董芳芬，江柳清，鄭芬，郭嵐晏，宋文芳，黃妙云，吳一旻，徐本華,1b,1c,，李小波,1b,1c,,3

1. 福建醫(yī)科大學(xué) a. 醫(yī)學(xué)技術(shù)與工程學(xué)院；b. 臨床醫(yī)學(xué)部影像學(xué)系；c. 腫瘤中心，福建 福州 350122；2. 福建醫(yī)科大學(xué)附屬協(xié)和醫(yī)院 放療科，福建 福州 350001；3. 清華大學(xué) 工程物理系，北京 100084

引言

圖像引導(dǎo)放射治療[1]是通過(guò)在放療前利用加速器自帶的圖像采集系統(tǒng)進(jìn)行圖像采集后與治療計(jì)劃圖像配準(zhǔn)達(dá)到治療精度范圍再實(shí)施治療的方式，目的是為了克服因治療擺位和腫瘤位置移動(dòng)造成的誤差，實(shí)現(xiàn)盡可能的精準(zhǔn)照射腫瘤的同時(shí)降低周?chē)＝M織的損傷。因此，圖像引導(dǎo)放療誤差的分析是保證治療效果的重要環(huán)節(jié)，也是每一個(gè)放射治療師必須掌握的工作重點(diǎn)和難點(diǎn)，但實(shí)際工作中對(duì)這類(lèi)技能的指導(dǎo)、培訓(xùn)和提升存在困難[2]。VR技術(shù)是一種利用新興計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合多媒體和仿真技術(shù)營(yíng)造出集視、觸、嗅、聽(tīng)等為一體的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，讓用戶(hù)可以身臨其境并與之交互[3]。近年來(lái)國(guó)內(nèi)虛擬仿真技術(shù)與各行各業(yè)尤其是醫(yī)學(xué)、教育等領(lǐng)域的融合日漸普及，信息技術(shù)、智能技術(shù)與教學(xué)培訓(xùn)的融合能進(jìn)一步的解決傳統(tǒng)教學(xué)培訓(xùn)“做不到、做不好、做不了、做不上”的困難[4]。

有研究報(bào)道，VR技術(shù)在醫(yī)學(xué)生理、胃鏡仿真系統(tǒng)、臨床解剖仿真系統(tǒng)等的科研、培訓(xùn)及教育方面具有優(yōu)異性能[5-8]，而在醫(yī)學(xué)影像專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域中，VR的應(yīng)用也十分廣泛[9-11]。國(guó)外部分學(xué)者研究表明，對(duì)醫(yī)學(xué)影像相關(guān)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生進(jìn)行動(dòng)態(tài)交互和反饋虛擬現(xiàn)實(shí)仿真，有利于提高學(xué)生在臨床和技能實(shí)踐方面的能力[12]。在放射治療技術(shù)領(lǐng)域，前期的研究也表明VR技術(shù)與放療技術(shù)的人才培養(yǎng)相結(jié)合，進(jìn)行線上及線下課程的理論和實(shí)踐教學(xué)，具有高效便捷的優(yōu)點(diǎn)，值得大力推廣[13]。本文基于圖像引導(dǎo)放療誤差分析的重要性和現(xiàn)有放射治療專(zhuān)業(yè)學(xué)生和工作人員見(jiàn)習(xí)、實(shí)習(xí)、培訓(xùn)困難的問(wèn)題，探討利用VR技術(shù)開(kāi)發(fā)線上教學(xué)培訓(xùn)考核系統(tǒng)的必要性、可行性及應(yīng)用價(jià)值，以期能提升使用者對(duì)放射治療圖像引導(dǎo)放療誤差分析的能力，進(jìn)一步提高放療的精準(zhǔn)性。

1 材料與方法

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)針對(duì)圖像引導(dǎo)放療誤差分析中關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)以及國(guó)家放療質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行腳本設(shè)計(jì)，分為教學(xué)模式和考核模式，內(nèi)容主要包括：① 放射治療體位驗(yàn)證過(guò)程中擺位注意點(diǎn)；② 圖像獲取方式的選擇；③ 圖像質(zhì)量影響因素；④ 圖像配準(zhǔn)誤差分析；⑤ 精準(zhǔn)放射治療的實(shí)施等模塊。系統(tǒng)分為應(yīng)用構(gòu)架和平臺(tái)構(gòu)架，詳見(jiàn)圖1。應(yīng)用架構(gòu)包括應(yīng)用層及通用層，應(yīng)用層包括建模和可視化，用于場(chǎng)景和人物構(gòu)建并可視化輸出虛擬設(shè)備和虛擬環(huán)境；通用層涵括理論知識(shí)學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理、試驗(yàn)資源管理、教學(xué)互動(dòng)交流、智能糾錯(cuò)指導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果批改、實(shí)驗(yàn)報(bào)告管理和教學(xué)效果評(píng)估。平臺(tái)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層、支撐層和數(shù)據(jù)層，采取線上模式，引入三維建模、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)手段，堅(jiān)持能實(shí)不虛的原則，建設(shè)圖像引導(dǎo)放療誤差分析優(yōu)質(zhì)數(shù)字資源和共建共享環(huán)境。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)架圖

1.2 教學(xué)模式

教學(xué)模式以“教”為主，重在對(duì)學(xué)生思維的引導(dǎo)，利用計(jì)算機(jī)屏幕畫(huà)面展示虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，開(kāi)發(fā)過(guò)程首先進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容分析與設(shè)計(jì)（圖2a），進(jìn)一步對(duì)課程素材收集分類(lèi)，通過(guò)3D Studio Max或cinema 4D構(gòu)建三種圖像獲取設(shè)備、直線加速器、治療床、醫(yī)生、患者等三維模型，形成FBX文件；利用Photoshop制備答題頁(yè)面、知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)頁(yè)面、設(shè)備成像等二維圖形圖像，形成PSD/PNG文件；采用Adobe Audition處理預(yù)設(shè)的遠(yuǎn)程會(huì)診討論、系統(tǒng)提示等音頻文件，形成MP3文件。將三類(lèi)文件導(dǎo)入unity 3D工程文件進(jìn)行三維場(chǎng)景建造和圖形用戶(hù)界面的編制，進(jìn)一步的利用C#、JavaScript語(yǔ)言編寫(xiě)交互功能腳本，最后導(dǎo)出apk可執(zhí)行文件，實(shí)現(xiàn)利用VR技術(shù)實(shí)現(xiàn)教學(xué)模式中虛擬人物及場(chǎng)景設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程會(huì)診動(dòng)畫(huà)、體位校正判斷觸發(fā)、圖像配準(zhǔn)及誤差分析等關(guān)鍵教學(xué)內(nèi)容。

圖2 教學(xué)模式及考核模式實(shí)現(xiàn)內(nèi)容邏輯圖

1.3 考核模式

考核模式重在對(duì)學(xué)習(xí)模式學(xué)習(xí)效果的檢測(cè)，VR技術(shù)結(jié)合考核模式的建設(shè)方法技術(shù)類(lèi)似教學(xué)模式，但不設(shè)計(jì)知識(shí)點(diǎn)提示，需使用者根據(jù)所學(xué)知識(shí)自己做出判斷進(jìn)行選擇（圖2b）?？己祟}庫(kù)建立及答案識(shí)別方法：系統(tǒng)通過(guò)預(yù)留題庫(kù)，包括選擇題和填空題，涉及圖像引導(dǎo)過(guò)程中容易出錯(cuò)和遺漏的知識(shí)點(diǎn)。選擇題利用題庫(kù)錄入和答案實(shí)時(shí)判斷的方法，當(dāng)輸入答案，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)判斷對(duì)錯(cuò)并在評(píng)分系統(tǒng)上記錄得分。填空題采用在空格填入文字，通過(guò)判斷文字是否與預(yù)留文字統(tǒng)一進(jìn)行條件語(yǔ)句輸出正確答案，并在評(píng)分系統(tǒng)記錄得分。

1.4 系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法

系統(tǒng)測(cè)試評(píng)價(jià)方法包括內(nèi)部測(cè)試、互聯(lián)網(wǎng)測(cè)試和問(wèn)卷調(diào)查。

1.4.1 內(nèi)部測(cè)試

由開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)及小范圍專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域?qū)＜覝y(cè)試，具體流程包括下載安裝包、本地安裝、啟動(dòng)軟件、輸入預(yù)留賬號(hào)密碼。

1.4.2 互聯(lián)網(wǎng)測(cè)試

借助VR實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)——實(shí)驗(yàn)空間進(jìn)行面向全國(guó)的正式投入前測(cè)試反饋，具體流程包括電腦端進(jìn)入實(shí)驗(yàn)空間網(wǎng)站、點(diǎn)擊網(wǎng)站右上角注冊(cè)入口、填寫(xiě)手機(jī)號(hào)碼等信息完成注冊(cè)并登錄、登錄后在首頁(yè)點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)中心、點(diǎn)擊專(zhuān)業(yè)大類(lèi)中的醫(yī)學(xué)技術(shù)類(lèi)、輸入關(guān)鍵詞“精準(zhǔn)放射治療誤差分析”找到本研究項(xiàng)目、點(diǎn)擊“我要做實(shí)驗(yàn)”按照提示進(jìn)行操作，即可開(kāi)始實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試，并且可以在評(píng)價(jià)處反饋測(cè)試意見(jiàn)，項(xiàng)目運(yùn)行后臺(tái)也能獲取每位測(cè)試者的測(cè)試情況，根據(jù)測(cè)試結(jié)果和出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行完善。

1.4.3 問(wèn)卷調(diào)查

經(jīng)過(guò)平臺(tái)研發(fā)小組和部分放射治療技術(shù)專(zhuān)業(yè)老師及學(xué)生討論擬定問(wèn)卷內(nèi)容，采用問(wèn)卷星制作問(wèn)卷，通過(guò)微信鏈接針對(duì)前期測(cè)試過(guò)該平臺(tái)的福建醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)本科生及福建醫(yī)科大學(xué)附屬協(xié)和醫(yī)院放療科放射治療物理技術(shù)人員進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查。調(diào)查前先向受調(diào)查者說(shuō)明本研究的目的，并要求受調(diào)查者如實(shí)回答、獨(dú)立完成，問(wèn)卷結(jié)束后利用問(wèn)卷星數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行描述性分析。

2 結(jié)果

2.1 整體完成情況

依照實(shí)驗(yàn)內(nèi)容邏輯設(shè)計(jì)流程和框架，結(jié)合VR技術(shù)手段，基本完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、測(cè)試及完善。其中，實(shí)驗(yàn)儀器選擇頁(yè)面采用實(shí)際圖片展示形式（圖3a）；具體實(shí)驗(yàn)空間采用unity 3D構(gòu)建VR場(chǎng)景模型（圖3b）；實(shí)驗(yàn)操作界面采用全仿真UI設(shè)計(jì)界面（圖3c）；知識(shí)點(diǎn)模塊采用點(diǎn)擊出現(xiàn)方式；答題考核采用預(yù)設(shè)題庫(kù)，自動(dòng)判斷答案并用不同顏色文字給出判斷結(jié)果（圖3d），軟件采用C#語(yǔ)言和vs2017編譯器進(jìn)行編程。系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境要求CPU 16核、內(nèi)存32 GB、磁盤(pán)4096 GB、GPU型號(hào)為板載，操作系統(tǒng)為Windows Server，數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)使用SQL Server。系統(tǒng)品質(zhì)單場(chǎng)景模型總面數(shù)大于100000、貼圖分辨率大于2048×2048、每幀渲染次數(shù)大于100、動(dòng)作反饋時(shí)間小于5 ms、顯示刷新率大于60 fps，分辨率大于1920×1080。

圖3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果舉例

2.2 教學(xué)模式

① 設(shè)置菜單欄、學(xué)習(xí)欄、提示欄；② 由5G遠(yuǎn)程指導(dǎo)案例導(dǎo)入到選擇正確體架，利用判斷程序，選擇正確進(jìn)入下一步，選擇錯(cuò)誤給出提示后繼續(xù)選擇達(dá)到學(xué)習(xí)效果；③ 糾正患者體位：參考定位時(shí)體位，利用點(diǎn)擊觸發(fā)系統(tǒng)判斷程序，選出所有不正確體位進(jìn)入下一步，選擇不完全繼續(xù)選擇；④ 校對(duì)患者X、Y、Z治療中心位置，利用虛擬激光燈，將虛擬治療激光燈照射的位置與虛擬患者身上定位時(shí)的標(biāo)記重合，三個(gè)方向均重合進(jìn)入下一步，否則繼續(xù)對(duì)位；⑤ 圖像獲取方式選擇：此為該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目核心內(nèi)容，分別有EPID、IGPS、CBCT三種方式，根據(jù)實(shí)驗(yàn)者的選擇進(jìn)入不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)M流程；⑥ 選擇不同的圖像獲取方式后再根據(jù)實(shí)際操作界面設(shè)計(jì)的虛擬UI界面進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，圖像配準(zhǔn)采用系統(tǒng)提前設(shè)置的中心點(diǎn)，會(huì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)者不同的配準(zhǔn)結(jié)果給出配準(zhǔn)數(shù)據(jù)并讓實(shí)驗(yàn)者判斷是否實(shí)施治療，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)不同的匹配結(jié)果和選擇出現(xiàn)虛擬治療動(dòng)畫(huà)，將看不見(jiàn)的腫瘤和看不見(jiàn)的射線虛擬出來(lái)，直觀地展示給實(shí)驗(yàn)者，突出VR教學(xué)的優(yōu)勢(shì)。

2.3 考核模式

考核模式針對(duì)學(xué)習(xí)模式的知識(shí)點(diǎn)隱藏相關(guān)提示并增加考核點(diǎn)設(shè)計(jì)，考核形式包括填空題、邏輯題、二維三維圖像配準(zhǔn)題等，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)預(yù)留題庫(kù)和答題情況實(shí)時(shí)判斷并給出正確答案，但考核題目只能完成一次，不能重復(fù)完成。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目最終結(jié)果以實(shí)驗(yàn)報(bào)告形式展示（圖3e）。實(shí)驗(yàn)包括總成績(jī)和教學(xué)模式及考核模式下各模塊的成績(jī)，系統(tǒng)還根據(jù)實(shí)驗(yàn)者不同的成績(jī)分類(lèi)給出相應(yīng)的學(xué)習(xí)指導(dǎo)，讓實(shí)驗(yàn)者可以根據(jù)自己的情況加強(qiáng)薄弱點(diǎn)、鞏固掌握點(diǎn)并根據(jù)需求多次重復(fù)練習(xí)。

2.4 系統(tǒng)評(píng)價(jià)結(jié)果

內(nèi)部測(cè)試結(jié)果以修改建議反饋到具體平臺(tái)修改形式展示，互聯(lián)網(wǎng)測(cè)試結(jié)果根據(jù)實(shí)驗(yàn)空間系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)顯示。從2019年11月上線截至2020年7月，實(shí)驗(yàn)瀏覽量為14985人次，實(shí)驗(yàn)測(cè)試人數(shù)489人次，實(shí)驗(yàn)通過(guò)率為86.7%（圖3f）。實(shí)驗(yàn)應(yīng)用價(jià)值問(wèn)卷結(jié)果：發(fā)放問(wèn)卷84份，回收有效問(wèn)卷84份。其中學(xué)生52人（61.9%）、老師3人（3.57%）、放療相關(guān)工作人員29人（34.52%），男性36人（42.86%）、女性48人（57.14%）。84人中，60人（71.43%）為第一次接觸放射治療相關(guān)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，其他具體問(wèn)題統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示。

圖4 問(wèn)卷結(jié)果統(tǒng)計(jì)

3 討論

隨著精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的發(fā)展[14]，精準(zhǔn)放射治療也逐漸受到重視，圖像引導(dǎo)誤差分析是精準(zhǔn)放療中的重要環(huán)節(jié)[15]，主要是由放射治療技師承擔(dān)相關(guān)工作，但現(xiàn)有的放射治療技師教學(xué)培訓(xùn)模式欠佳，教學(xué)培訓(xùn)效果不良[16]，導(dǎo)致相關(guān)放射治療技師知識(shí)基礎(chǔ)不牢固、實(shí)踐操作能力較差等問(wèn)題，不能緊跟精準(zhǔn)放射治療的發(fā)展。本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目基于此背景，結(jié)合圖像引導(dǎo)放療誤差分析對(duì)精準(zhǔn)放療的重要性，以及放射治療師和相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的實(shí)際需求而設(shè)計(jì)。

通過(guò)對(duì)圖像引導(dǎo)誤差分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，搭建了具有教學(xué)模式和考核模式的教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)，搭建過(guò)程中以三種圖像驗(yàn)證方式為核心注重知識(shí)點(diǎn)的教與考。系統(tǒng)搭建后進(jìn)行內(nèi)部測(cè)試后對(duì)界面和評(píng)價(jià)系統(tǒng)進(jìn)行完善，進(jìn)一步通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)反饋系統(tǒng)的使用情況和教學(xué)成果，上線半年來(lái)瀏覽量達(dá)到14985人次，實(shí)驗(yàn)人數(shù)489人次，實(shí)驗(yàn)通過(guò)率達(dá)到86.7%，表明該系統(tǒng)的教學(xué)效果良好，大部分使用者能達(dá)到教學(xué)的要求，掌握相應(yīng)的知識(shí)和操作技能。為了更深入驗(yàn)證系統(tǒng)的使用價(jià)值，針對(duì)試點(diǎn)學(xué)校和醫(yī)院設(shè)計(jì)相應(yīng)調(diào)查問(wèn)卷。在收回的84份有效問(wèn)卷中，90%以上的人認(rèn)為該系統(tǒng)是有必要并且有幫助的，進(jìn)一步證明系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的必要性和應(yīng)用價(jià)值。在針對(duì)虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)上，可以隨時(shí)隨地進(jìn)行學(xué)習(xí)、可以操作到平時(shí)因?yàn)槲ｋU(xiǎn)性高而缺少練習(xí)的技能以及情景真實(shí)有趣能夠激發(fā)學(xué)習(xí)興趣三個(gè)方面選擇最多，這也是虛擬仿真的突出優(yōu)勢(shì)。此外虛擬仿真和放射治療技術(shù)人才的培養(yǎng)和培訓(xùn)相結(jié)合，還能減少學(xué)校和教學(xué)醫(yī)院的臨床教學(xué)壓力以及減少不必要的醫(yī)患矛盾等問(wèn)題，有利于學(xué)生自主探究學(xué)習(xí)和培養(yǎng)“三創(chuàng)”精神。

自新冠肺炎疫情暴發(fā)以來(lái)[17]，疫情逐步得到緩解，但還未被完全控制，線下培訓(xùn)指導(dǎo)存在風(fēng)險(xiǎn)且傳統(tǒng)指導(dǎo)方式不能很好的滿(mǎn)足實(shí)際需求，線上教學(xué)和培訓(xùn)系統(tǒng)的開(kāi)展有利于高校和醫(yī)院人才的培養(yǎng)[18-20]。將來(lái)的教學(xué)和培訓(xùn)模式也會(huì)逐漸朝著傳統(tǒng)課程和虛擬仿真平臺(tái)結(jié)合或逐步過(guò)渡的形式發(fā)展，新醫(yī)科下的人才少不了新的信息技術(shù)的應(yīng)用。

4 結(jié)論

總之，對(duì)將來(lái)或者剛進(jìn)入放射治療崗位的本科生或者技師來(lái)說(shuō)，利用VR教學(xué)實(shí)驗(yàn)具有必要性和應(yīng)用價(jià)值，未來(lái)將對(duì)實(shí)驗(yàn)的互動(dòng)性、實(shí)驗(yàn)種類(lèi)和系統(tǒng)更新計(jì)劃做進(jìn)一步的完善和改進(jìn)，讓系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展和共享性，為廣大師生和放療工作人員服務(wù)，提高整體精準(zhǔn)放射治療水平。