基于Unity3D的CT虛擬仿真實驗系統

陶青 葉青 徐紹忠 余瑛

摘 要：為克服CT（電子計算機斷層掃描）實驗教學受設備、場地的限制，促進學生理解CT的實驗原理與操作步驟，本文采用Unity3D軟件與交互式技術，開發適用于多平臺的CT虛擬仿真實驗系統。其具有以下突出特點：一是交互性好;二是可以立體、動態地呈現實驗過程;三是可以記錄操作過程與參數設置，并自動生成實驗過程記錄。實踐表明，在本系統中，實驗者僅需要通過鼠標、鍵盤即可完成實驗，然后由實驗過程記錄反饋實驗成績。這有利于學生實踐能力的提高，便于學生自查，便于教師分析教學情況，最終可提高實驗教學質量。

關鍵詞：CT;實驗教學;實驗過程記錄

中圖分類號：TP391.9;TG51 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2020）32-0014-04

Abstract： In order to overcome the limitations of equipment and site for CT （electronic computer tomography） experimental teaching， and to promote students' understanding of the experimental principles and operating procedures of CT， this paper used Unity3D software and interactive technology to develop a CT virtual simulation experimental system suitable for multiple platforms. It has the following outstanding features： one is good interactivity; the other is that the experiment process can be presented in a three-dimensional and dynamic manner; the third is that it can record the operation process and parameter settings， and automatically generate a record of the experiment process. Practice shows that in this system， the experimenter only needs to use the mouse and keyboard to complete the experiment， and then the experimental results are recorded and fed back by the experiment process. This is conducive to the improvement of students' practical ability， facilitates students' self-examination， facilitates teachers to analyze teaching conditions， and ultimately improves the quality of experimental teaching.

Keywords： CT;experimental teaching;record of experimental process

醫學影像設備是醫學影像技術相關專業的重要教學內容，學生不僅應掌握醫學影像設備的工作原理，還應對其操作規范有一定了解。因而，國內很多高校開設了相關實驗與見習課程。但受限于設備昂貴且龐大、高危險性、高消耗性、極端環境需求性、不可逆轉性、不可替代性等因素[1]，實驗教學往往側重于工作原理與圖像的分析處理，而實地見習往往是以“圍觀式”開展教學——指導教師演示，學生觀察的。這使得學生參與度不高，且存在難以觀察和記錄操作流程的問題，進而影響實驗教學效果。

為克服上述問題，國內很多高校已開展了關于醫學影像設備的虛擬仿真實驗的研究與應用[2-5]。仿真實驗主要有軟硬件結合與純軟件兩種形式。軟硬件結合包括硬件、軟件兩個部分，其中一部分作為控制，另一部分作為仿真對象，優點在于虛實結合，有效地降低了成本。例如，齊現英等[2]采用上位機軟件控制單片機系統，以硬件形式模擬了X線機的旋轉陽極啟動、燈絲預熱和曝光過程;費杰等[3]采用單片機系統控制上位機，以軟件形式模擬了DR虛擬模型的動作，如各軸的平移、旋轉運動、燈絲預熱、曝光等。但該方法的缺點在于，實驗系統的升級換代往往需要配備新的硬件設備，需要額外的開銷。因而，有研究者就純軟件的虛擬仿真實驗進行了設計，在保證仿真效果的前提下增加了靈活性。例如，許海兵等[5]設計的信息化CT虛擬仿真平臺就以純軟件的形式，在虛擬場景中將設備結構、掃描過程、圖像形成過程等動態呈現。綜上所述，上述虛擬仿真系統在一定程度上改善了實驗條件，提高了教學效果，但大多針對設備控制與拆解，而較少涉及操作規范。

為此，本文采用虛擬仿真技術設計了一種新的CT虛擬仿真實驗系統，一方面為學生提供了實驗條件，觀察與控制CT;另一方面通過實驗過程記錄，用于其操作規范考核與成績評定。

1 系統設計

基于Unity3D的CT虛擬仿真實驗系統包括虛擬場景、操作仿真、交互操作、過程管理等環節，總體結構可分為三大模塊，即信息展示模塊、交互與過程管理模塊、場景仿真與漫游模塊[6]，如圖1所示。具體實施如下：通過3D建模技術構建系統所需的虛擬場景，如CT設備、核心組件及操作間等;通過腳本控制實現交互操作與第一視角漫游，如響應鼠標的指令;采用SQLite數據庫管理實驗過程數據，用于存儲實驗過程數據與用戶信息，為實驗考核提供依據。

2 開發流程

2.1 3D模型建模

Unity3D僅支持簡單的、規則的模型，如長方體、球體、圓柱體等，但針對復雜形態的模型，人們需要使用其他3D建模軟件（Maya、3D Max、Solidworks等）。本文具體的做法是，使用Maya對所需模型建模、上色、貼圖、修正坐標系等，并導出FBX文件格式的模型。其中，CT設備模型如圖2所示。

2.2 交互

在小節2.1的基礎上構建虛擬場景后，以模塊化思想編寫腳本，以實現用戶與虛擬仿真系統間的交互，具體包括第一人稱視角、CT外殼透明化、CT控制等。為將鼠標的功能復用，即漫游與設備控制均由鼠標完成，將鼠標設置為2種工作模式，即第一人稱視角模式、設備控制模式，初始化為第一人稱視角模式。

通過上述交互操作，將CT設備的結構、細節特征與控制過程向學生展示。

2.2.1 第一人稱視角。第一人稱視角模式下，設置鼠標功能，控制主相機的位置與旋轉角度。具體為：鼠標左鍵設置相機旋轉角度;鼠標滾輪設置相機深度位置;鼠標右鍵切換工作模式。具體流程如圖3所示。其間通過Input.GetMouseButtonDown判別鼠標左、右鍵單擊事件;利用左鍵調整視角的角度，保持左鍵按下狀態下移動鼠標改變主相機的旋轉角度（若鼠標前后拖動，則相機繞X軸上下旋轉;若鼠標左右拖動，則繞Y軸左右旋轉）;利用右鍵實現模式切換，比如，切換為設備控制模式，調制好視角后，保持當前視角狀態，鼠標功能用作控制;利用Input.GetAxis（"Mouse ScrollWheel"）判別鼠標滾輪調整方向（正、負），將上述方向乘以一個預設的步長從而改變相機在Z軸上的位置，即深度。

2.2.2 CT展示。CT展示的內容主要包括兩個方面：設備內部工作過程與關鍵組件結構細節。為觀察內部工作過程，利用GetComponent（）.materials[1].color修改CT主機外殼透明度，效果如圖4所示。此外，為將關鍵組件（X線管、探測器、滑環）展示出來，利用動畫將關鍵組件從CT中拆解出來，效果如圖5所示。

2.2.3 CT操作。CT操作包括兩個部分：調整床位;調整CT主機倒角。在本實驗系統中，利用鼠標模擬操作者，單擊CT的控制按鍵進而實現CT操作。其原理是用鼠標發出射線（Ray）檢測設備的控制按鍵對象（需要添加碰撞體屬性），利用對象名稱執行相應的操作。其中，CT操作是將移動與旋轉相結合，以實現調整床位的位置與CT主機倒角，具體情況如圖6所示。

2.3 實驗過程數據管理

SQLite是一種輕型數據庫，其具有如下特點：所占資源少，兼容性好（不僅支持嵌入式設備，還支持Windows、Linux、Unix等主流操作系統），同時支持多種編程語言（如C、C+++、C#、Python等）。因而，本系統采用SQLite記錄用戶的實驗過程。

具體過程為：數據庫為每個用戶創建一個表，表中記錄其實驗過程;定義表的字段，包括DateTime（時間戳）、CurrentAction（指當前操作內容，比如，START是啟動設備，END是關閉設備，BED_UP＼BED_DOWN是調節CT床高度等）、DeviceInfo（指當前設備信息，如{（110.02，15.12，13.0），（0）}，第1個括號內容是CT床三維坐標，第2個括號內容是CT主機倒角角度）;將每次操作的時間、當前操作內容、設備信息插入當前表內，比如，顱腦平掃的CT定位實驗過程記錄如表1所示;當完成操作后，讀取表中數據，依據操作的順序正確性、設備參數的準確度對學生的操作規范進行考核評價。

3 結語

本文采用Unity3D構建交互式的虛擬場景，克服了以往CT實驗教學問題——CT操作內容的缺失與學生實驗參與度低。此外，本系統具有以下突出特點：兼容性好，支持Windows、Linux、Mac等桌面操作系統，便于教師教學與學生自主學習;交互性友好，將設備結構細節與實驗過程直觀呈現，提高了學生參與度和學習興趣;靈活性高，本系統采用的是純軟件設計，相比于軟硬件結合的系統在優化與升級上具有一定優勢;可以進行實驗過程數據管理，應用效果較好。根據實驗過程記錄結果及具體分析，該系統可自動對照操作規范進行考核，有助于教師分析學情，有助于學生自主總結。因而，本實驗系統的應用有利于高校醫學影像技術人才的培養，為實踐性實驗提供了新方法。

參考文獻：

[1]于毅，楊楠，任瓊瓊，等.醫學影像虛擬仿真實驗平臺建設探索[J].數字技術與應用，2018（12）：193.

[2]齊現英，魯雯，韓豐談，等.虛擬仿真教學在《醫學影像設備學》教學中的研究與應用[J].中國醫學物理學雜志，2012（1）：3208-3210.

[3]費杰，魯博洋，唐鶴云，等.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[J].實驗室研究與探索，2019（8）：110-113.

[4]胡智慧，朱錢成，胡俊峰.仿真數字胃腸機的設計與實現[J].中國醫療設備，2016（1）：45-47.

[5]許海兵，沈孝翠，李偉，等.基于信息化CT虛擬仿真平臺的設計與實現[J].醫療裝備，2018（17）：24-27.

[6]丁毓峰，徐鑫，閔新普，等.基于Unity3D的機電產品虛擬拆裝實驗系統[J].實驗室研究與探索，2020（3）：118-122.