CT設(shè)備結(jié)構(gòu)原理虛擬仿真實(shí)驗的設(shè)計與應(yīng)用＊

楊楠 于毅 林俊堂 張業(yè)宏

（1.新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院教務(wù)處，河南新鄉(xiāng) 453003；2.新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，河南新鄉(xiāng) 453003）

CT(Computed Tomography)，即電子計算機(jī)斷層掃描，可從各個方掃描獲得橫斷面圖像的技術(shù)，對醫(yī)學(xué)診斷具有重大意義，是現(xiàn)代醫(yī)院不可或缺的大型儀器。但是CT等醫(yī)學(xué)影像設(shè)備學(xué)在教學(xué)中存在儀器設(shè)備工作原理抽象、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備真機(jī)體積大、價格昂貴且輻射嚴(yán)重、教學(xué)成本高等種種限制，因此開發(fā)醫(yī)學(xué)影像設(shè)備虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，提高教學(xué)質(zhì)量與效率本實(shí)驗項目利用虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)，將醫(yī)學(xué)影像教學(xué)理論、設(shè)備結(jié)構(gòu)與實(shí)驗室教學(xué)有機(jī)結(jié)合起來，能夠形象的展示出CT設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、運(yùn)行過程以及基本原理，學(xué)生可以在接近真實(shí)的環(huán)境里對CT設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練[1]。

1.實(shí)驗設(shè)計與實(shí)驗內(nèi)容

1.1 專業(yè)與年級要求

醫(yī)學(xué)影像技術(shù)、醫(yī)學(xué)影像學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程、臨床等專業(yè)三年級學(xué)生。

1.2 基本知識和能力要求

正在學(xué)習(xí)或已經(jīng)掌握醫(yī)學(xué)儀器原理、影像設(shè)備學(xué)、影像檢查技術(shù)、影像成像原理學(xué)等相關(guān)知識。

1.3 采用的教學(xué)方法及其目的

利用基于三維技術(shù)搭建的醫(yī)學(xué)影像虛擬仿真教學(xué)平臺進(jìn)行在線學(xué)習(xí)，將醫(yī)學(xué)影像理論、設(shè)備結(jié)構(gòu)與實(shí)驗室有機(jī)結(jié)合，形象地展示CT設(shè)備內(nèi)部構(gòu)造和原理。本實(shí)驗項目利用虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)，將醫(yī)學(xué)影像教學(xué)理論、設(shè)備結(jié)構(gòu)與實(shí)驗室教學(xué)有機(jī)結(jié)合起來，能夠形象的展示出CT設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、運(yùn)行過程以及基本原理，學(xué)生可以在接近真實(shí)的環(huán)境里對CT設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練[2]。

本實(shí)驗項目核心要素對CT設(shè)備進(jìn)行內(nèi)部拆解，各個零部件可進(jìn)行任意角度的3D旋轉(zhuǎn)、放大，并配有相關(guān)的介紹說明。以剖面圖等方式展現(xiàn)各部件的精準(zhǔn)結(jié)構(gòu)位置。可通過該軟件實(shí)現(xiàn)影像設(shè)備的整體認(rèn)知、虛擬操作、內(nèi)部構(gòu)造拆解、維修知識等學(xué)習(xí)工作需求，如圖1所示。

圖1 實(shí)驗知識點(diǎn)

2.實(shí)施過程與實(shí)施效果

實(shí)驗項目實(shí)施過程結(jié)合虛擬仿真教學(xué)平臺實(shí)驗管理系統(tǒng)，實(shí)行互動式的全景教學(xué)，課上進(jìn)行實(shí)驗學(xué)習(xí)的同時，課下學(xué)生可以隨時隨地登錄影像虛擬仿真教學(xué)平臺，進(jìn)行在線學(xué)習(xí)、在線預(yù)習(xí)、在線實(shí)驗、在線提問、教師在線答疑等功能，打破了教學(xué)過程中時間與空間的限制，提高教學(xué)效率和質(zhì)量。通過教學(xué)反饋，自該實(shí)驗項目上線以來，有效的帶動了學(xué)生該課程的學(xué)習(xí)積極性，彌補(bǔ)了CT結(jié)構(gòu)原理實(shí)驗實(shí)訓(xùn)課程無法開展的難題[3]。

自實(shí)驗2017年上線以來，在相關(guān)專業(yè)開展了實(shí)踐教學(xué)，涉及的專業(yè)有醫(yī)學(xué)影像技術(shù)、臨床、生物醫(yī)學(xué)工程等。通過實(shí)驗實(shí)訓(xùn)的不斷開展，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)質(zhì)量有了很大提升，虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式，不再使醫(yī)學(xué)影像技術(shù)教學(xué)枯燥無味，抽象難懂。

2.1 實(shí)驗方法描述

通過PC、手機(jī)等終端登錄醫(yī)學(xué)影像虛擬仿真教學(xué)平臺，選擇進(jìn)入CT設(shè)備結(jié)構(gòu)原理虛擬仿真實(shí)驗系統(tǒng)，導(dǎo)入三維虛擬仿真實(shí)驗場景，通過1:1全景模擬CT學(xué)生交互性操作步驟說明（共10步）[4]。

2.2 學(xué)生交互性操作步驟說明

（1）登陸進(jìn)入CT設(shè)備結(jié)構(gòu)原理虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)登錄界面

（2）拆解攝影床：是完成掃描任務(wù)的運(yùn)載被檢者的工具，具有垂直運(yùn)動控制系統(tǒng)和水平縱向運(yùn)動控制系統(tǒng)，它能按程序的要求實(shí)現(xiàn)自動進(jìn)出掃描架孔徑，完成自動定位檢測對象的掃描位置。

（3）拆解側(cè)蓋、前蓋、頂蓋、后蓋：掃描架是CT機(jī)的重要組成部分，上面裝有X線球管、濾線器、 準(zhǔn)直器、參考探測器、探測器及各種電子線路，掃描架能做旋轉(zhuǎn)、前后傾斜運(yùn)動，具有幾何放大功能的掃描架還可以作直線運(yùn)動，以改變球管和掃描物體之間的距離，如圖3所示。

圖3 拆解側(cè)蓋、前蓋、頂蓋、后蓋

（4）點(diǎn)擊床體，查看設(shè)備運(yùn)行過程。

（5）進(jìn)入內(nèi)部構(gòu)造學(xué)習(xí)場景。

（6）進(jìn)行X線球管的學(xué)習(xí)，當(dāng)高壓加到球管正、負(fù)極時，就發(fā)射X線，管電流強(qiáng)度取決于管子的型式、千伏數(shù)（電壓）和球管的燈絲溫度，如圖4所示。

圖4 X線球管

（7）進(jìn)行探測器的學(xué)習(xí)，如圖5所示。

圖5 探測器

（8）進(jìn)行高壓發(fā)生裝置的學(xué)習(xí)：它為X線球管提供正常工作電壓（±80kV）和球管燈絲工作電流。

（9）進(jìn)行滑環(huán)的學(xué)習(xí)：將掃描架固定與旋轉(zhuǎn)中的電源線和信號線連接，用來替代以往CT所連接的電纜，起到快速旋轉(zhuǎn)和掃描的作用[5]。

（10）進(jìn)行掃描床的學(xué)習(xí)：掃描架的運(yùn)動，包括機(jī)架的旋轉(zhuǎn)、傾斜角度、幾何放大、控制光柵開口的大小，掃描床上、下、前、后運(yùn)動。這些運(yùn)動首先由計算機(jī)發(fā)出運(yùn)動指令，由控制電路控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，通過減速機(jī)構(gòu)完成上述各種運(yùn)動。為了使運(yùn)動速度穩(wěn)定，電機(jī)軸裝有測速發(fā)電機(jī)輸出信號反饋至控制電路。

通過引入CT虛擬仿真實(shí)驗系統(tǒng)，在理論教學(xué)和實(shí)驗之間搭建起一個“連接”，有效解決了有關(guān)醫(yī)學(xué)影像設(shè)備教學(xué)中產(chǎn)生的“有理論，無實(shí)踐”的問題，降低了理論教學(xué)難度，優(yōu)化了學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗。云平臺聚合了教、學(xué)、練、考、評等完備的教學(xué)功能。學(xué)生可以通過云平臺實(shí)現(xiàn)課后習(xí)題提交、虛擬仿真實(shí)訓(xùn)練習(xí)及考核等，使教學(xué)資源更加立體、教學(xué)活動更加豐富、教學(xué)管理更加科學(xué)和高效，充分體現(xiàn)出教育信息化的發(fā)展方向[6]。

3.結(jié)論

通過“理、虛、實(shí)”一體化的教學(xué)方式，不僅極大地提高了理論與實(shí)踐教學(xué)的效果，更加深了學(xué)生對醫(yī)學(xué)影像成像設(shè)備的了解和認(rèn)識，使得學(xué)生從內(nèi)部電路到外部結(jié)構(gòu)、從理論知識到實(shí)際操作完成了無縫對接，極大地彌補(bǔ)了實(shí)驗在教學(xué)資源和設(shè)備等方面的不足。學(xué)生通過云平臺在計算機(jī)本地安裝虛擬仿真軟件，然后通過云平臺啟動計算機(jī)本地的虛擬仿真軟件，學(xué)生進(jìn)入軟件后，即進(jìn)入CT虛擬仿真實(shí)驗系統(tǒng)。學(xué)生可以選擇新手上路了解實(shí)驗?zāi)康摹④浖僮鞣绞剑煜?shí)驗環(huán)境。

CT設(shè)備結(jié)構(gòu)原理虛擬仿真實(shí)驗設(shè)計新穎，方便自主學(xué)習(xí)。實(shí)驗教師具有多年教學(xué)和儀器設(shè)備維護(hù)維修一線的經(jīng)驗，對CT結(jié)構(gòu)與原理精準(zhǔn)把握，系統(tǒng)化一體設(shè)計，以計算機(jī)3DMAX建模、Unity3D虛擬交互、Web 3D學(xué)習(xí)技術(shù)應(yīng)用，在原有CT構(gòu)造基礎(chǔ)上生動形象的展示CT內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)的工作原理，將抽象難懂簡易化，合語音、動畫、波形等手段，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量實(shí)驗教學(xué)。

課程思政無縫植入，培育中國制造家國情懷。該實(shí)驗項目清晰直觀地讓學(xué)生明白肩負(fù)國家“工業(yè)制造2035”的神圣使命與責(zé)任，中國是制造業(yè)業(yè)大國，但在芯片、核心技術(shù)上與國外的差距，通過CT內(nèi)部構(gòu)造與原理學(xué)習(xí)，增強(qiáng)自信心，積極投身于中國制造，提高制造業(yè)的水平，尤其在一體化集成上柔性繼承上不斷進(jìn)步，服務(wù)民族企業(yè)發(fā)展壯大，減少醫(yī)療支出造福國人健康。