楊慶華 李薇 賀超

1,川北醫(yī)學(xué)院 醫(yī)學(xué)影像學(xué)系，四川 南充 637007 ;2, 西華師范大學(xué) 計算機學(xué)院，四川 南充 637000

虛擬實驗在醫(yī)學(xué)成像技術(shù)類課程教學(xué)中的應(yīng)用

楊慶華1李薇2賀超1

1,川北醫(yī)學(xué)院 醫(yī)學(xué)影像學(xué)系，四川 南充 637007 ;2, 西華師范大學(xué) 計算機學(xué)院，四川 南充 637000

運用虛擬實驗的方法對于醫(yī)學(xué)成像過程描述或計算，避免了實驗設(shè)備的大量投資，具有直觀精確性，還可以實現(xiàn)參數(shù)化開放性等諸多優(yōu)點。是傳統(tǒng)實驗方法的一個很好補充。概述了成像技術(shù)虛擬實驗的目的、內(nèi)容、要求和實現(xiàn)一般過程。其既可滿足教學(xué)要求，又有一定的設(shè)計分析使用價值。

虛擬實驗;成像技術(shù);計算機仿真;多媒體教學(xué)

Virtual experiment；imaging technology；computer

simulation；multimedia instruction

引言

虛擬實驗是指借助于多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)在計算機上營造可輔助、部分替代甚至全部替代傳統(tǒng)實驗各操作環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件操作環(huán)境，實驗者可以像在真實的環(huán)境中一樣完成各種實驗項目，所取得的實驗效果等價于甚至優(yōu)于在真實環(huán)境中所取得的效果。是近年來在各門科學(xué)領(lǐng)域廣泛開展的一種實驗和研究方法。不僅可以應(yīng)用于實驗教學(xué)，并且也是研究，驗證，以及理論教學(xué)等的一個重要補充。[1][2]

在計算機上完成相關(guān)實驗和教學(xué)有助于在極大降低實驗成本基礎(chǔ)，得到較好的效果。優(yōu)越性體現(xiàn)在：1）直觀性；2）交互性；3）參數(shù)化；4）開放性。學(xué)生進行虛擬實驗，不但有利于對概念進行深入掌握，并且可以培養(yǎng)一定的研究探索能力。[3]

1.醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的虛擬實現(xiàn)

醫(yī)學(xué)成像技術(shù)主要是指運用醫(yī)學(xué)影像的方法，如超聲，X射線，磁共振，或核醫(yī)學(xué)方法，實現(xiàn)對人體內(nèi)部的觀測。相關(guān)課程是醫(yī)學(xué)影像學(xué)專業(yè)，生物醫(yī)學(xué)工程等專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程。醫(yī)學(xué)成像應(yīng)用異常廣泛，其具體過程比較復(fù)雜。這點，我們也可以從醫(yī)學(xué)成像技術(shù)曾獲得過8次以上的諾貝爾獎知道。[4]

醫(yī)學(xué)成像技術(shù)課程設(shè)計知識面極廣，理論較深，概念繁雜。學(xué)生學(xué)習(xí)時難度比較大。學(xué)生在學(xué)習(xí)時，配以一定量的實驗有助于對已有概念，原理的掌握。但是傳統(tǒng)的教學(xué)方法和實驗方法，存在諸多缺點，限制了教學(xué)的效果。如：傳統(tǒng)實驗方法，側(cè)重于對某些成像物理原理，器件或過程的演示，無法展示細致的成像過程；參觀設(shè)備實習(xí)，學(xué)生僅僅可以看到外觀的變化，難以對參數(shù)加以理解；即使學(xué)生有機會參加實訓(xùn)，可以使用操作設(shè)備。但由于設(shè)備的價值較大，且很多功能和成像過程均封裝在軟件中，學(xué)生很難進行詳細領(lǐng)會。

虛擬實驗方法也可以稱為計算機仿真方法近年來逐漸進入各個學(xué)科教學(xué)實驗中。低層次的即類似互動flash。而較高層次的仿真，則是基于系統(tǒng)的觀點，對于成像過程進行定量的求解。好的仿真軟件或者虛擬實驗系統(tǒng)甚至可以用作，成像前的模擬和結(jié)果預(yù)測。實際上就是一個求解器，輸入變量（要測量，通常是二維或三維的）得到預(yù)測結(jié)果，適合醫(yī)學(xué)成像類課程內(nèi)容的演示和模擬。

醫(yī)學(xué)成像過程可以利用仿真的方法進行分析，主要的運用方面包括

（1）成像介質(zhì)的不均勻性

（2）成像物體本身的不均勻性

（3）成像的具體過程流程

（4）相應(yīng)算法的仿真

（5）噪聲及其他的干擾

（6）偽影的形成及演示

（7）圖像后處理或顯示的實現(xiàn)

其中圖像后處理技術(shù)比較獨立且復(fù)雜，已經(jīng)專門發(fā)展出相應(yīng)的較大學(xué)科，所以這里不做深入重點研究。

總體而言，醫(yī)學(xué)成像的過程是一個信號的調(diào)制和解卷的過程，處理的方法主要類似于信號處理類的模擬仿真。當然，實際的成像過程影像影響因素包含有很多的復(fù)雜因素，在仿真時候可以將模型抽象化，簡單化，或針對某一影響來進行定量分析。

如圖1所描述的是對醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)進行系統(tǒng)模擬的示意圖。可以看出，醫(yī)學(xué)成像的過程，其實就是一個信號被人體這個系統(tǒng)調(diào)制的過程，而調(diào)制函數(shù)即反映的是人體的信息，或者我們成像的模式。我們從得到信息出發(fā)，對內(nèi)部結(jié)構(gòu)的圖像顯示或者內(nèi)部參數(shù)的分析，可以理解為一個求解調(diào)制函數(shù)的問題。

從高層次的意義上講，考慮周全，建模準確的虛擬實驗，其本身就是一種設(shè)計的輔助手段，可以用于實際產(chǎn)品的模擬和仿真。如芬蘭赫爾辛基大學(xué)的FIELDII系統(tǒng)，對于超聲探頭的模擬仿真，效果理想?？梢杂糜谏a(chǎn)設(shè)計部門的試制設(shè)計。[5]

圖1 醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的系統(tǒng)圖

2.虛擬實驗的設(shè)計和實現(xiàn)過程

虛擬實驗的設(shè)計，如前文所述，隨實驗的內(nèi)容及難易不同而不同，簡易的虛擬實驗演示，有少數(shù)按鈕或者選擇項進行交互，可以采用flash或dreamwaver等軟件來制作，界面的制作可以采用VisualBasic，JAVA等做設(shè)計，只要求裝載特定的圖片。方法比較簡單，這里不贅述。

就醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的虛擬實驗而言，底層的方法，一般必須采用編程來實現(xiàn)，主要是基于系統(tǒng)的觀點，優(yōu)勢是定量化好，可以改變擬定一些參數(shù)來進行仿真。設(shè)計的步驟和過程可以參看圖2所示。

2.1 任務(wù)分析：對不同成像的輸入輸出進行分析，選擇適當?shù)慕７椒?，將?fù)雜的成像過程進行數(shù)字化，并針對要輸出的結(jié)果進行分析，從而確定虛擬實驗的總體實現(xiàn)過程；輸入的可以改變的量有哪些，哪些是要主要分析，輸出的量是什么，是靜態(tài)還是動態(tài)的，等等。這些內(nèi)容都要詳細設(shè)計。

2.2 工具選擇：包含有兩方面的內(nèi)容。一種是基本的素材庫，繪制必要的圖形或界面，示意圖logo等，可以采用相關(guān)的繪圖工具：AutoCad，Dreamwaver，3DStudio，Pro/E等，圖形格式有2D，3D，動態(tài)等等；另一類工具就是虛擬實驗的開發(fā)工具：VB，VC，Matlab，JAVA（3D），Proteus，virtools等等，具體選擇那種工具，要視乎個人的熟練程度和具體問題的方便性[6]；

圖2 虛擬實驗設(shè)計的步驟和主要內(nèi)容

2.3 主體設(shè)計：針對界面，參量，顯示程序，魯棒性的元素進行設(shè)計，是虛擬實驗的核心部分。對于較高級的虛擬實驗，為具有開放性，交互性。而且本身涉及時頻的變化，求解，需要編程來實現(xiàn)。通常使用matlab或C語言編寫。一些常用的數(shù)字處理，如傅里葉變換，相關(guān)性分析等等，都制作成函數(shù)，隨時進行調(diào)用。共同的處理部分也做成子程序減少計算工作量。高級的顯示結(jié)果有統(tǒng)計參數(shù)圖，動態(tài)圖，矢量圖，云圖等等。好的設(shè)計過程，必然具有多參數(shù)，多種顯示，快速，魯棒性好等等優(yōu)點，使用者使用起來趣味盎然。高級的虛擬實驗，甚至可以用于科學(xué)設(shè)計和產(chǎn)品試制的模擬仿真。

3.實踐效果和展望

虛擬實驗的開展針對以下幾個方面:

3.1 CT成像重建等實驗

3.2 超聲聲場及超聲多普勒成像等實驗

3.3 磁共振的模擬成像實驗

3.4 一些圖像后處理顯示技術(shù)應(yīng)用，這樣，可以充分發(fā)揮虛擬實驗的優(yōu)點，如，(1）價格便宜：只需要用計算機即可完成實驗，避免了實驗設(shè)備較少，多人，多組共用設(shè)備，實驗效果較差的現(xiàn)象；(2）實驗效果直觀，顯示多樣，界面友好，學(xué)生容易接受，不同于傳統(tǒng)實驗得到的是一些簡單數(shù)據(jù)，虛擬實驗一般可以得到成像圖，比較接近整個圖像形成過程；（3）基于成像較底層的實現(xiàn)方法理解，有助于學(xué)生明白成像較細致理論，這些是成品設(shè)備封裝界面不可能達到的優(yōu)點；（4）可調(diào)整參數(shù)較多，實驗具有更大的開放性。學(xué)生可以在理解成像的基礎(chǔ)上，進行一定的實驗設(shè)計，并處理顯示出結(jié)果，在某種程度上講，培養(yǎng)了學(xué)生的思考能力和一定的科學(xué)研究能力。[7][8]

當然，已有較好硬件或者實物使用條件的實驗項目，可以適當減少其虛擬實驗內(nèi)容。影像類實驗設(shè)備的稀缺、價格高昂以及開放性差，注定了虛擬實驗長期存在和不可替代的價值。

[1]陳春朝，趙敏，張亞超等.基于Labview的虛擬實驗平臺設(shè)計[J]，中國現(xiàn)代教育裝備，2009,17,31～34；

[2]王建新，莫秋菊，基于Internet的通信系統(tǒng)虛擬實驗環(huán)境設(shè)計與實現(xiàn)[J]，中南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2006,4，330～335；

[3]方慕真.虛擬技術(shù)在遠程教育中的應(yīng)用探索[J].開放教育研究，2009,8，103～106；

[4]吉強，洪洋.醫(yī)學(xué)影像物理學(xué)[M].北京：人民衛(wèi)生出版社，2010，1～4；

[5]彭虎.超聲成像算法導(dǎo)論[M].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2008，10～30 ；

[6]郭桂蘋，南岳松.虛擬實驗教學(xué)研究現(xiàn)狀和問題分析[J]，實驗室科學(xué)，2010,10,175～178；

[7]汪詩林，吳崇源.開展虛擬實驗系統(tǒng)的研究和應(yīng)用[J].計算機工程與應(yīng)用，2000,2，33～39；

[8]李旭華.虛擬實驗在實踐教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2008,4,98～100；

Application of virtual experience in the teaching of medical imaging serial courses

Qinghua Yang1, Wei Li2,Chao He1

1 Department of Radiology, North Sichuan Medical College, Nanchong6370002 College of Computer Science, China West Normal University, Nanchon；g637000

Virtual experiment (VE) can be used to the description the medical imaging procedure. It have merits of low cost,precise, parameter, open etc. And it can be a good compensation of tradition experiment in learning and teaching. This article provide basic processing of a typical medical imaging VE which can meets the demanding of teaching also with designing application.

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.23.153

川北醫(yī)學(xué)院高教教改項目，編號11-06-074；

楊慶華(1977-)，男，漢族，碩士，講師，從事生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的教學(xué)和科研工作。