擇合適的kV、mA、mAs、ms——按下手閘Ⅰ檔，約1.5s左右——設備準備就緒——按下手閘Ⅱ檔進行模擬曝光。在整個模擬操作過程中，電源指示燈、曝光指示燈會在適宜的時候點亮。

2.2.4 設備各單元電路邏輯關系

醫學影像設備學中最生澀難懂的知識模塊為電路結構分析，這些電路主要以實現透視和攝影過程中，管電壓、管電流、曝光時間的調控以及方便X線檢查為主要任務。用仿真技術模擬X線機主機電路中各單元電路流程圖，包括電源電路、X線燈絲加熱電路、高壓初級電路、高壓次級電路、操作控制電路之間的既相互聯系又相互制約的關系，不用焊接，調試儀表不擔心損壞，還可以演示電流在各個支路中的流向，模擬X線管加上管電壓后產生X線的場景，快捷直觀，大大提高了學習的趣味性，有助于學生對電路模塊知識點的深度掌握。

2.2.5 基礎知識考核

考核模塊可以有效驗證學生的學習效果，每個仿真實驗模塊都附帶有考核。教師通過人才培養方案、教材、放射醫學技師考試等內容為依據選取的試題導入考核模塊數據庫中，在學生每次操作之后可以針對性的進行練習，并把考試分數記錄下，加深學生對理論基礎知識的印象，讓學習效果實現最大化。

3 虛擬仿真實驗教學實施優勢

3.1 揚長避短，突出學生優勢

高職院校學生基礎知識薄弱，自主學習能力差，但頭腦靈活，熟練操作計算機和手機，對多個領域的知識感興趣。虛擬實驗教學平臺可以讓每位同學獨立操作，增加了學生的動手機會，突出學生主體地位，使得枯燥的理論知識更加立體形象，學生在認知的同時可以進行虛擬環境下的實機操作，并能實時得到操作結果作為反饋，激發學生學習興趣和動手操作能力，提高學生學習興趣。

3.2 化繁為簡，形象展示枯燥的知識點

“醫學影像設備學”課程具體內容涵蓋醫學、電磁學、電路、計算機、機械學等多種學科知識，學生基礎知識薄弱，面對如此廣的知識領域，掌握起來難度較大。多種形式的虛擬環境中，將影像設備具體的結構用視頻、動畫、圖片等形式重新展現，學生能夠多角度、立體式地觀察和了解影像設備內部詳細結構，使基本原理更清晰易懂，學生對設備建立更加直觀和感性的認識，改變了原有枯燥、抽象的情況，讓學生更加容易接受，達到預期的學習效果。

3.3 轉危為安，降低實驗風險

醫學影像設備尤其是X線設備在工作過程中使用高管電壓，會產生大劑量X線，存在很強的電離輻射，在實驗中即使防護措施到位，X線設備都會對學生、教師健康存在安全隱患。另外，醫學影像設備發展迅速，新產品價格昂貴，結構復雜，學生在實驗操作中拆卸安裝設備需要技術高，且耗時較長，不當的手法有可能損壞設備。利用模擬仿真實驗降低對大型實體設備的過度依賴，擺脫高管電壓、X線輻射等安全隱患，降低設備購置經費的投入。

3.4 更進一步，開辟醫學影像技術專業實驗教學新模式

本虛擬仿真平臺，在全部開發完成之后可支持“醫學影像設備學”各個章節的實驗項目，學生不用實際接觸儀器設備就可以完成相關實驗操作。醫學影像技術專業的其他專業核心課程包括“醫學影像診斷學”“醫學影像檢查技術”“醫學影像超聲診斷學”等也可以在此基礎上全面開展虛擬仿真實驗教學，通過實驗教學逐漸建立以學促教、教學相長的學習過程，不斷提高高職院校醫學影像專業的教學水平和教學質量，為本專業的教學改革提供新方法、新手段。

結語

“醫學影像設備學”是一門將醫學、工學相結合的學科，利用虛擬仿真技術將傳統實驗教學方式進行改變，使用互聯網技術、軟件技術、多媒體技術將枯燥的理論知識改裝成有形有色的新模式，對增強學生素質，提高專業素養起著助力作用。虛擬仿真實驗教學在本課程中的應用效果良好，尤其是在互聯網和信息技術高速發展的今天，可以不受實驗設備的限制，完成既定的實驗教學任務，可以繼續推廣到其他各類醫學專業教學當中，從而培養更多適應時代發展的應用型人才，為國家、社會輸送更多專業技術人員。