數字減影血管造影虛擬仿真實驗教學系統開發與實踐

王超，孟凡，張慎忠

（1.南京醫科大學 生物醫學工程與信息學院，江蘇南京 211166；2.南京醫科大學附屬逸夫醫院麻醉科，江蘇南京 211112）

數字減影血管造影技術（Digital Subtraction Angiography，簡稱 DSA）是一種能夠可視化X 射線序列圖片中血管的技術[1-3]，已在臨床應用20 多年，是血管疾病無創診斷與介入治療手術導航的重要依據[4-5]，在圖像質量、判斷血流方向和優勢供血等方面具有無可替代的作用[6-7]。2023年3月，中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發《關于進一步完善醫療衛生服務體系的意見》，強調“提高醫療衛生技術水平。加強臨床醫學、公共衛生和醫藥器械研發體系與能力建設”“努力突破技術裝備瓶頸，加快補齊高端醫療裝備短板”[8]。本項目是把培養生物醫學工程專業人才與國家需求相對接。

數字減影血管造影成像原理是南京醫科大學生物醫學工程、醫學影像技術、醫學影像專業本科生的主干課程的核心知識點，其中包涵了自然科學的各種技術，可引導學生形成創新思維。

數字減影血管造影成像原理一直是學習難點[9-11]，學習DSA 原理需要對X 射線與人體相互作用、對比劑流體動力學、數字圖像減影等作用過程與數學模型進行想象、重構，傳統教學方法難以直觀、形象地展示技術原理，難以實現教學目標[12]。同時，由于DSA 不僅有較大量X 射線輻照[13]，且實施過程有創且復雜，加之DSA 設備昂貴，這些因素都不利于傳統DSA 實驗的開展。

1 數字減影血管造影虛擬仿真實驗教學系統設計

1.1 實驗教學系統設計思路

數字減影血管造影虛擬防真實驗實驗教學系統設計基于互動學習與仿真操作來提高學生對數字減影血管造影成像原理重點及難點的掌握度及抽象概念的認知度，重點解決數字減影血管造影成像原理學習中驗證成本高、間接測量多、抽象推理難的問題[14]。具體設計思路如下。

（1）多維沉浸式設計：通過設備結構、原理展現、臨床應用等多個維度學習數字減影血管造影原理。觀察設備內部結構、了解設備工作原理和數字減影流程，增強學生的代入感；觀察不同時間、不同能量X 射線照射時血管內的影像變化，總結相關規律，深刻理解物理理論對成像及臨床診斷的意義。

（2）體內可視化設計：以人體血管系統為基礎，通過軟件建模呈現出血管路徑，使人體中難以觀察的到血管通路完全可視。實驗中，從造影前穿刺到血管中對比劑的流動過程皆能夠通過仿真可視化，學生在軟件中即可觀察血管造影的完整過程，能夠有效幫助學生對血管造影原理知識的學習和理解。

（3）數理模型化設計：依據數字減影血管造影的物理原理，基于數理模型實時運算高仿真技術，建立了“對比劑濃度變化”“時間/能量減影”等各種精準數學模型，并嵌入相應的模塊。仿真模塊將快速實時計算出不同參數對應的模擬輸出結果，使實驗過程更加科學、真實。

1.2 實驗教學系統內容設計

根據醫學成像原理中數字減影血管造影章節的教學目標和教學重點，虛擬仿真實驗課程內容共包含學習模式（知識點）、練習模式（學習）和綜合實驗模塊（測試）三大模塊，整體內容設計見圖1。

（1）數字減影血管造影基礎概念模塊：該模塊主要是對DSA 成像中設計的概念進行講解和學習，用戶通過點擊知識點即可跳轉到相應的學習視頻。這部分知識點包涵了訓練模塊和綜合設計模塊中所有參數選擇的方法，具體內容包括：X 射線成像原理、數字減影物理基礎、不同成像部位對比劑的選擇與濃度調節、數字減影方式、K 緣效應、DSA 成像參數、常用DSA 圖像處理方式和旋轉DSA。

（2）數字減影血管造影原理訓練模塊：該模塊的實驗方法主要為自主設計法和觀察法，用戶進入訓練界面之后選擇需要訓練的知識點，根據基礎概念模塊中學習的內容選擇相應的參數并觀察實驗結果，如果參數選擇錯誤，軟件將給出提示，幫助用戶快速定位到相應知識點。訓練模塊中具有豐富的案例，可多次學習和訓練。具體訓練內容包括對比劑選擇、X 射線參數設置、減影方式和圖像處理四個部分。

（3）數字減影血管造影原理綜合設計實驗模塊：該模塊的實驗方法包含自主設計法、觀察法和比較法。學生面對虛擬患者，根據基礎概念模塊和訓練模塊中所學習和掌握的內容，選擇對比劑參數、X 射線參數、減影方式等，系統將自動展示穿刺到成像過程，接著根據系統給出的成像結果，用戶選擇其中兩張圖片進行減影，最后再選擇圖像處理方式，完成完整的實驗過程。

2 數字減影血管造影虛擬仿真實驗教學系統的使用

數字減影血管造影虛擬仿真實驗教學系統包括學習模塊、練習模塊和綜合實驗模塊三大模塊，學生通過虛擬仿真軟件的首頁登錄后，點擊開始實驗即可進入模塊選擇主界面。

2.1 學習模塊

在學習模塊中，教師通過視頻講解方式呈現數字減影相關基礎概念，視頻內容包含理論課程配套教材上的知識和相關課外擴展資料，包括X 射線成像原理、數字減影物理基礎、不同成像部位對比劑的選擇與濃度調節、數字減影方式、K 緣效應、DSA 成像參數等理論知識，以列表形式展示在頁面。學生在進入下一模塊之前，必須先完成該模塊知識的學習。

2.2 練習模塊

練習模塊是在學習模塊的基礎上，結合標準化病人作為實驗數據，建立時間減影、能量減影、二次曝光等各種精準數學模型，并嵌入相應的模塊。仿真模塊將快速實時計算出不同參數對應的模擬輸出結果。練習模塊具體內容見圖2，包括對比劑、X 射線參數、減影方式、圖像處理四個訓練模塊，支持學生分模塊或者組合模塊進行學習和練習，學生在各個模塊中可反復調節相關參數，以此來達到學習目的。

圖2 練習模式內容組成

2.3 綜合實驗模塊

綜合實驗模塊是在練習模塊的基礎上，對練習模塊中的對比劑、X 射線參數設置、減影方式和圖像處理四個訓練模塊進行綜合訓練，考核學生的邏輯思維能力和演繹推理能力。同時考核模式將融合真實案例教學，結合臨床病人數據作為實驗數據，以顱內動脈、下肢動脈和膀胱動脈DSA 影像為例，以最終得出清晰的血管造影圖片為目的，考核學生知識點掌握情況。進入綜合實驗模塊后，系統隨機給出病人的生理參數和目標成像部位，學生需完成成像參數選擇、數字減影圖像選擇和減影圖像后處理三個過程。

（1）成像參數選擇：根據模擬病人的參數和檢查部位，選擇成像位置、減影方式、拍攝方式、成像時間、射線能量等實驗參數，點擊確定之后系統模擬穿刺至成像過程，在界面右側實時顯示動脈內對比劑濃度變化曲線，學生點擊停止拍攝按鍵后，系統生成系列掩膜和X 射線成像圖片。

（2）數字減影圖像選擇：成像參數選擇后，對于系統生成的系列影像圖片，學生分別選擇一幅掩膜和X射線影像圖片進行減影，點擊確定之后，系統將生成減影后的圖像。

（3）減影圖像后處理：選擇減影圖像后，系統隨機生成噪聲、偽影等，疊加在圖像上，學生根據顯示圖像的特點選擇處理方法，最終得到檢查部位的成像結果。完成之后，學生點擊右上角的提交成績按鍵，系統將對綜合實驗結果分步驟進行評價。

2.4 成績考核方式

數字減影血管造影虛擬仿真實驗評價主要由學習模塊、練習模塊和綜合實驗模塊三部分組成，分值占比分別為20%、30%和50%，學生操作總成績大于85 分記為合格，系統自動生成結果證書。其中，學習模塊要求學生完成知識點的學習；在練習模塊中，學生需連續3 次正確選擇隨機出現的檢查部位的參數；在綜合實驗模塊中，系統按各步驟操作結果賦分。

3 虛擬仿真實驗教學系統的實踐與成效

在醫學成像原理課程第二章X 射線成像教學中，增加了數字減影血管造影虛擬仿真實驗部分內容，要求學生自主在線進行學習和操作，并需通過綜合實驗考核。通過增加該部分實驗教學內容，串聯第一章X射線成像原理的知識點，進一步提升學生對數字減影血管成像原理的理解，包括數字減影物理基礎、對比劑選擇、減影方式、圖像選擇與處理等內容。

虛擬仿真實驗教學與原有數字減影血管造影成像原理實體實踐教學相結合，深入學習DSA 圖像成像機制與重建原理，創建了“以實為本、虛實結合”滿足認知實習、專業實驗、專業實訓、專業實習等要求的綜合實踐教學體系，形成了以“仿真實驗”拓展“真實實驗”的“綠色實踐教學”。多輪實際實踐結果表明：本系統具有良好的教學效果。

（1）創造了與實際環境相似度非常高的環境，有利于學生快速學習。依托虛擬仿真、人機交互技術建立的虛擬體驗系統，學生可以直觀地學習DSA 成像設備的內部結構和成像原理，并可以體驗DSA 成像實際操作的流程。

（2）節省了時間和成本。比起傳統的實物實景教學以及單一的實物現場實習或體驗，虛擬仿真系統能夠縮短建立實物和獲取環境的時間，而且一套虛擬仿真系統可以多人同時、多次使用，實現了在更短的時間內用更小的成本培養更高素質人才的目標。

（3）增加了安全可靠性。虛擬仿真系統使得體驗過程不會浪費財力、物力，體驗者可以通過虛擬仿真系統熟練掌握知識原理和操作流程，強化知識學習過程。

（4）手段新穎，直觀性強，學生學習興趣高。采用3D 仿真技術，模擬真實操作環境，實現人機交互操作等，都能在虛擬的三維現實環境中實現協同模擬操作，有利于進一步培養學生的創新實踐能力。

4 結語

虛擬仿真實驗系統彌補了傳統實體實驗教學的不足，通過以虛補實、虛實結合促進理論教學的開展，為學生實踐操作能力的培養提供了有力工具。本文中設計并開發的數字減影血管造影虛擬仿真實驗教學系統從理論知識、實踐實訓到綜合考核各環節，循序漸進開展線上實驗教學，實踐教學表明：本系統有效提高了學生的學習興趣和自主學習能力，進一步培養了學生的實驗操作能力和創新思維，為醫學成像原理課程的教學提供了有益支撐，也為醫工復合型人才的培養起到了重要支持作用。

數字減影血管造影虛擬仿真實驗教學系統解決了醫學成像原理課程中數字減影血管造影原理實驗開展的難題，其他醫學成像技術如磁共振、核素成像等也同樣面臨難以開展實體實驗教學的問題。因此，以本虛擬仿真系統為基礎，未來將逐步設計與開發更多相關實驗系統，建設完整的醫學成像原理實驗教學體系，進一步豐富和完善課程教學內容。數字成影血管造影虛擬仿真教學系統主要面向本校生物醫學工程、醫學影像技術和醫學影像專業的學生，其他醫學相關專業學生也可使用本系統輔助學習相關知識。此外，全國其他高校師生也可通過本系統開放的入口進行學習，實現線上教學資源高效共享，為醫學、理學、工學等相關人才的培養提供有力支持。