數(shù)字減影血管造影虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與實(shí)踐

王超，孟凡，張慎忠

（1.南京醫(yī)科大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程與信息學(xué)院，江蘇南京 211166；2.南京醫(yī)科大學(xué)附屬逸夫醫(yī)院麻醉科，江蘇南京 211112）

數(shù)字減影血管造影技術(shù)（Digital Subtraction Angiography，簡(jiǎn)稱 DSA）是一種能夠可視化X 射線序列圖片中血管的技術(shù)[1-3]，已在臨床應(yīng)用20 多年，是血管疾病無(wú)創(chuàng)診斷與介入治療手術(shù)導(dǎo)航的重要依據(jù)[4-5]，在圖像質(zhì)量、判斷血流方向和優(yōu)勢(shì)供血等方面具有無(wú)可替代的作用[6-7]。2023年3月，中共中央辦公廳、國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于進(jìn)一步完善醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)體系的意見(jiàn)》，強(qiáng)調(diào)“提高醫(yī)療衛(wèi)生技術(shù)水平。加強(qiáng)臨床醫(yī)學(xué)、公共衛(wèi)生和醫(yī)藥器械研發(fā)體系與能力建設(shè)”“努力突破技術(shù)裝備瓶頸，加快補(bǔ)齊高端醫(yī)療裝備短板”[8]。本項(xiàng)目是把培養(yǎng)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)人才與國(guó)家需求相對(duì)接。

數(shù)字減影血管造影成像原理是南京醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程、醫(yī)學(xué)影像技術(shù)、醫(yī)學(xué)影像專業(yè)本科生的主干課程的核心知識(shí)點(diǎn)，其中包涵了自然科學(xué)的各種技術(shù)，可引導(dǎo)學(xué)生形成創(chuàng)新思維。

數(shù)字減影血管造影成像原理一直是學(xué)習(xí)難點(diǎn)[9-11]，學(xué)習(xí)DSA 原理需要對(duì)X 射線與人體相互作用、對(duì)比劑流體動(dòng)力學(xué)、數(shù)字圖像減影等作用過(guò)程與數(shù)學(xué)模型進(jìn)行想象、重構(gòu)，傳統(tǒng)教學(xué)方法難以直觀、形象地展示技術(shù)原理，難以實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)[12]。同時(shí)，由于DSA 不僅有較大量X 射線輻照[13]，且實(shí)施過(guò)程有創(chuàng)且復(fù)雜，加之DSA 設(shè)備昂貴，這些因素都不利于傳統(tǒng)DSA 實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展。

1 數(shù)字減影血管造影虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

數(shù)字減影血管造影虛擬防真實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于互動(dòng)學(xué)習(xí)與仿真操作來(lái)提高學(xué)生對(duì)數(shù)字減影血管造影成像原理重點(diǎn)及難點(diǎn)的掌握度及抽象概念的認(rèn)知度，重點(diǎn)解決數(shù)字減影血管造影成像原理學(xué)習(xí)中驗(yàn)證成本高、間接測(cè)量多、抽象推理難的問(wèn)題[14]。具體設(shè)計(jì)思路如下。

（1）多維沉浸式設(shè)計(jì)：通過(guò)設(shè)備結(jié)構(gòu)、原理展現(xiàn)、臨床應(yīng)用等多個(gè)維度學(xué)習(xí)數(shù)字減影血管造影原理。觀察設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)、了解設(shè)備工作原理和數(shù)字減影流程，增強(qiáng)學(xué)生的代入感；觀察不同時(shí)間、不同能量X 射線照射時(shí)血管內(nèi)的影像變化，總結(jié)相關(guān)規(guī)律，深刻理解物理理論對(duì)成像及臨床診斷的意義。

（2）體內(nèi)可視化設(shè)計(jì)：以人體血管系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過(guò)軟件建模呈現(xiàn)出血管路徑，使人體中難以觀察的到血管通路完全可視。實(shí)驗(yàn)中，從造影前穿刺到血管中對(duì)比劑的流動(dòng)過(guò)程皆能夠通過(guò)仿真可視化，學(xué)生在軟件中即可觀察血管造影的完整過(guò)程，能夠有效幫助學(xué)生對(duì)血管造影原理知識(shí)的學(xué)習(xí)和理解。

（3）數(shù)理模型化設(shè)計(jì)：依據(jù)數(shù)字減影血管造影的物理原理，基于數(shù)理模型實(shí)時(shí)運(yùn)算高仿真技術(shù)，建立了“對(duì)比劑濃度變化”“時(shí)間/能量減影”等各種精準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型，并嵌入相應(yīng)的模塊。仿真模塊將快速實(shí)時(shí)計(jì)算出不同參數(shù)對(duì)應(yīng)的模擬輸出結(jié)果，使實(shí)驗(yàn)過(guò)程更加科學(xué)、真實(shí)。

1.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)內(nèi)容設(shè)計(jì)

根據(jù)醫(yī)學(xué)成像原理中數(shù)字減影血管造影章節(jié)的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)重點(diǎn)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容共包含學(xué)習(xí)模式（知識(shí)點(diǎn)）、練習(xí)模式（學(xué)習(xí)）和綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)K（測(cè)試）三大模塊，整體內(nèi)容設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。

（1）數(shù)字減影血管造影基礎(chǔ)概念模塊：該模塊主要是對(duì)DSA 成像中設(shè)計(jì)的概念進(jìn)行講解和學(xué)習(xí)，用戶通過(guò)點(diǎn)擊知識(shí)點(diǎn)即可跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的學(xué)習(xí)視頻。這部分知識(shí)點(diǎn)包涵了訓(xùn)練模塊和綜合設(shè)計(jì)模塊中所有參數(shù)選擇的方法，具體內(nèi)容包括：X 射線成像原理、數(shù)字減影物理基礎(chǔ)、不同成像部位對(duì)比劑的選擇與濃度調(diào)節(jié)、數(shù)字減影方式、K 緣效應(yīng)、DSA 成像參數(shù)、常用DSA 圖像處理方式和旋轉(zhuǎn)DSA。

（2）數(shù)字減影血管造影原理訓(xùn)練模塊：該模塊的實(shí)驗(yàn)方法主要為自主設(shè)計(jì)法和觀察法，用戶進(jìn)入訓(xùn)練界面之后選擇需要訓(xùn)練的知識(shí)點(diǎn)，根據(jù)基礎(chǔ)概念模塊中學(xué)習(xí)的內(nèi)容選擇相應(yīng)的參數(shù)并觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如果參數(shù)選擇錯(cuò)誤，軟件將給出提示，幫助用戶快速定位到相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)。訓(xùn)練模塊中具有豐富的案例，可多次學(xué)習(xí)和訓(xùn)練。具體訓(xùn)練內(nèi)容包括對(duì)比劑選擇、X 射線參數(shù)設(shè)置、減影方式和圖像處理四個(gè)部分。

（3）數(shù)字減影血管造影原理綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)K：該模塊的實(shí)驗(yàn)方法包含自主設(shè)計(jì)法、觀察法和比較法。學(xué)生面對(duì)虛擬患者，根據(jù)基礎(chǔ)概念模塊和訓(xùn)練模塊中所學(xué)習(xí)和掌握的內(nèi)容，選擇對(duì)比劑參數(shù)、X 射線參數(shù)、減影方式等，系統(tǒng)將自動(dòng)展示穿刺到成像過(guò)程，接著根據(jù)系統(tǒng)給出的成像結(jié)果，用戶選擇其中兩張圖片進(jìn)行減影，最后再選擇圖像處理方式，完成完整的實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

2 數(shù)字減影血管造影虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的使用

數(shù)字減影血管造影虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)包括學(xué)習(xí)模塊、練習(xí)模塊和綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)K三大模塊，學(xué)生通過(guò)虛擬仿真軟件的首頁(yè)登錄后，點(diǎn)擊開(kāi)始實(shí)驗(yàn)即可進(jìn)入模塊選擇主界面。

2.1 學(xué)習(xí)模塊

在學(xué)習(xí)模塊中，教師通過(guò)視頻講解方式呈現(xiàn)數(shù)字減影相關(guān)基礎(chǔ)概念，視頻內(nèi)容包含理論課程配套教材上的知識(shí)和相關(guān)課外擴(kuò)展資料，包括X 射線成像原理、數(shù)字減影物理基礎(chǔ)、不同成像部位對(duì)比劑的選擇與濃度調(diào)節(jié)、數(shù)字減影方式、K 緣效應(yīng)、DSA 成像參數(shù)等理論知識(shí)，以列表形式展示在頁(yè)面。學(xué)生在進(jìn)入下一模塊之前，必須先完成該模塊知識(shí)的學(xué)習(xí)。

2.2 練習(xí)模塊

練習(xí)模塊是在學(xué)習(xí)模塊的基礎(chǔ)上，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)化病人作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立時(shí)間減影、能量減影、二次曝光等各種精準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型，并嵌入相應(yīng)的模塊。仿真模塊將快速實(shí)時(shí)計(jì)算出不同參數(shù)對(duì)應(yīng)的模擬輸出結(jié)果。練習(xí)模塊具體內(nèi)容見(jiàn)圖2，包括對(duì)比劑、X 射線參數(shù)、減影方式、圖像處理四個(gè)訓(xùn)練模塊，支持學(xué)生分模塊或者組合模塊進(jìn)行學(xué)習(xí)和練習(xí)，學(xué)生在各個(gè)模塊中可反復(fù)調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)，以此來(lái)達(dá)到學(xué)習(xí)目的。

圖2 練習(xí)模式內(nèi)容組成

2.3 綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)K

綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)K是在練習(xí)模塊的基礎(chǔ)上，對(duì)練習(xí)模塊中的對(duì)比劑、X 射線參數(shù)設(shè)置、減影方式和圖像處理四個(gè)訓(xùn)練模塊進(jìn)行綜合訓(xùn)練，考核學(xué)生的邏輯思維能力和演繹推理能力。同時(shí)考核模式將融合真實(shí)案例教學(xué)，結(jié)合臨床病人數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以顱內(nèi)動(dòng)脈、下肢動(dòng)脈和膀胱動(dòng)脈DSA 影像為例，以最終得出清晰的血管造影圖片為目的，考核學(xué)生知識(shí)點(diǎn)掌握情況。進(jìn)入綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)K后，系統(tǒng)隨機(jī)給出病人的生理參數(shù)和目標(biāo)成像部位，學(xué)生需完成成像參數(shù)選擇、數(shù)字減影圖像選擇和減影圖像后處理三個(gè)過(guò)程。

（1）成像參數(shù)選擇：根據(jù)模擬病人的參數(shù)和檢查部位，選擇成像位置、減影方式、拍攝方式、成像時(shí)間、射線能量等實(shí)驗(yàn)參數(shù)，點(diǎn)擊確定之后系統(tǒng)模擬穿刺至成像過(guò)程，在界面右側(cè)實(shí)時(shí)顯示動(dòng)脈內(nèi)對(duì)比劑濃度變化曲線，學(xué)生點(diǎn)擊停止拍攝按鍵后，系統(tǒng)生成系列掩膜和X 射線成像圖片。

（2）數(shù)字減影圖像選擇：成像參數(shù)選擇后，對(duì)于系統(tǒng)生成的系列影像圖片，學(xué)生分別選擇一幅掩膜和X射線影像圖片進(jìn)行減影，點(diǎn)擊確定之后，系統(tǒng)將生成減影后的圖像。

（3）減影圖像后處理：選擇減影圖像后，系統(tǒng)隨機(jī)生成噪聲、偽影等，疊加在圖像上，學(xué)生根據(jù)顯示圖像的特點(diǎn)選擇處理方法，最終得到檢查部位的成像結(jié)果。完成之后，學(xué)生點(diǎn)擊右上角的提交成績(jī)按鍵，系統(tǒng)將對(duì)綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果分步驟進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.4 成績(jī)考核方式

數(shù)字減影血管造影虛擬仿真實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)主要由學(xué)習(xí)模塊、練習(xí)模塊和綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)K三部分組成，分值占比分別為20%、30%和50%，學(xué)生操作總成績(jī)大于85 分記為合格，系統(tǒng)自動(dòng)生成結(jié)果證書(shū)。其中，學(xué)習(xí)模塊要求學(xué)生完成知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)；在練習(xí)模塊中，學(xué)生需連續(xù)3 次正確選擇隨機(jī)出現(xiàn)的檢查部位的參數(shù)；在綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)K中，系統(tǒng)按各步驟操作結(jié)果賦分。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的實(shí)踐與成效

在醫(yī)學(xué)成像原理課程第二章X 射線成像教學(xué)中，增加了數(shù)字減影血管造影虛擬仿真實(shí)驗(yàn)部分內(nèi)容，要求學(xué)生自主在線進(jìn)行學(xué)習(xí)和操作，并需通過(guò)綜合實(shí)驗(yàn)考核。通過(guò)增加該部分實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，串聯(lián)第一章X射線成像原理的知識(shí)點(diǎn)，進(jìn)一步提升學(xué)生對(duì)數(shù)字減影血管成像原理的理解，包括數(shù)字減影物理基礎(chǔ)、對(duì)比劑選擇、減影方式、圖像選擇與處理等內(nèi)容。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)與原有數(shù)字減影血管造影成像原理實(shí)體實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，深入學(xué)習(xí)DSA 圖像成像機(jī)制與重建原理，創(chuàng)建了“以實(shí)為本、虛實(shí)結(jié)合”滿足認(rèn)知實(shí)習(xí)、專業(yè)實(shí)驗(yàn)、專業(yè)實(shí)訓(xùn)、專業(yè)實(shí)習(xí)等要求的綜合實(shí)踐教學(xué)體系，形成了以“仿真實(shí)驗(yàn)”拓展“真實(shí)實(shí)驗(yàn)”的“綠色實(shí)踐教學(xué)”。多輪實(shí)際實(shí)踐結(jié)果表明：本系統(tǒng)具有良好的教學(xué)效果。

（1）創(chuàng)造了與實(shí)際環(huán)境相似度非常高的環(huán)境，有利于學(xué)生快速學(xué)習(xí)。依托虛擬仿真、人機(jī)交互技術(shù)建立的虛擬體驗(yàn)系統(tǒng)，學(xué)生可以直觀地學(xué)習(xí)DSA 成像設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和成像原理，并可以體驗(yàn)DSA 成像實(shí)際操作的流程。

（2）節(jié)省了時(shí)間和成本。比起傳統(tǒng)的實(shí)物實(shí)景教學(xué)以及單一的實(shí)物現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)或體驗(yàn)，虛擬仿真系統(tǒng)能夠縮短建立實(shí)物和獲取環(huán)境的時(shí)間，而且一套虛擬仿真系統(tǒng)可以多人同時(shí)、多次使用，實(shí)現(xiàn)了在更短的時(shí)間內(nèi)用更小的成本培養(yǎng)更高素質(zhì)人才的目標(biāo)。

（3）增加了安全可靠性。虛擬仿真系統(tǒng)使得體驗(yàn)過(guò)程不會(huì)浪費(fèi)財(cái)力、物力，體驗(yàn)者可以通過(guò)虛擬仿真系統(tǒng)熟練掌握知識(shí)原理和操作流程，強(qiáng)化知識(shí)學(xué)習(xí)過(guò)程。

（4）手段新穎，直觀性強(qiáng)，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣高。采用3D 仿真技術(shù)，模擬真實(shí)操作環(huán)境，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互操作等，都能在虛擬的三維現(xiàn)實(shí)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)協(xié)同模擬操作，有利于進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。

4 結(jié)語(yǔ)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，通過(guò)以虛補(bǔ)實(shí)、虛實(shí)結(jié)合促進(jìn)理論教學(xué)的開(kāi)展，為學(xué)生實(shí)踐操作能力的培養(yǎng)提供了有力工具。本文中設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)的數(shù)字減影血管造影虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)從理論知識(shí)、實(shí)踐實(shí)訓(xùn)到綜合考核各環(huán)節(jié)，循序漸進(jìn)開(kāi)展線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)踐教學(xué)表明：本系統(tǒng)有效提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自主學(xué)習(xí)能力，進(jìn)一步培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力和創(chuàng)新思維，為醫(yī)學(xué)成像原理課程的教學(xué)提供了有益支撐，也為醫(yī)工復(fù)合型人才的培養(yǎng)起到了重要支持作用。

數(shù)字減影血管造影虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)解決了醫(yī)學(xué)成像原理課程中數(shù)字減影血管造影原理實(shí)驗(yàn)開(kāi)展的難題，其他醫(yī)學(xué)成像技術(shù)如磁共振、核素成像等也同樣面臨難以開(kāi)展實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)的問(wèn)題。因此，以本虛擬仿真系統(tǒng)為基礎(chǔ)，未來(lái)將逐步設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)更多相關(guān)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，建設(shè)完整的醫(yī)學(xué)成像原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，進(jìn)一步豐富和完善課程教學(xué)內(nèi)容。數(shù)字成影血管造影虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)主要面向本校生物醫(yī)學(xué)工程、醫(yī)學(xué)影像技術(shù)和醫(yī)學(xué)影像專業(yè)的學(xué)生，其他醫(yī)學(xué)相關(guān)專業(yè)學(xué)生也可使用本系統(tǒng)輔助學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)。此外，全國(guó)其他高校師生也可通過(guò)本系統(tǒng)開(kāi)放的入口進(jìn)行學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)線上教學(xué)資源高效共享，為醫(yī)學(xué)、理學(xué)、工學(xué)等相關(guān)人才的培養(yǎng)提供有力支持。