虛擬仿真技術在醫學影像設備學實驗教學中的應用探討

李曉鳳 尤亞睢 張平玉

摘? 要：醫學影像設備學是醫學影像技術專業的主干核心課程，具有高度的綜合性和應用性。由于涉及多種抽象概念，對于抽象、邏輯思維欠缺的醫學專業學生而言理解起來較為困難，多數院校用于實驗教學的醫學影像設備數量較少、種類短缺、設備滯后，無法滿足實驗教學需要。虛擬仿真技術的應用不僅能很好地模擬各種影像設備的結構、功能、掃描過程，幫助學生化抽象為具體，理解所學內容，參與、設計實驗，而且極大地降低了醫學影像設備實驗教學中面臨的高電壓、電離輻射損傷等風險，更大限度地保障了學生的生命健康安全。本文通過旋轉陽極X線管原理實驗和第一代CT機掃描實驗為例，論證虛擬仿真技術在醫學影像設備學實驗教學中的必要性和可行性，旨在為虛擬仿真技術在醫學影像設備學實驗教學中的應用提供發展方向。

關鍵詞：醫學影像設備學;虛擬仿真技術;研究;應用

中圖分類號：G482? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1673-7164（2021）15-0011-03

醫學影像設備學是醫學影像技術專業學生的核心專業課程之一，影像技術專業學生只有充分了解醫學影像設備的工作原理、基本構造、工作特性等，才能在日后的學習與工作中充分發揮影像設備的作用，創新影像檢查方法、滿足臨床診斷與治療要求。但是，由于醫學影像設備學較為抽象晦澀，部分內容涉及電路、高數等知識，學生理解起來困難，易喪失學習興趣;且目前絕大多數高校都面臨著醫學影像設備教學所需要的設備數量較少、種類短缺、設備滯后等多種問題。基于上述原因，將虛擬仿真技術與醫學影像設備的實驗教學相結合不僅能化抽象的理論知識為具體，更易于升級更新、減少設備維護成本，便于開展在現實中具有局限性的實驗，有助于培養學生的創新性思維。

一、傳統醫學影像設備學的教學局限性

（一）僅以二維形式展示，缺乏臨床經驗的學生難以理解所學內容

大部分本科階段的醫學影像技術專業學生在學習醫學影像設備學時并沒有實習實踐的機會，對醫學影像設備的了解往往不足。盡管多媒體技術的應用，可以在教學中將影像設備的具體構造以圖片、視頻等形式展示出來，但是這種二維形式與實際設備相差較大，不易將影像設備各部分的構造及作用結合起來。僅通過這種片面的形式了解后，便開始接受大量抽象的專業知識，學生學習起來會比較吃力。如果在醫學影像設備的實驗課中以影像設備真機為載體，同時輔以虛擬仿真技術，保證每位學生都能操作、設計實驗，能大大提升學生對影像設備的認識，促使理論知識與實踐操作相輔相成，有利于培養出專業知識硬、動手能力強的高素質影像技術人才。

（二）僅局限于教材，不利于培養學生的創新性思維

教材是學生獲取系統知識的重要工具。當今時代，科學信息技術發展迅速，影像設備以前所未有的速度快速發展、不斷更新，教材建設周期相對較長，與影像設備的發展相比明顯滯后，學生僅依靠教材無法及時了解行業發展動態。如果能在醫學影像設備學的教學中融入虛擬仿真技術，不僅可以快速升級更新設備，而且便于資源共享，激發學生的學習興趣。

（三）受空間限制，傳統線上授課模式無法開展、設計實驗

基于當前疫情常態化的大環境，線上授課逐步常態化。線上授課具有網絡資源共享、學習條件寬松、利于課程資源保存等優點。但是傳統線上授課由于空間、時間等限制，在開展線上實驗教學時缺乏實驗器材、實驗設備、實驗場地等，學生無法進行操作、設計實驗，致使實驗教學效果不盡如人意。醫學影像設備學對學生的實踐能力要求又比較高，僅依靠傳統線上授課模式不利于培養學生的創新實踐能力。虛擬技術可充分利用現有計算機資源，配以獨特設計的軟硬件功能，實現普通儀器的全部功能 [1]。

二、實驗教學結合虛擬仿真技術的意義

（一）虛擬仿真技術可以有效提高每位學生的實驗參與度

醫學影像設備包括DR、MSCT、MRI等多種設備。絕大多數院校人均實驗設備數量無法滿足教學需要，加上影像設備結構復雜，致使大多數學生在規定授課時間內，很難對所學影像設備的構造、組成進行充分的學習和觀察 [2]。尤其在實驗教學中，由于實際動手拆卸設備耗時較長、觀察設備內部構造時間較短、設備數量有限等原因，即使小班教學也無法保證每位學生都能參與實驗，使實驗教學效果大打折扣。例如在學習CT成像設備的滑環結構時，傳統實驗教學需手動拆卸CT機架外殼等才能使滑環暴露，由于機器結構復雜，拆去非目標結構耗時較長，浪費寶貴的上課時間。借助虛擬仿真技術教學，僅需鼠標拖動便可去除非目標結構，使滑環呈現出來，促使每位學生都有相對充足的時間全方位觀察滑行。觀察是提取事實的第一步，是實驗的基礎，也是創新的前提 [3]。只有引導學生對實驗對象進行充分的觀察，才能使學生明確觀察對象的特征，科學分析實驗對象變化的原因，提高觀察能力。

多數院校的教學設備種類單一，結合虛擬仿真技術不僅能幫助學生對比理解傳統CT機通過電纜供電大大限制掃描速度的缺點，而且可以形象展示在滑環CT掃描技術的基礎上進一步發展出來的螺旋CT掃描技術的優點 [4]。通過虛擬仿真技術，不僅能幫助學生更好地理解所學內容、融會貫通，而且可以極大地提高每位學生的實驗參與度。

（二）虛擬仿真技術提高實驗的安全性

醫學影像設備實驗教學多涉及存在電離輻射危害的大型實驗設備，學生在進行電路原理分析、故障分析等實驗時，即使防護措施得當，仍無可避免地面臨著電離輻射及高壓危險 [5]。

1. 虛擬仿真技術在醫學影像設備學實驗教學中的典型應用

（1）旋轉陽極X線管原理分析實驗

旋轉陽極X線管是目前醫學影像X線設備中應用最廣泛的一類球管。因此，掌握旋轉陽極X線管的工作原理、結構特點等是學好普通X線成像設備的重要基礎。

在學習旋轉陽極X線管的原理分析時，首先登入虛擬仿真實驗平臺形象展示電流由高壓發生裝置經高壓電纜對X線管陰極端燈絲提供加熱電壓，使其發射電子形成電子流，電子流在高真空條件下高速撞擊到旋轉的陽極靶面上產生X線。模擬在相同小焦點、其他結構參數、電參數相同的情況下，使對照組X線管陽極靶面保持靜止，實驗組X線管陽極靶面保持一定轉速;觀察比較對照組與實驗組的最大瞬時負載功率。在虛擬仿真技術的基礎上，不僅可以使肉眼無法觀測到的電流流向實際地展示出來，而且在進行對比實驗時無X線產生也不會出現X線管的損壞現象，還可以多次進行實驗，提高實驗教學效率和教學質量。

（2）第一代CT機模擬掃描實驗

醫學影像技術專業學生需學習CT機發展歷程中的重難點內容，各代CT機均是在第一代的基礎上發展而來的，因此，理解第一代CT機的結構特點、檢查過程是掌握各代CT機主要特點的重要基礎之一。

第一代CT機于1971年安裝應用，年代較久遠，學生無法實際接觸了解。通過虛擬仿真實驗平臺，學生可以身臨其境地模擬臨床檢查，使用第一代CT機確定虛擬受檢者的檢查部位（多為頭部），開展檢查前準備工作，根據需要選擇合適的掃描體位。開始掃描時可以觀測到第一代CT機是由一個X線管產生的射線束與一個探測器圍繞受檢者的檢查部位做同步直線掃描運動，轉1°后，進行一次直線掃描運動，直到轉完180°后穿過受檢部位的X線攜帶著影像信息被接收、重建形成圖像。學生也可以根據實驗目的自主設計實驗。

結合虛擬仿真實驗平臺，學生不僅能身臨其境地感知到在現實生活中無法接觸的儀器設備，還能充分發揮主觀能動性設計實驗，培養學生的創新性思維。

三、結語

綜上所述，在醫學影像設備學實驗教學中應用虛擬仿真技術可以突破傳統實驗教學中的多種局限，提高實驗教學的安全性及學生在實驗課中的參與度，有利于培養學生的觀察和創新能力。因此，院校應當結合自身辦學情況對醫學影像設備課程中虛擬仿真實驗平臺進行建設與改進，既要在教學中將醫學影像設備真機與虛擬仿真系統合理地虛實結合，又要避免過度依賴虛擬仿真實驗平臺，使實驗教學“脫實向虛”。隨著信息化時代的發展，不斷構建、創新基于網絡平臺的虛擬仿真實驗系統，使其在醫學影像設備學的實驗教學中得到更加廣泛的應用，將有利于為我國醫療衛生行業培養應用技術型醫學影像技術的高級專門人才。

參考文獻：

[1] 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，2012，29（01）：3208-3210.

[2] 王惠方，韓東明，梁長華，等. 醫學影像專業課程與教學內容優化的探討[J]. 中國繼續醫學教育，2019，11（32）：6-8.

[3] 韓豐談，孫思琴，齊現英，等. 成人教育醫學影像設備學實驗教學研究[J]. 中國醫學裝備，2010，9（07）：17-19.

[4] 趙志偉，閆霜. 醫學影像專業課程與教學內容優化分析[J]. 影像研究與醫學應用，2020，4（07）：240-242.

[5] 惠檜，張志萍，鄧斌菊，等. 影像虛擬仿真系統在高職臨床醫學專業《診斷學》影像學章節中的應用與思考[J]. 影像研究與醫學應用，2020，4（11）：248-249.

（薦稿人：史大鵬，河南省人民醫院教授）

（責任編輯：汪旦旦）