于毅 楊楠 任瓊瓊 李振新 林俊堂

摘要：醫(yī)學(xué)影像平臺(tái)利用醫(yī)學(xué)影像虛擬技術(shù)來創(chuàng)建X射線成像、核磁共振成像、超聲波成像系統(tǒng)，解決了影像設(shè)備耗資太大，涉及輻射與防護(hù)等問題。該平臺(tái)共現(xiàn)已開設(shè)17項(xiàng)實(shí)驗(yàn)課程，目的是培養(yǎng)學(xué)生的影像設(shè)備操作和平臺(tái)使用能力， 通過3D模擬的手術(shù)動(dòng)態(tài)過程指導(dǎo)臨床教學(xué)醫(yī)療訓(xùn)練和手術(shù)規(guī)劃，目前已得到廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;醫(yī)學(xué)影像;X射線;核磁共振;3D模擬

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）12-0193-01

0 引言

醫(yī)學(xué)影像虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)根據(jù)“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛”的原則，構(gòu)建了以真實(shí)實(shí)驗(yàn)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)融合、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)融合為主要特色的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)施了多專業(yè)多個(gè)課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?，F(xiàn)實(shí)操作中不可避免遇到實(shí)驗(yàn)無法或難以進(jìn)行的情況，這些實(shí)驗(yàn)總體歸結(jié)起來體現(xiàn)在：高危險(xiǎn)性、高消耗性、極端環(huán)境需求性、不可逆轉(zhuǎn)性、不可替代性、高成本性，給學(xué)生的直觀理解度和教師教學(xué)的效果帶來困難，而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫和仿真軟件等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在日益發(fā)展的當(dāng)代大學(xué)教育中運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)是專業(yè)廣度、寬度、針對(duì)性發(fā)展的必然趨勢(shì)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

醫(yī)學(xué)影像是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，與其相關(guān)的規(guī)律現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)無不依賴實(shí)驗(yàn)。醫(yī)學(xué)影像實(shí)驗(yàn)課程在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素質(zhì)、創(chuàng)新能力以及研究能力方面起著非常重要的作用。但由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備耗資太大，涉及輻射與防護(hù)等等原因，阻礙了醫(yī)學(xué)影像實(shí)驗(yàn)的開展。在這背景下，醫(yī)學(xué)影像仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)運(yùn)而生，它可彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)方面的缺陷。醫(yī)學(xué)影像仿真實(shí)驗(yàn)主要是借助于計(jì)算機(jī)編程來營造一種仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境氛圍，包括X射線影像、磁共振影像、核醫(yī)學(xué)影像、超聲波影像和紅外線成像。本研究擬構(gòu)建如圖1的醫(yī)學(xué)影像平臺(tái)模塊。

1.1 X線機(jī)模塊

X線機(jī)模塊利用計(jì)算機(jī)軟件等設(shè)備來虛擬X線機(jī)的工作站，無需X線產(chǎn)生及成像的相關(guān)設(shè)備，對(duì)其數(shù)字化的醫(yī)學(xué)影像進(jìn)行仿真和后處理。開設(shè)圖像灰度變換、數(shù)字減影技術(shù)、窗口技術(shù)、圖像重建、后處理技術(shù)等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。

1.2 磁共振模塊

磁共振模塊利用計(jì)算機(jī)、虛擬軟件等設(shè)備來虛擬仿真磁共振內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本工作原理、磁共振成像和后處理。通過虛擬仿真的學(xué)習(xí)深刻了解磁共振內(nèi)部模塊的工作原理，如梯度磁場(chǎng)的調(diào)節(jié)和測(cè)量、連續(xù)譜磁共振、自旋回波法測(cè)量橫向弛豫時(shí)間、反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列測(cè)縱向弛豫時(shí)間。

1.3 醫(yī)學(xué)超聲模塊

醫(yī)學(xué)超聲模塊包括A、B型基本超聲類型成像原理虛擬仿真，人體部位B超影像成像。該模塊的目的是通過虛擬仿真A、B超來訓(xùn)練對(duì)超聲的使用，掌握A、B超的工作原理。通過對(duì)人體部位B超成像，提高對(duì)設(shè)備操作的規(guī)范性和流程性。

2 結(jié)果分析（以梯度磁場(chǎng)的調(diào)節(jié)與測(cè)量為例）

2.1 項(xiàng)目功能

通過本仿真實(shí)驗(yàn)可了解載流線圈與亥姆霍茲線圈磁場(chǎng)分布特點(diǎn)，掌握弱磁場(chǎng)的測(cè)量方法，證明磁場(chǎng)的疊加原理，設(shè)計(jì)梯度磁場(chǎng)。

2.2 項(xiàng)目流程

（1）點(diǎn)擊主界面上的仿真按鈕進(jìn)入實(shí)驗(yàn)，點(diǎn)擊仿真按鈕進(jìn)入實(shí)驗(yàn)主界面，選擇電流方向，選反向，進(jìn)行梯度實(shí)驗(yàn)測(cè)量，選同向，進(jìn)行亥姆霍茲線圈磁場(chǎng)測(cè)量。（2）亥姆霍茲線圈軸線上各點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量。將線圈A與線圈B之間間距調(diào)節(jié)到與線圈半徑相等，即d=R=10cm，選擇兩線圈通同樣方向電流，電流為I=400mA時(shí)，左右移動(dòng)毫特計(jì)探頭（藍(lán)色方塊），測(cè)軸線上各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度值B。（3）梯度磁場(chǎng)的設(shè)計(jì)。使兩線圈間距為d=R=10cm，選擇兩線圈中的電流方向相反，電流為I=400mA時(shí)，左右移動(dòng)毫特計(jì)探頭（藍(lán)色方塊），測(cè)量軸線上各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度值B值。

2.3 項(xiàng)目效果

與真實(shí)實(shí)驗(yàn)比較，該仿真軟件操作簡(jiǎn)便，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠，能夠加深學(xué)生對(duì)梯度磁場(chǎng)及亥姆霍茲線圈磁場(chǎng)的理解，便于推廣。

3 結(jié)語

醫(yī)學(xué)影像儀器的高成本會(huì)限制實(shí)驗(yàn)的可持續(xù)發(fā)展，但若實(shí)驗(yàn)不涉及這部分內(nèi)容，會(huì)遠(yuǎn)離前沿研究，使學(xué)生與社會(huì)需求，醫(yī)院要求相背離。新的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)從多種來源抽取圖像和數(shù)據(jù)，能夠極大地提高患者治療的效果。在臨床上試驗(yàn)中，虛擬現(xiàn)實(shí)模擬的手術(shù)規(guī)劃時(shí)間節(jié)省了40%且手術(shù)準(zhǔn)確性增加了10%。

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Exploration on the Construction of Medical Image Virtual Simulation

Experimental Platform

YU Yi， YANG Nan， REN Qiong-qiong， LI Zhen-xin， LIN Jun-tang

（College of Biomedical Engineering， Xinxiang Medical University，Xinxiang Henan 453003）

Abstract：Medical imaging platform uses medical imaging virtual technology to create X-ray imaging， nuclear magnetic resonance imaging， ultrasonic imaging system， which solves the problem of too much cost of imaging equipment， involving radiation and protection. The platform has set up 17 experimental courses， aiming at cultivating students' ability to operate imaging equipment and use the platform. It guides clinical teaching， medical training and surgical planning through the dynamic process of 3D simulation， and has been widely used.

Key words：virtual simulation;medical image;X-ray;nuclear magnetic resonance;3D simulation