陳冬梅　范姍慧

【摘 要】目前醫(yī)學三維成像技術(shù)在教學實驗中受到教學方式和實驗條件的限制，不能達到預期的效果。筆者基于目前醫(yī)學三維成像的研究基礎，嘗試構(gòu)建醫(yī)學三維虛擬仿真實驗教學平臺，將醫(yī)學圖像重建、圖像處理與分析、醫(yī)療設備儀器中的光電信號檢測等基礎知識融合到該平臺系統(tǒng)中，在低成本和零風險下實現(xiàn)醫(yī)學三維成像的原理、模型等方面的模擬和實驗教學。

【關(guān)鍵詞】醫(yī)學三維成像;虛擬仿真;教學平臺

中圖分類號： K250.6 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）33-0099-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.33.049

0 引言

醫(yī)學三維成像是研究由各種醫(yī)學成像設備獲取的二維圖像或二維數(shù)據(jù)構(gòu)建組織或器官的三維模型，可通過計算機及其他設備繪制并顯示出來。如今，醫(yī)學三維成像已是很多醫(yī)學成像設備中不可或缺的必備功能之一。這不僅是CT、PET等大型醫(yī)療應用得以實現(xiàn)的必要手段，更是達到高效、準確的醫(yī)療檢查和診斷治療的重要措施。在很多專業(yè)課教學中，醫(yī)學三維成像也是需要開展和學習的重要內(nèi)容之一。

然而醫(yī)學三維成像的教學效果受到傳統(tǒng)教學方式和手段的諸多局限。其成像原理較復雜，理論知識抽象枯燥，單純的講授形式不利于學生的學習理解。其成像設備涉及精細的軟硬件構(gòu)造，價格昂貴，部分設備還會發(fā)散高能射線輻射，很難在教學環(huán)境中開展真實實驗[1]。醫(yī)學三維成像仿真模擬能夠利用較低成本實現(xiàn)三維成像的原理、模型等方面的模擬和應用研究，從而進一步拓展醫(yī)學三維成像的發(fā)展和普及，是一種非常重要的研究手段和技術(shù)[2]。

目前醫(yī)學三維成像的仿真模擬主要通過基于MATLAB、C、C++等基礎語言和開發(fā)平臺，從而實現(xiàn)計算機斷層成像、正電子發(fā)射型計算機斷層成像、光學成像等多個模態(tài)中的三維成像模擬，此外，為了研究的便捷和針對性，還開發(fā)了很多專用的仿真工具和軟件，如GATE[3]、MOSE[4]、COMSOL、Zemax等，得到了業(yè)內(nèi)人士的普遍認可和使用。這些軟件入門門檻較高，涉及很多專業(yè)術(shù)語和基礎知識的學習，受到應用領域和使用人群的局限性，不利于醫(yī)學三維成像的教學和學生的理解吸收[5]。

基于這些平臺的專業(yè)性和針對性，如何利用這些軟件平臺和基礎語言，進一步推廣醫(yī)學三維成像的發(fā)展和推廣就是一項重要工作[6]。因此我們基于目前醫(yī)學三維成像的研究基礎，進行了構(gòu)建醫(yī)學三維虛擬仿真實驗教學平臺設計的探索，該平臺在構(gòu)建中涵蓋了醫(yī)學圖像重建、圖像處理與分析、醫(yī)療設備儀器中的光電信號檢測等基礎知識，能夠?qū)崿F(xiàn)低成本和零風險下實現(xiàn)醫(yī)學三維成像的原理、模型等方面的模擬和實驗教學。

1 設計思路

醫(yī)學三維虛擬仿真平臺在設計時，既要考慮成像模態(tài)的專業(yè)性，又要通俗易懂便于教學使用，兼顧教學性和實驗性，因此首先考慮選取幾種典型的成像手段作為切入點，這里選取光學相干斷層成像（OCT），正電子發(fā)射計算機斷層成像（PET）和X射線激發(fā)發(fā)光斷層成像（XLT）三種醫(yī)學成像模態(tài)作為中小型、大型和前沿性的醫(yī)學成像手段的代表，分別模擬高分辨的三維眼科OCT成像系統(tǒng)、PET大型成像設備和高分辨率的窄束XLT成像系統(tǒng)，設計如圖1所示的框架平臺：

根據(jù)上述框架，基本設計內(nèi)容包括：基于GATE的PET三維成像虛擬仿真，基于MATLAB的光學相干斷層成像三維成像虛擬仿真和光學三維成像虛擬仿真?；贕ATE的PET三維成像虛擬仿真包括：PET三維成像過程的虛擬演示，PET三維成像的數(shù)據(jù)校正模擬，PET三維成像的重建模型模擬和仿真與PET三維成像結(jié)果的可視化和結(jié)果分析評估?；贛ATLAB的光學相干斷層成像三維成像虛擬仿真包括：OCT成像過程的虛擬演示，OCT成像過程的數(shù)據(jù)處理，OCT成像結(jié)果的可視化與結(jié)果分析?；贛ATLAB的光學三維成像虛擬仿真包括：光學三維成像過程的虛擬演示，光學三維成像過程的數(shù)據(jù)處理，光學三維成像結(jié)果的可視化與結(jié)果分析。

醫(yī)學三維成像仿真平臺旨在讓使用者了解不同成像手段的基本成像原理;同時在該平臺上開設了部分功能改進與添加的設計性實驗，主要包括： OCT二維圖像濾波、對比度調(diào)節(jié)以及三維成像結(jié)果比較，XLT的射線束產(chǎn)生與三維結(jié)果顯示等，使學生掌握基本的數(shù)據(jù)處理和分析手段。

該平臺主要面向本學院的本科生和研究生，主要針對測量技術(shù)與儀器專業(yè)、生物醫(yī)學工程專業(yè)、醫(yī)學信息工程專業(yè)的學生，輔助臨床醫(yī)學工程這門課程的課外實驗，在不接觸大型設備和系統(tǒng)的條件下，避免了輻射等安全隱患，降低了教學成本，有助于本院學生學習和了解本專業(yè)的應用特色，加深對課堂知識的理解和認識。

2 應用效果分析

2.1 理論實際聯(lián)系緊密

該虛擬仿真平臺可以結(jié)合理論授課過程，通過系統(tǒng)向?qū)W生展示典型醫(yī)學三維成像設備的構(gòu)成、功能、基本工作原理，形象逼真的演示成像過程，達到“百聞不如一見”的效果，從而激發(fā)出學生對設備學的濃厚興趣，喚起對設備的學習熱情。授課過程中，可以把各部分的原理融合成一個整體，讓學生深刻理解醫(yī)療儀器設備中每個部件的作用與聯(lián)系，并通過成像結(jié)果的案例解析透徹掌握醫(yī)學三維成像涉及的原理與方法，加深學生對這一復雜概念的理解。

以PET成像為例，該成像過程中有針對性地開展基于GATE的PET三維成像仿真實驗，創(chuàng)新性的應用GATE軟件建設和模擬特定PET系統(tǒng)，如圖2所示。平臺的使用和改進過程不僅可以充分開發(fā)學生的創(chuàng)造力和學習能力、拓展本學科和專業(yè)的實踐和應用，實現(xiàn)醫(yī)學三維成像技術(shù)的發(fā)展和進步。理論授課結(jié)束后，學生不但很好地掌握了PET等三維成像技術(shù)的原理，通過虛擬平臺還能體會到計算機、數(shù)字電路、信號與系統(tǒng)等各基礎學科之間的聯(lián)系及其在醫(yī)療設備領域的應用。

2.2 實踐互動教學

系統(tǒng)中還設置了實驗設計模塊，通過該模塊，學生在已有的感性認識和理解上，可以開展綜合設計實驗，一方面可以通過實際操作進一步學習三維成像模態(tài)中成像方法與相關(guān)參數(shù)的意義，另一方面可以通過編程和調(diào)試增加學生對相關(guān)知識的學習興趣，鼓勵學生們把所學知識應用到實際中去，不但大大激發(fā)了學生對醫(yī)學影像設備的興趣，而且還提供了一個綜合運用多學科知識的平臺。

以OCT成像為例，學生可以在理解學習OCT成像原理的基礎上，對OCT成像過程中的圖像處理方法以及相關(guān)參數(shù)在進行修改，后臺編寫OCT圖像處理方法并在平臺中可視化顯示處理結(jié)果，如圖3所示不但可以實現(xiàn)實驗教學互動，實現(xiàn)理論與實驗相互滲透，也提供了一個學生實踐學習的機會，進而達到在實踐中領會理論，在理論指導下學會實踐，完成理論和實踐質(zhì)的飛躍。

2.3 低成本、零風險

不論是大型PET設備，抑或光學三維成像，其設備成本和系統(tǒng)造價均較高，更不要提潛在的射線對人體的危害和輻射。本醫(yī)學三維成像仿真實驗項目僅需要特定的仿真平臺軟件和計算機等數(shù)據(jù)處理設備就能夠完成醫(yī)學三維成像研究，不僅設備成本大大降低，更避免了該實驗教學研究體系中潛在的傷害和風險。在進行XLT成像模態(tài)講解中，可以通過圖4所示的環(huán)節(jié)，動態(tài)演示X射線的變化過程以及輸出圖像的直觀展示。一方面降低了對實驗設備數(shù)量的要求，通關(guān)過平臺演示有感性認識，又降低了教學實驗（下轉(zhuǎn)第41頁）（上接第100頁）環(huán)節(jié)的輻射傷害和操作風險以及設備維修和升級費用。

3 結(jié)論

該平臺的設計開發(fā)不僅有利于課堂知識和前沿學科的拓展，也有助于推廣目前以來器械企業(yè)和科研機構(gòu)的宣傳。實踐證明，本文設計開發(fā)的虛擬仿真系統(tǒng)教學中效果良好，完全可以推廣到其他種類醫(yī)學影像設備的教學中。

【參考文獻】

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