武杰，王遠(yuǎn)軍

上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院( 上海, 200093）

0 引言

突發(fā)的新冠疫情，使得傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式受到較大的影響，面對面的親自動(dòng)手實(shí)踐操作的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑媾R前所未有的考驗(yàn)，尤其對于嚴(yán)重依賴于大型醫(yī)學(xué)影像設(shè)備類的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，幾乎面臨課程停開的風(fēng)險(xiǎn)。但是，在停課不停學(xué)的原則下，在網(wǎng)上辦公、網(wǎng)上學(xué)習(xí)的新形勢下，醫(yī)學(xué)影像設(shè)備類的實(shí)踐教學(xué)也迫切需要轉(zhuǎn)型到線上線下互動(dòng)的教學(xué)模式。因此，基于互聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)學(xué)影像設(shè)備虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)就顯得格外重要，基于互聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)學(xué)影像設(shè)備虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，可以為新冠疫情下的相應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)搭建一個(gè)基礎(chǔ)平臺，為師生共同學(xué)習(xí)提供一個(gè)教學(xué)互動(dòng)的聯(lián)接紐帶，使得相應(yīng)理論和實(shí)踐的教和學(xué)都能落實(shí)落地，為后續(xù)的長期教學(xué)提供了一個(gè)很好的選擇。

目前應(yīng)用于醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)的虛擬仿真軟件，主要有兩種形式：一是傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)資源庫形式，即集成大量的教學(xué)資料，主要是以PPT 教學(xué)資源、在線測試、動(dòng)畫展示設(shè)備結(jié)構(gòu)等，其仿真實(shí)驗(yàn)儀具有部分交互功能，但此種交互只是通過調(diào)用預(yù)存在服務(wù)器中的臨床影像圖片，所顯示的是最終的結(jié)果，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的展示影像設(shè)備數(shù)據(jù)采集與圖像重建過程；另一種形式是基于數(shù)值仿真技術(shù)，即完全仿真大型影像設(shè)備的整個(gè)圖像產(chǎn)生過程，從最初的原理出發(fā)，每一步的采集過程都是可視化，并可進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，結(jié)合設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)教程，可以潛移默化的將原來晦澀的成像原理以圖像、數(shù)據(jù)等形式展示出來。

1 醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)

開發(fā)的醫(yī)學(xué)影像設(shè)備虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，不是簡單的表象展示，而是本質(zhì)理論的呈現(xiàn)和相關(guān)規(guī)律的復(fù)現(xiàn)，因此，涉及兩方面的核心技術(shù)基礎(chǔ)：一方面是虛擬采集數(shù)據(jù)的生成，從醫(yī)學(xué)影像成像技術(shù)的基礎(chǔ)理論，需要從本質(zhì)上深刻的掌握該理論，要理解成像的本質(zhì)，也就是說完全用數(shù)學(xué)公式來闡述各種圖像信號的產(chǎn)生過程、數(shù)據(jù)采集過程以及圖像重建過程。如在磁共振實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)中首先需要將各種序列實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集和處理過程全部用數(shù)學(xué)公式進(jìn)行表達(dá)，再程序化實(shí)現(xiàn)。

由于醫(yī)學(xué)影像理論復(fù)雜，所涉參數(shù)很多，用數(shù)學(xué)公式來描述全部的成像實(shí)驗(yàn)過程，是該系列仿真實(shí)驗(yàn)儀核心技術(shù)之一；另一方面是樣品模板數(shù)據(jù)庫技術(shù)，模擬的樣品種類多，涉及到普通的油標(biāo)樣、水標(biāo)樣、多空介質(zhì)標(biāo)樣以及人體組織樣品，構(gòu)建數(shù)字人數(shù)據(jù)庫，將人體組織數(shù)字化，而這個(gè)數(shù)據(jù)庫內(nèi)的每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)都還包含著多重信息，基于真實(shí)的數(shù)字人數(shù)據(jù)庫才可以提供接近真實(shí)場景的虛擬成像實(shí)驗(yàn)，還可以生成各種維度的圖譜，供輔助臨床診斷。

開發(fā)出的醫(yī)學(xué)影像設(shè)備虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，所有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以集中在一個(gè)系統(tǒng)界面上展開，如圖1 所示。可支撐硬件實(shí)驗(yàn)儀所有的成像原理實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，也可支撐影像質(zhì)量控制相應(yīng)課程，對影像技術(shù)實(shí)訓(xùn)課程可部分支撐，該系列仿真實(shí)驗(yàn)儀可規(guī)避硬件實(shí)訓(xùn)平臺的不足，可實(shí)現(xiàn)真正的網(wǎng)絡(luò)化、批量化、規(guī)范化的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。

圖1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)界面Fig.1 Interface of virtual simulation experiment system

開發(fā)出的醫(yī)學(xué)影像設(shè)備虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可以模擬真實(shí)臨床大型影像設(shè)備的實(shí)際數(shù)據(jù)采集和圖像重建過程，且整個(gè)過程做到可視化，其數(shù)據(jù)量與真實(shí)設(shè)備數(shù)據(jù)量基本相同；應(yīng)用該仿真實(shí)驗(yàn)儀進(jìn)行實(shí)操實(shí)驗(yàn)教學(xué)無需龐大的硬件配套，可獲得與小型實(shí)驗(yàn)儀和大型臨床影像設(shè)備相似的實(shí)驗(yàn)效果；避免硬件實(shí)驗(yàn)儀的高成本和高條件要求；去除了運(yùn)行成本、電離輻射或者使用條件等的限制，允許學(xué)生自由開放地學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)原理以及參數(shù)對圖像的影響規(guī)律；從本質(zhì)上理解和掌握醫(yī)學(xué)成像原理，為后續(xù)的圖像質(zhì)量控制、維修故障判斷以及設(shè)計(jì)開發(fā)奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

2 針對CT 設(shè)備的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

（1）可分別動(dòng)態(tài)演示第一代和第三代CT 掃描模式的探測器和球管的掃描運(yùn)動(dòng)過程，數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)采集過程即正弦圖獲取，如圖2 所示，濾波反投影過程和最終的重建圖像效果；

（2）扇形束CT 重建中，可選擇使用不同加窗函數(shù)濾波器進(jìn)行反投影重建，觀察重建圖像效果，包括Sinc 窗，矩形窗，三角窗，漢寧窗，漢明窗，切比雪夫窗，布萊克曼窗和高斯窗等?？娠@示加窗濾波器的時(shí)域和頻域波形；

（3）常見偽影等模擬功能：探測器損壞或響應(yīng)不一致、DAS 增益不一致、金屬異物、球管打火等常見偽影等模擬功能；

（4）空間分辨率和密度分辨率測試；

（5）可調(diào)節(jié)層面參數(shù)（層傾斜角度、層位、層數(shù)），采集參數(shù)（旋轉(zhuǎn)角度、步進(jìn)角度）；采集矩陣大小，掃描方向，病人體位，掃描距離，螺旋/常規(guī)掃描等設(shè)置；

（6）樣品模版為數(shù)字人體，可實(shí)現(xiàn)針對數(shù)字人的不同傾斜角度的單幅或多幅CT 數(shù)據(jù)采集和圖像重建效果等。

圖2 仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图捌鋵?yīng)的正弦圖Fig.2 Simulation experimental model and its corresponding sinusoidal diagram

3 總結(jié)

醫(yī)學(xué)影像技術(shù)及其相關(guān)專業(yè)是綜合醫(yī)學(xué)、數(shù)學(xué)、物理以及工程多個(gè)學(xué)科的綜合性專業(yè)，隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與時(shí)代的進(jìn)步，對高素質(zhì)的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)人員的需求越來越明顯，醫(yī)學(xué)影像是當(dāng)前醫(yī)生進(jìn)行診斷的主要依據(jù)，初期診斷90% 來自影像數(shù)據(jù)，高素質(zhì)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)人才可以為臨床提供更加快速與準(zhǔn)確的圖像數(shù)據(jù)，為疾病的早發(fā)現(xiàn)早治療，提供必要的診斷基礎(chǔ)；隨著技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)學(xué)影像設(shè)備越來越集成化、智能化，影像設(shè)備的操作雖然越來越簡單，但對圖像質(zhì)量的控制要求越來越高，這需要操作與維護(hù)人員能夠及時(shí)、準(zhǔn)確判斷影響圖像質(zhì)量的本質(zhì)原因，從而保證設(shè)備的正常運(yùn)行，這顯然需要相關(guān)人才必須對成像原理有深刻理解。

基于網(wǎng)絡(luò)的醫(yī)學(xué)影像設(shè)備類的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，既能解決新冠疫情下的實(shí)踐教學(xué)問題，也為學(xué)生自主學(xué)習(xí)提供一個(gè)支撐環(huán)境，將來必然具有巨大的現(xiàn)實(shí)需求，還有很大的挖掘潛力，還有很多的設(shè)備類型和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，有待于更深入地開發(fā)和完善。