柴 娜，彭 銳，徐子良，李 劍，殷繼鵬，鄭敏文

(空軍軍醫(yī)大學(xué)：1.西京醫(yī)院放射科;2.西京消化病醫(yī)院，陜西 西安 710032)

醫(yī)學(xué)影像設(shè)備是醫(yī)療器械最主要技術(shù)含量最高的分支之一，也是醫(yī)學(xué)影像學(xué)專業(yè)及生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的必修課。然而，在實際的醫(yī)學(xué)影像教育教學(xué)過程中，仍存在諸多的限制與不足：醫(yī)學(xué)設(shè)備工作原理抽象，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使得理論教學(xué)枯燥、乏味；醫(yī)療設(shè)備體積較大，理論授課過程中無法隨時進(jìn)行課堂演示，因而難以把抽象的道理形象且通俗易懂地傳授給學(xué)生，致使學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)積極性；CT、MRI等硬件設(shè)備價格以及維修費(fèi)用昂貴，如果要配備種類齊全的實訓(xùn)設(shè)施，其費(fèi)用對于一般的醫(yī)學(xué)院校來說難以承受[1]。因此，在資源有限的情況下，學(xué)生會缺乏親自動手的機(jī)會。這也成了《醫(yī)學(xué)影像設(shè)備學(xué)》這門課程教學(xué)的一個難題。

隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)(Virtual Reality，VR)為解決這一難題帶來契機(jī)。利用VR技術(shù)，我們可以對CT、MRI等醫(yī)療設(shè)備的結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，在計算機(jī)上真實模擬出價格高昂的各類大型醫(yī)學(xué)影像設(shè)備，彌補(bǔ)實驗資源受限等缺陷。同時，VR技術(shù)還可以模擬醫(yī)療設(shè)備的工作環(huán)境，對機(jī)械結(jié)構(gòu)的拆解以及設(shè)備的操作流程進(jìn)行模擬仿真[2]，降低了教學(xué)成本，并豐富了教學(xué)體驗。

根據(jù)《教育部辦公廳關(guān)于2017-2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知》的文件精神，教育部及時把握信息時代高等教育的規(guī)律，全面深化高等教育教學(xué)質(zhì)量，在全國范圍內(nèi)啟動虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)，倡導(dǎo)和鼓勵各高校探索虛擬仿真教學(xué)。在該政策的引導(dǎo)下，虛擬仿真正逐步應(yīng)用于各個領(lǐng)域，并成為各大院校新的研究方向[3-4]。

空軍軍醫(yī)大學(xué)影像醫(yī)學(xué)與核醫(yī)學(xué)教研室，是全軍醫(yī)學(xué)影像中心，我國基層醫(yī)師培訓(xùn)基地和住院醫(yī)師規(guī)范化培訓(xùn)基地，教研室承擔(dān)空軍軍醫(yī)大學(xué)研究生八年制、七年制、五年制臨床，航醫(yī)、心理學(xué)專業(yè)本科生多軌道的醫(yī)學(xué)影像學(xué)理論與實踐教學(xué)。

為促進(jìn)醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)在教學(xué)、管理、科研與臨床中的應(yīng)用，提高學(xué)科核心競爭力，空軍軍醫(yī)大學(xué)西京醫(yī)院放射科醫(yī)工系教研室和醫(yī)學(xué)影像教研室，依托學(xué)校信息化建設(shè)工作和基礎(chǔ)條件，以5G技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合混合虛擬仿真技術(shù)，率先構(gòu)建了《醫(yī)學(xué)影像設(shè)備學(xué)》課程的實踐教學(xué)虛擬操作環(huán)境，通過模擬設(shè)備操作，使學(xué)生在虛擬現(xiàn)實場景內(nèi)，直觀理解設(shè)備結(jié)構(gòu)，理解并掌握課程教學(xué)內(nèi)容。本文將以胸部CT掃描技術(shù)為例，分析虛擬仿真技術(shù)在臨床教學(xué)中的重要性。

1 教學(xué)分析

1.1 教學(xué)內(nèi)容

本次授課內(nèi)容是“醫(yī)學(xué)成像與系統(tǒng)”，該課程是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的必修課，選用的基本教材有我科石明國教授主編的《醫(yī)學(xué)影像設(shè)備學(xué)》，以及牛金海教授主編的《超聲原理及生物醫(yī)學(xué)工程應(yīng)用生物醫(yī)學(xué)超聲學(xué)》。本次比賽節(jié)選的是其中的“胸部CT掃描技術(shù)”部分，共分兩個學(xué)時完成。第一學(xué)時：胸部CT掃描的適應(yīng)征，掃描前的準(zhǔn)備以及掃描技術(shù)。第二學(xué)時：顯示和攝影技術(shù)，胸部正常CT圖像解剖顯示和肺部CT導(dǎo)向穿刺活檢技術(shù)。

1.2 學(xué)情分析

本次授課對象是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科四年級學(xué)員，這部分學(xué)生已完成了前置課程的學(xué)習(xí)，具備了相應(yīng)的基本理論知識，并且經(jīng)過見習(xí)，也具備了主要的實踐技能，系統(tǒng)掌握了相關(guān)專業(yè)知識，正處于從理論向創(chuàng)新實踐轉(zhuǎn)變的階段。

1.3 教學(xué)目標(biāo)

根據(jù)人才培養(yǎng)方案，結(jié)合醫(yī)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)和未來崗位的實際需求，確定了三個維度的教學(xué)目標(biāo)，即知識目標(biāo)：建立醫(yī)學(xué)成像與系統(tǒng)的知識結(jié)構(gòu)和思想[5]，掌握常見醫(yī)療器械的成像原理和簡要構(gòu)造；技能目標(biāo)：引導(dǎo)學(xué)員將所學(xué)基礎(chǔ)知識與實際工作相結(jié)合，并能進(jìn)行簡單操作，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)和解決實際問題的能力；情感目標(biāo)：引導(dǎo)學(xué)員樹立正確的人生觀、價值觀、熱愛國家衛(wèi)生事業(yè)，培養(yǎng)學(xué)員為國家衛(wèi)生事業(yè)服務(wù)的使命感和榮譽(yù)感。

2 教學(xué)設(shè)計

將“以人為本，學(xué)以致用”的教學(xué)理念貫穿始終，引導(dǎo)學(xué)員將理論知識和臨床實踐相結(jié)合，將我們的教學(xué)和學(xué)員的能力認(rèn)證相結(jié)合，把提示學(xué)員的崗位勝任能力作為實踐教學(xué)的終極目標(biāo)。

目前胸部CT的掃描主要以低劑量掃描為主，掃描厚度范圍為1 mm～5 mm，我們在教學(xué)過程中采用啟發(fā)式與病灶對比式相結(jié)合的教學(xué)方法[6]，幫助學(xué)員理解窗寬、窗位設(shè)置方案對肺磨玻璃密度結(jié)節(jié)面積測量的影響(見圖1)，以及掃描層厚對于觀察肺部病灶的影響(見圖2)。如圖1和圖2所示，銳利算法重建及1mm重建對于觀察磨玻璃內(nèi)部細(xì)節(jié)好，能清晰顯示增多增粗的血管，而平滑算法重建及5mm重建對于觀察磨玻璃邊界范圍更好。

2.1 課程評價標(biāo)準(zhǔn)

本課程最終以考試課的形式進(jìn)行考核。分為形成性考核和終結(jié)性考核2部分[7]。形成性考核根據(jù)學(xué)員平時的上課表現(xiàn)，對理論知識的掌握程度，實訓(xùn)操作是否規(guī)范，以及數(shù)據(jù)記錄的分析情況，進(jìn)行評分，占整個課程分值的20%。終結(jié)性考核：在基礎(chǔ)理論授課結(jié)束后采取閉卷考試。占整個課程分值的80%。

圖1 CT影像:銳利算法重建和平滑算法重建

圖2 CT影像:1mm重建和5mm重建

3 虛擬仿真技術(shù)的運(yùn)用

3.1 虛擬仿真技術(shù)背景介紹

虛擬仿真技術(shù)(Virtual Reality，VR)，又稱計算機(jī)仿真，就是用一個系統(tǒng)模仿另一個真實系統(tǒng)的技術(shù)。是指利用計算機(jī)生成三維動態(tài)實景，對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、行為，以及參與系統(tǒng)控制的人的行為和思維過程進(jìn)行動態(tài)及逼真的模擬。VR技術(shù)最早應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，如阿波羅登月計劃、洲際導(dǎo)彈的研制、核電站運(yùn)行等方面[8]。直到20世紀(jì)70年代中期，民用領(lǐng)域才開始出現(xiàn)VR技術(shù)，并且隨著計算機(jī)信息技術(shù)的大規(guī)模發(fā)展，從1980年左右開始，VR技術(shù)才逐漸開始應(yīng)用于人們生產(chǎn)及生活的各個方面，如儀器儀表、虛擬制造、電子產(chǎn)品設(shè)計、仿真訓(xùn)練等[9]。

數(shù)字孿生(Digital Twin, DT)是一種超越現(xiàn)實的概念，可以被視為一個或多個重要的、彼此依賴的現(xiàn)實系統(tǒng)的數(shù)字映射。數(shù)字孿生技術(shù)中的孿生并不是完全一樣的兩個個體，準(zhǔn)確來說，它們是兩個不同的系統(tǒng)，一個是現(xiàn)實世界中的真實系統(tǒng)，而另一個則是計算機(jī)仿真出來的虛擬系統(tǒng)[10]。通過計算機(jī)仿真技術(shù)，這個虛擬系統(tǒng)也能以一種直觀的方式讓我們感知與觸碰。真實的系統(tǒng)由大量不同的模塊構(gòu)成，每個模塊分別實現(xiàn)一個或多個功能，通過模塊之間的相互配合，完成系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。數(shù)字孿生技術(shù)則是通過計算機(jī)對真實系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真，使得虛擬出來的系統(tǒng)無論是在外觀，功能還是實際運(yùn)行方面，均與真實系統(tǒng)相差無幾[11]。

醫(yī)學(xué)影像類專業(yè)的人才培養(yǎng)計劃要求學(xué)生熟悉并掌握各類醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的實踐操作技能。由于經(jīng)費(fèi)和實驗設(shè)施的限制，在傳統(tǒng)的教學(xué)過程中，學(xué)生實踐操作技能的培養(yǎng)多選擇在醫(yī)院進(jìn)行。由于醫(yī)院的醫(yī)療任務(wù)繁重，因此實際留給學(xué)生動手機(jī)會本身就少之又少，這為實際教學(xué)帶來了種種弊端[12-13]。為解決以上痛點(diǎn)問題，可以將VR技術(shù)與數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用到實際教學(xué)過程當(dāng)中，通過計算機(jī)仿真，在三維場景中復(fù)現(xiàn)出《醫(yī)學(xué)影像設(shè)備學(xué)》《醫(yī)學(xué)影像成像理論》《醫(yī)學(xué)影像檢查技術(shù)》《醫(yī)學(xué)影像診斷學(xué)》等專業(yè)課程的相關(guān)理論及實踐教學(xué)內(nèi)容[14]。并通過VR操作訓(xùn)練，讓學(xué)生對醫(yī)院影像中心的布局及設(shè)備功能有真實的體驗理解，同時讓學(xué)員體會實驗的真實感和操作感。

近幾年，全世界頂級大學(xué)紛紛步入虛擬仿真實驗領(lǐng)域，并相繼推出基于PC 、移動設(shè)備或獨(dú)立設(shè)備的虛擬仿真實驗項目和解決方案，從而大大加快了虛擬仿真實驗相關(guān)研究的發(fā)展進(jìn)程。但從總體上看，由于醫(yī)學(xué)的專業(yè)性和特殊性， 醫(yī)學(xué)虛擬仿真項目屈指可數(shù)，而醫(yī)學(xué)影像仿真項目則更少，醫(yī)學(xué)影像教育項目更是少之又少。在醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域， 德國Ruhr大學(xué)的“網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室學(xué)習(xí)系統(tǒng)”，加拿大西安大略大學(xué)醫(yī)療健康學(xué)院的“醫(yī)療3D虛擬現(xiàn)實教學(xué)環(huán)境” 和美國英特哥特生命科學(xué)控股公司開發(fā)的“虛擬現(xiàn)實ICP顱內(nèi)壓檢測探入植入教學(xué)系統(tǒng)” 是醫(yī)學(xué)虛擬仿真教學(xué)的典型案例[14]。而在我國，山東的醫(yī)影智能科技有限公司開發(fā)的醫(yī)療設(shè)備結(jié)構(gòu)虛擬仿真系統(tǒng)可以構(gòu)建出大型設(shè)備仿真模擬機(jī)和設(shè)備間，并能真實再現(xiàn)場地規(guī)劃、機(jī)房設(shè)計、設(shè)備安裝與調(diào)試，模擬真實場景中設(shè)備布局、結(jié)構(gòu)和參數(shù)，使教師在教學(xué)過程中可以實現(xiàn)理論與實踐結(jié)合，加強(qiáng)學(xué)生的認(rèn)知深度。另一款性能檢測虛擬仿真系統(tǒng)則將教材和臨床實驗結(jié)合，可以實現(xiàn)儀器設(shè)備的拆分和組裝以及進(jìn)行實訓(xùn)操作，確保了實驗的沉浸感和互動感，使學(xué)生正確地掌握儀器設(shè)備的操作方法，并支持實驗報告自動導(dǎo)出，為學(xué)生提供個性化學(xué)習(xí)。

3.2 課件展示

本課件實現(xiàn)了醫(yī)工醫(yī)理深度融合，利用VR及數(shù)字孿生等技術(shù)，集醫(yī)學(xué)影像學(xué)成像原理，硬件結(jié)構(gòu)及軟硬件操作于一體，構(gòu)建1∶1的醫(yī)學(xué)影像學(xué)實踐教學(xué)虛擬操作環(huán)境，解決了硬件設(shè)備昂貴、維修難及操作危險等一系列實際教學(xué)中的痛點(diǎn)問題。

通過VR技術(shù)開展虛擬實景教學(xué)，讓學(xué)生直觀理解設(shè)備結(jié)構(gòu)；通過模擬設(shè)備操作，實現(xiàn)學(xué)生在虛擬現(xiàn)實場景內(nèi)“學(xué)中做、做中學(xué)”，愉快地理解和掌握教學(xué)內(nèi)容。

操作步驟顯示：

展示部分以胸部CT常規(guī)掃描技術(shù)為例，學(xué)生通過理論學(xué)習(xí)和現(xiàn)場環(huán)境認(rèn)知后，進(jìn)行實訓(xùn)學(xué)習(xí)，點(diǎn)擊進(jìn)入按鈕，按照提示逐步完成15個操作步驟。課件設(shè)有文字及圖標(biāo)步驟提示，當(dāng)學(xué)生做出錯誤操作時，系統(tǒng)會給出錯誤提示。VR軟件操作系統(tǒng)具有以下功能：

①學(xué)生通過理論學(xué)習(xí)和現(xiàn)場環(huán)境認(rèn)知后，進(jìn)行實訓(xùn)學(xué)習(xí)，點(diǎn)擊進(jìn)入按鈕(見圖3)；

②新建患者信息，體位擺放可以選擇頭先進(jìn)、足先進(jìn)、仰臥位、俯臥位、右側(cè)臥位、左側(cè)臥位(見圖4)；

③可對CT掃描體位擺放方向進(jìn)行各種調(diào)整，以適應(yīng)各種檢查部位(見圖5)；

④可對定位掃描出現(xiàn)掃描部位CT圖像進(jìn)行掃描計劃制定、修改、角度以及范圍調(diào)整(見圖6)；

⑤可以選擇掃描參數(shù)(見圖7)，可以進(jìn)行OM、GB、EM、CM等多種定位線調(diào)整；掃完定位像，選好掃描范圍后，開始掃描(見圖8)；

圖3 虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)入按鈕

圖4 新建患者信息

圖5 對CT掃描體位擺放方向進(jìn)行各種調(diào)整

圖6 對掃描部位CT圖像進(jìn)行掃描計劃制定、修改、角度、范圍調(diào)整

⑥操作系統(tǒng)可以排版各種方案、可對圖像顯示定位線、具備拍片、窗寬、窗位、骨窗、腦窗、肺窗、縱膈窗、圖像處理、發(fā)送等功能(見圖9)。

教研室同期開發(fā)了部分實踐教學(xué)的手機(jī)端APP，解決實訓(xùn)教室設(shè)備不足的問題，也為遠(yuǎn)程教學(xué)提供了基礎(chǔ)。

圖7 選擇掃描參數(shù)

圖8 掃完定位像，選好掃描范圍后，開始掃描

圖9 獲取掃描結(jié)果，操作系統(tǒng)可以排版多種方案，并對圖像進(jìn)行后處理

4 結(jié)語

《醫(yī)學(xué)影像設(shè)備學(xué)》是醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)的核心課程。每個醫(yī)學(xué)影像檢查設(shè)備的工作原理及組成構(gòu)造需要學(xué)生花費(fèi)大量時間去記憶與掌握。而在傳統(tǒng)授課過程中，學(xué)生在規(guī)定的授課時間內(nèi)，很難對這些內(nèi)容進(jìn)行充分的學(xué)習(xí)和觀察。因此，很多該專業(yè)學(xué)生在這門課程的學(xué)習(xí)上存在一定的困難[15]。教學(xué)效果滿意度調(diào)查的結(jié)果顯示，該專業(yè)的多數(shù)學(xué)生對于傳統(tǒng)的教學(xué)方式、方法表示不滿意。存在的主要問題是供學(xué)生實際動手拆卸、觀察的影像檢查設(shè)備數(shù)量少，且實際操作時間短。實驗課考試成績的結(jié)果也顯示了傳統(tǒng)教學(xué)方式的欠佳[16]。

虛擬仿真技術(shù)完美解決了以上教學(xué)難題。為了鼓勵各級各類學(xué)校探索仿真實驗教學(xué)的新理念、新方法及新模式，推動仿真教學(xué)的發(fā)展與應(yīng)用，引導(dǎo)高校加強(qiáng)對仿真教學(xué)創(chuàng)新應(yīng)用人才的培養(yǎng)，創(chuàng)新教學(xué)模式，提高教育質(zhì)量，中國仿真學(xué)會舉辦了全國仿真教學(xué)大賽，為國內(nèi)從事仿真實驗教學(xué)的教師們搭建了一個交流經(jīng)驗和展示成果的平臺。

作為參賽隊伍之一，西京醫(yī)院放射科醫(yī)工系教研室和醫(yī)學(xué)影像教研室的作品《醫(yī)學(xué)成像與系統(tǒng)-胸部CT成像技術(shù)》成功入圍決賽并獲得一等獎，這也是我校首次獲得“全國仿真教學(xué)大賽”一等獎。本課件依托學(xué)校信息化建設(shè)工作和基礎(chǔ)條件，以5G技術(shù)為基礎(chǔ)，將VR技術(shù)與醫(yī)學(xué)影像學(xué)融合，所開展的虛擬實景教學(xué)完美解決了以上教學(xué)痛點(diǎn)和難題，讓學(xué)員具有實驗的真實感、沉浸感、互動感和操作感。促進(jìn)了醫(yī)學(xué)影像技術(shù)在教學(xué)、管理及醫(yī)學(xué)科研中的應(yīng)用，極大提高了學(xué)科核心競爭力。

綜上所述，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于臨床教學(xué)，能夠有效提升《醫(yī)學(xué)影像設(shè)備學(xué)》的教學(xué)效果，減輕教員的教學(xué)工作負(fù)擔(dān)，實現(xiàn)教學(xué)資源的共享，大幅減低院校對醫(yī)療實訓(xùn)設(shè)備的資金投入和教學(xué)成本，是教與學(xué)的雙贏模式。