X線球管虛擬仿真軟件在教學中的應用

蔡小濤 唐 溯 姚鐵辰 黃 碩 朱 涵

（山東第一醫科大學 山東·濟南 250000）

0 前言

新時代的醫學科技發展已經不再局限于實驗室內的研究，將醫學實驗與信息技術相結合已經成為一種大趨勢。而虛擬仿真模擬技術（Virtual Reality），簡稱VR，就是一種如今日益成熟的，可以將醫學研究與網絡緊密結合的一種技術。醫學影像學是現代醫學領域發展最快、涉及范圍最廣的學科之一，所以就可以將其與虛擬仿真技術結合在一起，成為高等教育體系信息化建設與實踐教學中心建設的關鍵所在。也正因為如此，現代醫學影像學的學生不僅要掌握豐富的專業知識，還要掌握有關影像的臨床技能，并能相當熟練地操作儀器設備。而目前醫學影像學專業的學生在學習相關專業知識，如影像學的成像原理時，由于實驗室的實驗儀器缺乏，手段相對落后再加上學生的不斷增多，是許多該專業的學生對成像的原理理解不夠透徹，甚至會死記硬背，導致我校學生的理論知識不夠扎實，出現漏洞。

隨著虛擬仿真技術的崛起，新型的模擬醫學影像教育彌補了傳統醫學教育的以上缺陷，學生可以通過此技術沉浸在計算機所創建的可視化三維環境，可以對一個裝置，比如X線球管，進行更加直觀細致地研究，從而理解之前過于抽象的成像原理，以獲得更加深刻的印象及體會，這在現實的實驗室中是幾乎不可能達到的。

本課題的目的就是將X線球管的X光線形成情景通過計算機、虛擬仿真軟件等設備展示出來，可與其他教學軟件無縫對接。學生和老師可以在該軟件內進行沉浸式地實驗操作和細致觀察。

1 目前傳統醫學影像學教學現狀

1.1 教材的內容無法及時更新

隨著醫學影像技術的不斷發展，對所成像的清晰度要求越來越高。應用于醫學影像領域的X線球管也已經不僅僅是最基本的固定陽極X線球管，各式各樣改良版的X線球管被應用到臨床上的影像儀器中。而由于教學教材無法做到像網絡一樣對新出現的數據及時進行更新，從而導致學生無法第一時間接觸到最前沿的影像學技術或成果。

1.2 購買X線球管投入過大

X線球管價格不菲，尤其是用于醫學診斷的X線球管更是昂貴，不可能給每一個學生都配備一個。且對于成像的原理等課程的內容涉及，僅憑教師在教授時也無法準確描述X線球管的內部構造等關鍵內容，造成課堂枯燥乏味，學生接受度過低的現象。并且即使購進了一批X線球管，對于其后續的保養及維修也要不斷投入資金。而將此虛擬仿真軟件應用到實驗教學當中，不僅可以使學生更加直觀地觀察到X光線的產生過程，還大大降低了成本。

1.3 X線球管會對人體產生輻射危害

X線球管產生的X光線會產生輻射。影像專業的學生在近距離長時間觀察研究X線球管的時候，其所產生的X光線難免會對人體進行輻射，長此以往，則會對學生們的身體健康產生不良影響。

1.4 傳統課堂的枯燥無趣

通過隨機調查數名影像學的學生，問其對影像學課程的評價。結果顯示有超過半數的學生認為傳統的影像教學十分枯燥，甚至有出現上課刷手機、睡覺等現象。在如今這個信息技術如此發達的時代，教師仍然遵循傳統的辦法，照讀課本而不結合實際情況，只講理論，只憑口頭講解成像過程是難以吸引學生的，也就導致了以上不良現象的發生（見圖1）。

圖1

2 X線球管虛擬仿真軟件的優勢及特點

2.1 虛擬仿真技術能夠激發學生的學習興趣

醫學影像學的學生在學習X光線形成過程及圖像形成原理等物理知識過程中難免會深感乏味，失去了對學習的興趣。興趣是一個人繼續學習的動力，失去了興趣也就意味著學生開始不再專注于課堂，將注意力分散到其他與學習無關的地方。可通過虛擬仿真這種可視化的人機交互式界面，把枯燥的知識形象、逼真的表現出來，大大激發了學生學習的興趣，改變原有的教學模式，不再是一味地聽老師在講臺上講解，而是轉變為學生在下面主動地，結合老師講的理論，自己去探索學習的模式，耳聽為虛眼見為實。正如在講解X線球管是如何產生X光線，之后再如何成像的時候，就可以利用這個虛擬仿真軟件，通過動畫的形式展現在學生的眼前，生動形象地模擬出從陰極發射的電子通過聚焦以電子束的形式發射轟擊到陽極的靶面，產生X光線的過程。通過這種模式的學習，相對于傳統的教學方式，學生就有了更加直觀的認識，對X線球管的原理及工作過程更能接受，印象也更加深刻。因此，合理地利用虛擬仿真技術可以更加吸引學生的注意力，激發他們對學習的興趣，將枯燥的課堂變得更加充滿趣味。

圖2

2.2 虛擬仿真技術可以彌補實驗室的儀器短缺問題

醫學影像學的發展近幾年來十分迅猛，新設備不僅層出不窮而且更新換代也很快。而作為以教育為主的大學，由于客觀條件的限制，學校實驗室的許多設備器材都已經十分滯后。學生畢業前所學習的儀器使用及操作落后于醫院新購的儀器設備，這也就導致了學生剛進入時醫院無法迅速融入科室，無法第一時間給科室增加幫手，分擔該有的壓力，甚至需要主任重新教導畢業生如何操作新設備，給科室徒增負擔。而虛擬仿真技術則恰好彌補了學校這一不足。它并不依賴于設備實物，而是依靠計算機模擬的等效模擬設備實現，可以逼真地模擬出設備的操作過程、工作及環境，通過可視化的虛擬場景展現在學生面前，使學生能夠第一時間接觸學習到最新的影像學設備。

2.3 虛擬仿真技術能夠培養學生的自學與創新能力

沒有創新，就不會有發展。醫學影像學專業的學生如果沒有創新能力，醫學影像學的發展就會停滯不前。現在大多數學生都存在眼高手低的現象，知識掌握得不少，真正的動手能力卻較弱，其實關鍵就是缺乏鍛煉，缺乏自學與自己鉆研的能力，也就更提不上所謂的創新能力。就以X線球管的學習為例，醫學影像學成像質量的重要影響因素在于X線球管所產生的X光線的有效焦點大小。研究焦點性能大小的第一步就是要對X線焦點性能的檢測，目前國內多將星卡固定于X線管束光器的窗口上，來進行焦點的性能檢測，測量精度均難以保證。針對上述焦點中心線定位技術難題，有人自主研制出一種 X 線球管焦點性能檢測裝置（專利號：ZL200710014184），可用于焦點中心線的精確定位，可作為狹縫、針孔和星卡的成像裝置，適用于焦點的性能檢測。而這個裝置上有調節旋鈕，上面等間隔分成10格，每格的調節精度為0.1mm。學校由于專利原因可能無法配備該檢測裝置，所以學生可以在X線球管虛擬仿真軟件中通過轉動調節旋鈕，觀察到X線球管所產生的X光線的焦點性能變化，進而反映出對人體成像的影響。這樣學生們就可以通過設置單一變量的方法來對X線球管的陰極、陽極、玻璃罩等組成成分做出一些調整和改變，進而對照出哪個變量能夠影響所產生的X光線的焦點性能。找出了影響因素所在，也就縮小了研究范圍。下一步可通過對這一組成成分的改變，來提高X光線的焦點性能，進而形成更高質量的人體像。在這個過程中，不知不覺地便會提高了學生的自學與創新能力，進而不斷推動影像學的發展。

3 虛擬仿真球管的組成

X線球管的功能是能夠將電能轉化為X光線。隨著科學技術的發展，逐漸出現了固定陽極、旋轉陽極以及各種特殊類型的X線管。本文現在介紹固定陽極X線球管。它是診斷用X線管中最為簡單的一類，主要由陽極、陰極和玻璃殼三部分構成。它的工作原理十分簡單，就是從陰極發射的電子通過聚焦以電子束的形式發射轟擊到陽極的靶面，從而產生X射線。它的陽極結構由陽極頭、陽極帽、玻璃圈和陽極柄四部分組成。陽極的作用主要體現在三個方面，第一，靶面可以阻擋住高速運動的電子流，從而產生X射線；第二，在產生X線的同時，陽極頭和陽極柄轟擊時產生的熱量傳導出去，也就是散熱；第三，陽極帽不僅能夠吸收二次電子還可以吸收其他散亂的射線。高速運動的電子流轟擊靶面，會有少量的電子從靶面反射和釋放出來，稱為二次電子。二次電子百害無一利，會使玻璃殼內壁溫度升高，導致管內的真空度降低，嚴重的話，還會擊穿外部的玻璃外殼；并且如果二次電子沒有被重新吸收，再次轟擊到陽極靶面時，由于沒有經過聚焦，會使X射線的質量降低；另外如果二次電子附著到了玻璃殼內壁上，則會使管壁內的電荷分布不均勻，電荷分布不均會產生縱向應力，造成玻璃殼的損壞。陰極的結構則較為簡單，主要組成成分為燈絲和陰極頭。陰極的主要作用是發射并使射出的電子聚焦，使轟擊在靶面上的電子流具有一定的大小、形狀，進而在靶面上形成X射線的焦點。其中，燈絲之所以繞制成螺線管狀，是因為要發射電子并且保持電流形狀規整。陰極頭又稱聚焦槽，是由純鎳或鐵鎳合金制成，其作用是對燈絲發射的電子進行聚焦。

4 虛擬仿真設備的展望

隨著虛擬仿真技術的不斷發展，日益成熟，不難想象，在未來的高等教育體系中必然會發揮越來越重要的作用。教育方式也會因虛擬仿真技術的加入課堂而發生重大變革。這不僅給在校教師增加了新的挑戰。教師也要像學生一樣不斷學習虛擬仿真技術，熟練掌握并將其運用到自己課程當中，將傳統的講授與VR技術相結合，從而進一步提升課堂教學效率。有一點要注意的是，虛擬仿真技術并不是功能越復雜越好，其最根本的宗旨是為學生們服務。

總而言之，不管新興的技術有多先進，功能有多多，都不可能從根本上把老師替代。教學也不可能是技術選擇老師，而是老師主導，通過選擇相應的虛擬仿真技術，配合自己的教學思路來教授知識。現在這種VR技術還只是處于最初階段，還沒有大規模的應用到每個大學當中，但是由于其在教學當中所能發揮的種種優勢，我相信很快，虛擬仿真技術就會在我們的課堂當中出現，帶來一場重大的教育改革。