醫學影像診斷學自主學習系統的設計與實踐

(徐州醫科大學 醫學信息學院，江蘇 徐州 221004)

0 引言

醫學影像診斷學是臨床醫學的重要分支學科，隨著醫學影像技術的進步，其在疾病的診療過程中發揮越來越重要的作用。在以往的醫學影像學教學實踐中，多采用以書本為中心的教學模式，形式死板難以激發學生的學習興趣。醫學影像診斷學是一門實踐性比較強的學科，需要接觸大量的臨床病例進行鞏固學習，然而學生臨床見習時間比較少，見習時學生比較多，大多走馬觀花，實踐教學效果不夠理想[1-3]。

隨著計算機科學與醫療設備的迅猛發展,數字化圖像技術與現代通訊及計算機技術相結合,形成了PACS(Picture Archiving and Communication System,影像存儲及傳輸系統)。利用計算機對醫學圖像進行采集、存儲、管理、處理及傳輸，使得圖像資料得以有效管理和充分利用。在更好地為臨床醫療服務的同時，也為醫學影像診斷學教學提供了更先進的手段，使醫學影像診斷學教學在原有的基礎上又提高了一個層次。以學校附屬醫院PACS服務器為基礎，邀請醫學影像學診斷專家對海量病歷資源進行整合歸類，建立以系統和病歷為主線的醫學影像診斷學教學新模式。

通過設計醫學影像診斷學自主學習系統，學生可直接通過瀏覽器訪問，獲取海量的病人影像資料，并能夠對圖像進行處理和標注，操作快捷方便。同時教師則可從大量繁雜的重復性工作中“解放"出來，全力注重于教學內容、技巧和教學質量的探討與改革[4-5]。醫學影像診斷學自主學習系統有利于學生課外自習和復習，通過計算機網絡，學生可以在電子閱覽室和多媒體教室等地自主學習，可以在任何時間對沒有掌握的內容反復學練。醫學影像診斷學自主學習系統采用云端存儲，將影像資料和學習記錄存儲在云端，既保證了數據的安全也做到了隨到隨用，在任何一臺計算機上只要登錄自己的賬號就能查看自己的所有學習記錄。

1 系統結構及原理

系統采用PHP語言進行編寫，部署在Linux服務器上。為了提高服務器的訪問速度，增強學生在線學習的體驗，研究設計了一種單用戶獨占服務器的方案。這就需要較多的服務器資源，傳統的物理服務器不僅占用空間，而且資源得不到合理的優化，浪費了人力物力[6-7]。為了解決這個問題，服務器端采用VMware vSphere虛擬化解決方案。VMware vSphere 是業界領先且最可靠的虛擬化平臺。vSphere將應用程序和操作系統從底層硬件分離出來，從而簡化了IT操作。vSphere利用虛擬化在較少的服務器上運行多種工作負載，使難以管理的服務器數量劇增現象得到控制，減少對物理服務器的需求，降低數據中心的運營成本[8-9]。

如圖1所示，服務器端以vSphere為基礎進行搭建，包括平臺層、系統層和應用層。平臺層包括三臺物理服務器，每臺服務器上安裝ESXi系統，通過虛擬化每臺物理服務器可將其劃分為多個虛擬服務器，將虛擬服務器的內網端口映射到物理服務器的外網端口，即可通過外網訪問虛擬服務器。系統層主要包括原型機和執行機，原型機負責存儲系統的影像教學資源、試題資源，專家利用醫院PACS中的海量影像資料，以系統和病歷為主線歸類整理PACS影像資料，上傳到原型機中(教學PACS服務器)，執行機從原型機中獲取課程資源與考試題庫展示給用戶。學生通過應用層與服務器端進行交互，進行在線影像診斷學習與在線考試。系統結構層次清晰，分工明確，運行平穩。

圖1 系統總體架構

2 系統總體設計

通過可行性分析和需求分析，充分考慮系統的實用性，按照結構化程序設計的要求，醫學影像診斷學自主學習系統主要分為用戶模塊、專家標注模塊、在線學習模塊、在線考試模塊。用戶模塊包括用戶注冊、用戶登錄；專家標注模塊包括影像分類、影像標注、報告書寫；在線學習模塊包括圖像學習、報告學習、病歷學習；在線考試模塊包括試題管理、試卷管理、錯題管理、練習模式、考試模式。幾大模塊相輔相成，共同構成了一個完整的醫學影像診斷學自主學習系統，從自主學習到自主測驗，形成了一個閉環的學習過程，教學效果顯著提高。

圖2 系統功能模塊圖

2.1 用戶模塊設計

2.1.1 用戶權限設計

醫學影像診斷學自主學習系統的用戶包括醫學影像專家、學生、教師，不同角色擁有不同的系統功能，因此有必要對用戶的權限進行設計。在數據庫中設計用戶權限字段，包括專家權限、學生權限、教師權限，根據不同的權限執行相應的功能模塊，如圖3所示，專家負責醫學影像圖像的分類整理，擁有影像資料分類、圖像標注、報告書寫的權限；教師負責提供在線考試試題，擁有試題管理與試卷管理的權限；學生登錄系統，要具備在線影像診斷學習與在線考試的權限。

圖3 用戶權限圖

2.1.2 用戶登錄設計

為了提高系統的運行速度，系統采用多服務器策略，單用戶獨占一臺服務器，用戶在使用服務器期間，會定時發送心跳包(心跳時間設置為1分鐘，采用javascript的定時器向服務器端發送http請求，更新服務器活動時間),告訴其他用戶這臺服務器正在被獨占，請選擇其他空閑的服務器進行學習。登錄流程如圖4所示。

步驟1：用戶輸入網址進入系統登錄界面；

步驟2：輸入用戶名密碼點擊登錄；

步驟3：系統判斷用戶是否在server表(記錄服務器活動狀態)中，如果在則查看對應的服務器活動時間是否小于一分鐘(小于一分鐘表明此用戶已登錄服務器，自動跳轉到登錄界面；大于1分鐘，登錄到此服務器，驗證成功進入系統，驗證失敗返回登錄界面)

步驟4：如果用戶不在server表中，選擇服務器活動時間大于一分鐘的進行登錄，重復步驟3。經過以上的幾步操作，用戶方可進入系統進行醫學影像診斷學的自主學習。

圖4 系統登錄流程圖

2.2 專家標注模塊設計

專家標注模塊在醫學影像診斷學自主學習系統中處于核心地位，為系統提供了學習資源，是學生在線自主學習與在線考試的基礎。利用學校附屬醫院PACS中的海量影像資源，以系統和病歷為主線將影像病歷分為呼吸系統、循環系統、骨關節系統、消化系統、泌尿系統、中樞神經系統6大系統，在此基礎上對每個系統中病歷的難易程度進行劃分，分為初級、中級、高級。專家對每個系統中的影像圖像進行標注并書寫標準診斷報告，并上傳到教學PACS服務器中，作為學生在線學習的病歷資源。

2.3 在線學習模塊設計

學生登錄進入醫學影像診斷學自主學習系統，可以進行圖像學習、報告學習、病歷學習。圖像學習主要學習影像圖像的后處理操作，每個學生使用一個電腦終端，實時調閱PACS圖像，利用系統的圖像處理模塊對圖像的位置、窗寬、窗位、灰度、偽彩色、正相反相及比例的調整，使圖像獲得最佳的效果。如模糊不清的原始圖像不利于對微小病灶的顯示，直接影響診斷的準確率，而通過調整，則可以避免這一消極影響，提高準確性，避免誤診和漏診。報告學習主要學習報告的書寫規范及注意事項，學生利用系統進行模擬讀片，書寫影像診斷報告，并可以與專家報告進行核對，以檢查自己診斷報告中的不足與錯誤。對自己有疑問或者認為重要的診斷報告，可以添加收藏，在個人中心的我的收藏里可以找到，方便下次快速進行鞏固學習。同時學生的診斷報告可以上傳到云端，記錄到個人報告學習記錄中，方便教師和個人的查閱與批改。這大大調動了學生學習的積極性，增強了其實踐動手能力，為以后進入臨床工作打下堅實的基礎。病歷學習模塊提供了疾病的影像及病理資料，通過此模塊的學習讓學生對該病歷有一個全面系統的認識，在不進入臨床診療現場的情況下增加學生的臨床診療經驗。病歷的學習會記錄到病歷學習記錄中，形成個人的學習曲線，為系統的智能化提供了數據基礎，系統可根據學生的學習情況進行相關病歷的推薦。

圖5 圖像學習界面

圖6 報告學習界面

2.4 在線考試模塊設計

在線考試模塊包括試題管理模塊、試卷管理模塊、錯題管理模塊、練習模塊、考試模塊。在線考試模塊按照試題的難易等級、系統等分類，以圖形化的方式查看各系統的考題比例。

教師角色：教師輸入用戶名密碼，進入在線考試模塊進行題庫的建設、考試組卷、答案分值的設置、統計分析學生答題的正確率。學生角色：在線考試、自主練習(可根據需要進入系統中去選擇題目)、錯題復習[10-11]。

專家標注模塊已經為在線考試模塊打下了基礎，教師可以利用專家分類好的影像資料進行題庫的建設。具體建設方法及步驟：(1)在教學PACS服務器中按照系統和難易等級進行影像資料的檢索，找到合適的圖片進行分類保存。(2)點擊新建考題，輸入題干(包括問題描述和影像圖片)、選項、正確答案、試題解析，選擇試題的難易等級、所屬系統、分值，然后單擊保存按鈕進行保存。(3)所以題目都錄入好后，題庫建立完成，接下來可以教師手工組卷或者系統智能組卷。構建考卷的方法及步驟：(1)點擊建試卷，輸入試卷的名稱及考試時間，單擊保存。(2)點擊選擇試題，從系統中選擇合適的試題添加到該試卷中，完成組卷。學生可以進入系統點擊相應的考卷進行在線考試。

學生登錄系統進行在線考試，點擊開始考試，系統自動計時，學生可以考試開始20分鐘后提前交卷，如果答題時間超過系統設置時間，系統自動提交答卷?？荚嚱Y束后，系統會自動給出考試成績，并繪制餅形圖對考生的考試情況進行分析。教師在試卷統計分析中，查看所有學生的答題情況，針對錯誤率比較高的知識點加強之后的教學。學生的錯題會記錄到錯題管理中，學生可以進行錯題的練習，加強薄弱知識點的再學習。系統根據學生的錯題情況會自動推薦相關練習給學生，學生點擊相關知識點進行學習，避免以后再出現類似的錯誤，大大提高了學生的學習效率。

圖7 考試界面

3 系統操作步驟

第一步，下載最新版本的chrome瀏覽器，點擊安裝，完成基礎環境的搭建；

第二步，在chrome瀏覽器中輸入醫學影像診斷學自主學習系統的訪問網址，該系統部署在公網服務器中，任何一臺聯網的計算機都可以訪問。網址輸入正確后，跳轉到系統登錄界面；

第三步，輸入用戶名密碼，點擊登錄按鈕，系統自動分配空閑服務器給用戶，登錄成功后進入系統主界面；

第四步，選擇在線學習模塊，進行影像診斷學在線學習；學習模塊按照系統進行組織，包括呼吸系統、循環系統、骨關節系統、消化系統、泌尿系統、中樞神經系統6大系統，學生可按系統和難易等級進行圖像的學習、報告的學習、病歷的學習；

第五步，選擇在線考試模塊，根據自己的需要，可進行專項智能練習、階段測試、錯題智能練習；

第六步，結束學習，點擊退出系統按鈕退出醫學影像診斷學自主學習系統。

系統操作簡單便捷，除了課題教學外，在課余時間面向全校學生開放，只要有一臺聯網的計算機，學生就能進行自主學習，突破了時間和空間的限制，提高了學生學習的能動性。

4 實驗結果與分析

采用該系統進行醫學影像類課程的實驗教學，由于系統采用的B/S架構，無需安裝多余的軟件，只需下載安裝chrome瀏覽器，簡單便捷。系統運行平穩，操作過程中暫未出現客觀性問題。

在系統試運行兩周后，通過對使用過醫學影像診斷學自主學習系統的學生進行調查隨訪發現，該系統能夠加深學生對于醫學影像診斷學的了解，增強學生的實際閱片能力，獲得學生和老師的一致好評。

該系統的設計特點：(1)采用多服務器策略，單個用戶獨占一個服務器，提高了服務器的響應速度，為用戶帶來良好的體驗；(2)系統采用B/S架構，學生通過瀏覽器即可登錄進入系統進行醫學影像診斷學的學習，操作便捷；(3)醫學影像資料按照系統和病歷為主線進行組織歸類，符合學生的學習規律；(4)系統權限明確，不同的角色使用系統不同的功能；(5)從在線學習到自主練習再到在線考試，形成了一個閉環的學習過程，學生學習效率顯著提高。

5 結束語

隨著計算機技術與影像技術的飛速發展，傳統的以課本為中心的醫學影像學教學方式已經不能滿足學生的學習需求，急需開發一套符合現代醫學影像診斷學習的系統。本論文在對醫學影像診斷學自主學習系統的功能需求與專業知識的綜合調研的基礎上，論述了醫學影像診斷學自主學習系統的設計與實踐。重點介紹了系統的總體架構、系統的總體設計、系統的操作步驟。本系統實現了PACS與醫學影像診斷學的融合，系統的病歷資源完全采用學校附屬醫院的真實影像數據。學生通過此系統能夠對醫學影像圖片進行處理、模擬報告書寫、在線病歷學習、在線智能考試。由于采用都是真實影像數據，使學生獲得親臨醫院現場的感受，提高了自身學習、實踐和創新的能力。系統符合現代影像診斷學的教學改革趨勢，有很好的應用前景。