基于Unity與單片機的DR可交互仿真教學工作站的設計與應用

費 杰， 魯博洋， 唐鶴云， 胡俊峰

(徐州醫科大學 醫學影像學院，江蘇 徐州 221004)

0 引 言

目前，直接數字平板X線成像系統(digital radiography，DR)成為廣泛使用的醫學影像檢查手段之一[1]，國內大多數醫學院校都將醫學影像設備相關課程作為教學重點。由于醫院影像設備機房工作負荷普遍較重，加之機器設備學生單獨操作存在設備損壞及輻射風險，因此醫學生在醫學影像設備相關課程見習時存在資源短缺、難以操作等缺陷。現有仿真教學設備普遍存在體積龐大、造價昂貴、實際操作性不大等弊端。因此，仿真教學設備的小型化、網絡化、多功能化的發展具有非常重要的意義。

根據仿真醫學影像設備的發展現狀和實際要求[2-3]，利用3D-max軟件制作DR的三維模型并導入Unity軟件中，單片機組成的外部操作裝置與計算機Unity軟件進行串口通信，能夠實時控制DR設備模型做出相應動作，完全復制設備的基本結構、工作與操作原理，進行規范的操作、擺位等操作訓練。同時，利用VB6.0模擬設計的DR操作界面，模擬病人信息錄入、拍攝部位、參數選擇、圖像拍攝、影像處理等全過程的操作訓練，既可以完全呈現設備教學內容，同時能夠進行實時模擬操作訓練，達到省時高效、無任何輻射風險、可重復多次仿真訓練的目的。

1 總體結構

仿真教學工作站由硬件與軟件兩部分組成，總體結構如圖1所示。硬件部分為單片機最小系統(STC89S52)、旋轉電位器、開關按鍵、數模轉換器(ADC0809)等組成的外部操作裝置。軟件部分包括顯示DR三維演示模型的上位機Unity軟件、DR設備操作系統。外部操作裝置與上位機Unity軟件通過串口通信模塊(MAX232)實現通信，從而控制DR三維模型作出響應，進行互動式仿真教學訓練操作。

圖1 總體結構圖

2 工作站硬件設計

仿真教學工作站硬件部分主要由單片機控制[4]、模擬輸入、模數轉換、串口通信和電源等模塊組成,電路如圖2所示。

圖2 最小單片機系統與采集部分

STC89S52[5]是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8KB系統可編程Flash存儲器。與工業80C51產品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統可編程，亦適于常規編程器。

模擬輸入模塊由多個按鍵開關和電位器組成， 主要功能是通過操縱按鍵開關與旋轉電位器來控制Unity軟件中的DR模型做出相應動作，包括控制DR照射野開啟、關閉及照射野范圍，控制DR多軸運動、工作狀態演示等功能。同時，模數轉換模塊[6]將多路模擬輸入進行轉換，并把轉換的數字數據通過端口傳送給單片機控制模塊。

MAX232芯片是專為RS-232標準串口設計的單電源電平轉換芯片，使用+5 V單電源供電。串口通信模塊能夠滿足RS-232串口電壓，使得單片機與上位機可以正常通信[7]。單片機控制模塊對數據進行分析處理后，通過串口通信模塊實現與上位機演示模型通信,串口通信模塊電路如圖3所示。

圖3 串口通信模塊

3 工作站軟件設計

3.1 上位機設備演示模型

本仿真教學工作站的設計參數3臨床一線標準的DR實體，利用3D-max軟件制作三維模型，如圖4所示。將三維模型按照功能結構進行模塊化分割后轉換為FBX格式導入至Unity軟件中。在Unity環境中[8]，通過編寫Scripts代碼驅動3D模型顯示DR的基本運動工作流程，主要包括機架運動、機頭旋轉、旋轉陽極啟動、燈絲預熱、曝光[9]以及人體擺位、照射野開關、大小及角度調節[10-11]等功能。

其中，Head腳本通過射線檢測機頭距離掃描床、人體模型的距離和區域，從而控制照射野的開關與縮放以及輻射頭的運動。同時，通過動作函數實現DR各軸的平移、旋轉運動、燈絲預熱、曝光等動作。部分代碼如下：

public void SetHengZhouXPos(float Value)

{

HengZhou.position = new Vector3(Value, HengZhou.position.y, HengZhou.position.z);

} //橫軸左右移動

public void SetHeadRotation(float Value)

{

Head.eulerAngles = new

Vector3(Head.eulerAngles.x, Head.eulerAngles.y, Value);

RotationYText.text = Value.ToString("f0");

} //機頭旋轉

public void OpenCircle()

{

GameObject parent = Circle.transform.parent.gameObject; parent.SetActive(!parent.activeSelf);

} //照射野開關

public void SetCircleX(float Value)

{

Circle.localScale = new Vector3(Value, Circle.localScale.y, Circle.localScale.z);

} //照射野x縮放

串口通信部分，SerialThreadBinaryDelimited腳本封裝了從串口讀取數據的方法，利用update語句實時讀取從串口接受到的相關數據，調用函數驅動模型動作。部分代碼如下：

void Update()

{

byte[] message = serialController.ReadSerialMessage();

if (message == null)

return;

string msg = Encoding.Default.GetString(message);

GetData(msg);

}

3.2 DR設備操作系統

DR設備操作系統部分以VB6.0及Access2012作為開發工具，通過對醫院臨床真實的DR操作流程及設備操作界面進行1∶1全步驟模擬仿真[12-14]，如圖5所示。

整個DR設備操作系統包括患者選擇、部位選擇、操作界面、以及拍攝圖像處理4大部分組成，主要實現的功能有：

(1) 患者信息的選擇與錄入。能夠模擬選擇信息庫中的患者或手動添加病人信息，包括Date、Time、Name、ID、Accession、Physician、Modality、Desciption、Status等。

(2) 掃描部位選擇。精確模擬選擇人體各部位及組織(頭部、頸椎、肩部、胸椎、腹部、腰椎、盆腔、膝蓋、足部等)進行DR掃描。

(3) 操作界面參數設置。包括Patient size、Receptor、Reset Technique、FOV、Auto Position、Current、Ion Chamber、Focal Spot、Cu Fitter、Patient Side、Patient Position等參數的模擬設置或調整。

(4) 拍攝結果處理。拍攝圖像的模擬預覽、添加標注、圖像處理等。

實現以上主要功能的需求與程序的關系：

(1) 患者信息的選擇與錄入。Adodc控件、調用Access數據庫等。

(2) 患者拍攝部位的選擇。treeview控件及if函數的組合等。

(3) 操作界面的參數設置。下拉菜單、復選框等控件及相關代碼等。

(4) 圖像的預覽與處理。直接調用Access數據庫中的圖像、圖像處理代碼等。

工作站中所有影像設備資料、圖像數據均來自于臨床一線，依靠醫學院校豐富的資源，不僅可以及時更新系統、擴充資源，而且真實的設備資料、影像數據有利于學生在使用時建立正確的認知，有效提高工作站的科學性和有效性。

4 實際應用與效果評價

仿真教學工作站設計、建設完成后，向相關專業學生進行推廣。同時以2017～2018學年第1學期2015級生物醫學工程專業的兩個班級共計100名學生作為樣本進行分析，班級1(普通組)采用正常教學方式，班級2(綜合組)采用仿真工作站與正常教學結合的方式，在時間利用率及考核成績等方面進行對比分析，驗證工作站的實際效果。

(1) 安裝與運行成功率。工作站主要利用Unity與VB6.0軟件進行開發，安裝情況調查，結果顯示在實驗室機房及學生個人電腦的安裝與運行的成功率為100%。

(2) 時間利用率與考核成績對比分析。見表1按照正常實驗課時長為120 min，考慮到乘車來回時間、醫院等待時間等影響因素，取7次實驗課的實際時間分配的平均值計算時間利用率。同時，計算兩個班級相關課程的3次操作考核成績與期末總成績平均分進行對比。

表1 時間利用率與考核成績對比結果

注：等待時間包括等待設備冷卻、機房空閑時間等。

由對比結果可見，采用仿真工作站的綜合教學模式在實驗課的的時間利用率大幅提高，多元化考核成績反映出的教學效果良好。在醫學影像設備相關課程的實驗課中使用本工作站，能夠有效緩解見習醫院的壓力，彌補資源不足；作為實驗課程中積極有效的課程工具，工作站將實驗課程的多個教學目標進行整合統一，有利于教師對學生進行模塊化或整體化的DR教學、訓練和考核；工作站具有小型化、上手容易等優勢，學生可以不限時間空間地隨學隨練。作為理論課程的補充，學生針對于DR設備的學習目的更加鮮明突出，特色的軟硬結合交互式教學訓練模式，學生參與度高，學習興趣更加濃厚，知識掌握更加牢固。

5 結 語

仿真教學實驗系統已經成為高校教學、考核、訓練輔助的重要途徑[15]。本文以DR等醫學影像設備實驗課教學為研究對象，分析了現有仿真教學設備的劣勢，并利用軟硬結合的思路，設計了一套基于Unity與單片機的可交互DR仿真教學工作站，該工作站包含了從DR的結構認知、功能原理、實際互動操作訓練到DR操作系統的全過程模擬，實現了DR一站式全過程仿真，通過分析工作站使用效果的對比數據，在有效提高實驗課時間利用率的同時，對學生理論實踐知識的掌握具有積極作用，能夠滿足正常的教學實驗要求。在其他影像學設備及醫療設備中可同原理建立一套完整的仿真訓練系統，供類似實驗課程仿真平臺借鑒。