高自由度DR成像原理与技术仿真实验平台开发与应用探索_冷琦.pdf

第 卷第期 年月中国医学教育技术 收稿日期：作者简介：冷琦（），男，山东淄博人，主管技师，学士，研究方向为医学影像技术实验教学。通信作者：李真林（），男，成都人，主任技师，博士，研究方向为医学影像技术、医学影像人才培养及放射科管理。：高自由度 成像原理与技术仿真实验平台开发与应用探索冷琦，王紫薇，夏天，汪红志，李真林四川大学华西医院放射科，成都 ；上海培云教育科技有限公司，上海 ；华东师范大学物理与电子科学学院，上海 【摘要】目的设计高自由度 成像原理与技术仿真实验平台，并运用于医学影像技术系学生实践操作教学，提高学生的实践技能。方法基于数值与场景仿真技术开发高自由度 成像原理与技术仿真实验平台，在医学影像技术全国大学生技能大赛中进行运用，验证其提升学生实践技能的效果。结果参赛学生共 名。其中，组（）运用高自由度 成像原理与技术仿真实验平台备赛，组（）采用其他方式备赛。组平均成绩（）分，高于组平均成绩（）分，差异具有统计学意义（）。运用高自由度 成像原理与技术仿真实验平台可提高学生实践成绩。结论高自由度 成像仿真实验平台模拟真实情况下的临床操作，有助于激发学生的学习兴趣和探究精神，提高学生的实践技能。【关键词】数字仿真；场景仿真；仿真教学；高自由度【中图分类号】；【文献标志码】【文章编号】（）【】，.，；.，.，；.，【】，（），（）（），（），（）中国医学教育技术第 卷第期 【】；数字线机（，）是医学影像设备中应用范围最广、普及性最高的一类设备，的原理与技术是影像技术专业的核心教学内容。其中，摆位与图像间的关系、最佳成像参数的选择、剂量的调整是教学的难点与重点。医学影像技术在临床医学领域的广泛应用，对疾病诊治、病症诊断具有重要意义，已经成为医师诊断的重要依据；但医院就诊人数多，设备检查量较为饱和，没有充足的时间和空间让学生反复操作，教学呈现出“一个人演示、一群人观看”的局面，学生无法亲自操作实践，教学效果不尽人意，进入临床实习后错误概率增大：因此，在实习前掌握成像原理与摆位操作技能，同时建立辐射剂量控制的思想与方法，对医学影像技术专业学生是十分必要的。“线检查技术”是医学影像技术本科专业的基础理论和核心内容，高自由度 成像仿真实验平台是基于“线检查技术”的课程标准进行开发的，教学内容包括 线模拟摄影、数字摄影基础理论、线摄影位置。高自由度是指操作软件模拟曝光后，非简单的固定图像调取，而是调用内置的包含人体物理信息的数字人矩阵，得到不同体位、不同曝光参数下的相应图像。仿真实验平台的开发系统架构平台以数字物理人建设基座，该物理人的构建方法为通过双源 扫描人体各部位，建立机理逆推计算模型，计算出各部位数字人的物理信息，建立包含人体物理信息的三维数据库：电子密度（）、有效原子序数（）。目前，该方法已申请发明专利。基于以上数字物理人，采用 建模技术构建与物理人空间比例一致的三维虚拟人，且虚拟人各关节运动角度、方向等要实现高度的拟真化，即与真人运动方式保持一致，同时建立物理人与虚拟人的数字孪生，从而保证两者的一致性。在实现以上数字孪生后，基于数值仿真技术，建立数学模型，根据物理人的物理信息数据，计算得到相应成像参数下的医学影像结果。该平台的系统架构如图所示。图数字孪生 检查技术实训平台系统架构图高自由度 成像原理与技术仿真实验平台结构该平台主要包括三个联动模块：射线物理模块、成像模块和 技术模块。射线物理模块主要用于帮助教师更好地对学生进行一些抽象物理概念与理论的教学。所采用的先进的 射线能谱与热效应模型，可以实时准确地模拟计算出患者的照射剂量和球管热容量，也可以设置铝、铜、铅以及水的厚度，观察 射线能谱的变化与半价层的测量。成像模块主要用于模拟 成像过程。可模拟患者注册、任意设置成像参数（、）、选择照射部位、增加滤过装置并可改变其厚度，也可以体现相应参数的影像；同时可以将图像存储为 格式，并可读取相应 图像，对图像进行旋转、放大、设置图像对比度等基本图像处理功能。技术模块主要用于学生对 成像过程的操作与实践，同时也为教师提供了一种节约成本与时间的高效实验模式。学生可以通过该模块在一台桌面电脑上完成全部的 操作摆位实验。教学实践对象与方法回顾性分析医学影像技术全国大学生技能大赛参赛学生 名，均为大四在读医学影像技术系本科学生，分为组（）和组（），两组均进行为期 天的赛前准备。其中，组采用高自由度 成像仿真实验平台进行参赛前准备；组采用常规的教师讲授及模拟演练流程进行赛前准第 卷第期冷琦等高自由度 成像原理与技术仿真实验平台开发与应用探索备。两组学生在练习过程中遇到问题均可在微信群中咨询教师，教师对其问题进行详细解答。该研究分析两组比赛成绩是否有差别及其原因。采用 软件对参加医学影像技术全国大学生技能大赛的 名学生的成绩数据进行分析，比赛成绩采用两独立样本检验，以 为差异具有统计学意义。结果组和组的成绩分布基本符合正态分布。其中，采用高自由度 成像仿真实验平台进行备赛的组学生的平均成绩为（）分，高于未使用该平台备赛的组学生的平均成绩（）分。两组学生成绩差异具有统计学意义（）。如表所示。表参赛学生成绩组别平均成绩组 （）组 （）两组学生的成绩之所以存在差异，究其原因是一些基础流程性工作（比如扫码、更换检查服），属于较为简单的考核，故区分度不高；也体现出基本功能力不需要长时间训练。区分度主要表现在不同检查部位的规范摆位上，既体现了对检查技术的掌握情况，同时训练也会增强熟练程度（摆位时间长短与得分相关）。该部分是检查技术的核心，说明需要经过训练才能得到技能提升，也是该考核系统的价值所在，能对核心技能素养进行区分。讨论虚拟仿真教学的形式近年来，随着信息技术、数值仿真技术、虚拟仿真（，）技术的发展，虚拟仿真教学被引入课堂并应用于教学实践中，取得了较好的效果。仿真教学主要有三种形式：模拟机仿真教学模式采用真机拆掉球管后的模拟机进行摆位训练，所占场地与真机一致；但大多数学校因条件所限无法进行批量化、规范化教学。场景流程仿真教学模式采用交互游戏形式，模拟患者进入 操作间后所经历的检查流程；但无法进行真实的曝光操作，无法得到不同成像参数、不同体位对应的图像。高自由度 成像仿真教学模式学生通过电脑终端开展各种操作，在 技术模块设置体位，相应体位参数回传给 成像模块，成像模块设置成像参数，在点击曝光按钮后，成像模块调用数字人矩阵，根据体位参数模拟成像，得到不同体位、不同曝光参数下的相应图像。高自由度 成像原理与技术仿真实验平台在实践教学中的优势理论与实践相结合学生可通过调节不同的管电压（）、管电流（）以及曝光时间（），添加不同厚度的滤过片，观察不同参数下谱线、热容量、比释动能、照射量和最终的图像变化，学生不仅仅是调节单一条件，而是多条件的选择，这些变化在真机或模拟机教学中都无法直观看到。其次，实际操作会对受检者造成电离辐射伤害，为了避免对患者造成伤害，不能开展批量化、规范化的相关剂量检测实验，由此造成学生无法实时观察实验的相应变化，实验与理论教学无法实时结合，从而使其无法真正理解理论知识。图图分别为对场景中人体模型左胸处设置相应曝光参数到不同管电压下的谱线变化，学生图 场景摆位操作界面也可以固定管电压与曝光时间，通过调节不同的管电流大小观察谱线变化，从而总结管电流对谱线的影响。除以上功能外，在线物理模块还可以观察到热容量、比释动能、照射量的变化，从而总结各量与曝光参数的变化；还可以在 成像模块观察到图中相应参数下的图像（如图所示），随着管电中国医学教育技术第 卷第期压的增强，光子数的增加，更多的光子穿过人体可以被探测器接收到，因此图像中的噪声逐渐降低，清晰度逐步增加，通过图片能更直接地帮助学生理解理论知识。图曝光参数设置界面图不同管电压（，）的相应谱线图不同管电压的相应图像场景真实、摆位灵活该研究高自由度仿真实验平台是真实模仿检查间及受检人体，虚拟人的各个关节都可活动，可以在 技术模块（场景）下进行真实的操作摆位，相应参数（如人体的位置、准直器大小、准直器角度等）通过数据接口传递给 成像模块，从而产生相对应图像（如图、图所示），且在射线物理模块表现出相应的成像参数对线能谱、剂量、热容量等的影响。操作自由、流程完善在摆位训练中，学生可以高自由度地摆位操作，操作失误时可选择内置的标准体位一键预设；对于一些疑难体位，教师可以通过内置的体位编辑器进行编辑保存，在实际教学中第 卷第期冷琦等高自由度 成像原理与技术仿真实验平台开发与应用探索可以一键调用。该实验平台有错误操作自动判断系统，如果学生摆位不正确则会给出错误提示；但仍可进行下一步，不硬性终止，使学生能够完成整个流程，了解到错误操作造成的后果，真实地还原了临床场景。技术先进、硬件要求低无需高配置硬件，无需特殊配置的外部设备，如 眼镜、显示器等，只需一般电脑配置即可。学生不受时间和地点的限制，对于实践操作中的重点、难点可在个人电脑上反复练习，由被动学习变为主动思考，极大地提高了学习主动性和综合分析问题的能力，激发了学习兴趣与探究精神。高自由度 成像原理与技术仿真实验平台在实践教学中的应用相对于一人演示、多人观看的传统实践教学方法，学生可以独自学习操作软件，参与度高、学习兴趣强，不仅可以完成课堂中的学习任务，课下也可以进行探索性学习；摆位、成像参数选择、剂量调整是影像技术专业 原理与技术课程的核心内容，该实验平台可重复性高，学生可在反复练习中更好地掌握，达到理论与实践完美结合，为临床实习打下坚实基础。结束语高自由度 成像原理与技术仿真实验平台，在医学影像技术仿真教学领域首次采用数值与场景相融合的技术，将不可见的原理可视化，将理论与实践结合，做到全参数可调、模拟真实情况下的各种现象，能够帮助学生理解不同成像参数、不同操作体位间的关系，同时能够实时显示当前参数下的剂量，帮助学生建立起辐射剂量控制的概念。医学影像技术实践性很强，在人才培养阶段，需要加强实验实践环节，使毕业生更好地融入工作中去。使用高自由度 成像仿真实验平台进行教学实践可提高医学影像技术专业学生的操作技能，为此后临床实践打下良好基础，有助于高素质影像技能人才的培养 。参考文献 马超，王永峰医学影像技术在疾病影像诊断和治疗的应用效果探讨 饮食保健，（）：伏凯娥医学影像技术在疾病影像诊断和治疗中的作用 健康必读，（）：张梦龙，段玉婷，许玉军，等 放射防护最优化对数字 射线摄影中受检者辐射剂量降低的价值中华放射医学与防护杂志，（）：蔡磊，王紫薇，陈国勇，等自主实验设计在虚拟仿真磁共振实验教学中的探索与思考 中国医疗设备，（）：姚小玲，袁元，潘志祥，等基于虚拟仿真软件的磁共振成像序列实验在医学影像技术专业本科教学中的应用中华医学教育探索杂志，（）：陈珊珊，唐懿文，凌荣华，等 虚拟仿真结合翻转课堂在医学类专业单片机课程中的应用继续医学教育，（）：贾强，杨锐，刘小粉，等虚拟仿真实验平台结合翻转课堂在机能实验教学中的应用基础医学教育，（）：陈明亮，葛振英，白慧玲，等基于医学虚拟仿真平台的翻转课堂在基础医学实验教学的应用中国高等医学教育，（）：王紫薇，陈国勇，蔡磊，等医学影像技术虚拟仿真教学实践中国医学教育技术，（）：夏天，陈珊珊，周敏雄，等核磁共振成像技术理实一体化教学的研究与实践实验室研究与探索，（）：姚旭峰，李伟，黄清明，等教研一体化实验室建设思路：以医学影像技术专业为例卫生职业教育，（）：夏天，陈珊珊，周敏雄，等 虚实结合的 实验实训项目开发与实践 实验室研究与探索，（）：王晓艳，王鹏程，宋莉，等 培养我国医学影像技术高素质人才的思考中国医学物理学杂志，（）：