虚拟实验在医学成像技术类课程教学中的应用

杨庆华 李薇 贺超

1,川北医学院 医学影像学系，四川 南充 637007 ;2, 西华师范大学 计算机学院，四川 南充 637000

虚拟实验在医学成像技术类课程教学中的应用

杨庆华1李薇2贺超1

1,川北医学院 医学影像学系，四川 南充 637007 ;2, 西华师范大学 计算机学院，四川 南充 637000

运用虚拟实验的方法对于医学成像过程描述或计算，避免了实验设备的大量投资，具有直观精确性，还可以实现参数化开放性等诸多优点。是传统实验方法的一个很好补充。概述了成像技术虚拟实验的目的、内容、要求和实现一般过程。其既可满足教学要求，又有一定的设计分析使用价值。

虚拟实验;成像技术;计算机仿真;多媒体教学

Virtual experiment；imaging technology；computer

simulation；multimedia instruction

引言

虚拟实验是指借助于多媒体、仿真和虚拟现实等技术在计算机上营造可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境，实验者可以像在真实的环境中一样完成各种实验项目，所取得的实验效果等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果。是近年来在各门科学领域广泛开展的一种实验和研究方法。不仅可以应用于实验教学，并且也是研究，验证，以及理论教学等的一个重要补充。[1][2]

在计算机上完成相关实验和教学有助于在极大降低实验成本基础，得到较好的效果。优越性体现在：1）直观性；2）交互性；3）参数化；4）开放性。学生进行虚拟实验，不但有利于对概念进行深入掌握，并且可以培养一定的研究探索能力。[3]

1.医学成像技术的虚拟实现

医学成像技术主要是指运用医学影像的方法，如超声，X射线，磁共振，或核医学方法，实现对人体内部的观测。相关课程是医学影像学专业，生物医学工程等专业的重要专业基础课程。医学成像应用异常广泛，其具体过程比较复杂。这点，我们也可以从医学成像技术曾获得过8次以上的诺贝尔奖知道。[4]

医学成像技术课程设计知识面极广，理论较深，概念繁杂。学生学习时难度比较大。学生在学习时，配以一定量的实验有助于对已有概念，原理的掌握。但是传统的教学方法和实验方法，存在诸多缺点，限制了教学的效果。如：传统实验方法，侧重于对某些成像物理原理，器件或过程的演示，无法展示细致的成像过程；参观设备实习，学生仅仅可以看到外观的变化，难以对参数加以理解；即使学生有机会参加实训，可以使用操作设备。但由于设备的价值较大，且很多功能和成像过程均封装在软件中，学生很难进行详细领会。

虚拟实验方法也可以称为计算机仿真方法近年来逐渐进入各个学科教学实验中。低层次的即类似互动flash。而较高层次的仿真，则是基于系统的观点，对于成像过程进行定量的求解。好的仿真软件或者虚拟实验系统甚至可以用作，成像前的模拟和结果预测。实际上就是一个求解器，输入变量（要测量，通常是二维或三维的）得到预测结果，适合医学成像类课程内容的演示和模拟。

医学成像过程可以利用仿真的方法进行分析，主要的运用方面包括

（1）成像介质的不均匀性

（2）成像物体本身的不均匀性

（3）成像的具体过程流程

（4）相应算法的仿真

（5）噪声及其他的干扰

（6）伪影的形成及演示

（7）图像后处理或显示的实现

其中图像后处理技术比较独立且复杂，已经专门发展出相应的较大学科，所以这里不做深入重点研究。

总体而言，医学成像的过程是一个信号的调制和解卷的过程，处理的方法主要类似于信号处理类的模拟仿真。当然，实际的成像过程影像影响因素包含有很多的复杂因素，在仿真时候可以将模型抽象化，简单化，或针对某一影响来进行定量分析。

如图1所描述的是对医学成像系统进行系统模拟的示意图。可以看出，医学成像的过程，其实就是一个信号被人体这个系统调制的过程，而调制函数即反映的是人体的信息，或者我们成像的模式。我们从得到信息出发，对内部结构的图像显示或者内部参数的分析，可以理解为一个求解调制函数的问题。

从高层次的意义上讲，考虑周全，建模准确的虚拟实验，其本身就是一种设计的辅助手段，可以用于实际产品的模拟和仿真。如芬兰赫尔辛基大学的FIELDII系统，对于超声探头的模拟仿真，效果理想。可以用于生产设计部门的试制设计。[5]

图1 医学成像技术的系统图

2.虚拟实验的设计和实现过程

虚拟实验的设计，如前文所述，随实验的内容及难易不同而不同，简易的虚拟实验演示，有少数按钮或者选择项进行交互，可以采用flash或dreamwaver等软件来制作，界面的制作可以采用VisualBasic，JAVA等做设计，只要求装载特定的图片。方法比较简单，这里不赘述。

就医学成像技术的虚拟实验而言，底层的方法，一般必须采用编程来实现，主要是基于系统的观点，优势是定量化好，可以改变拟定一些参数来进行仿真。设计的步骤和过程可以参看图2所示。

2.1 任务分析：对不同成像的输入输出进行分析，选择适当的建模方法，将复杂的成像过程进行数字化，并针对要输出的结果进行分析，从而确定虚拟实验的总体实现过程；输入的可以改变的量有哪些，哪些是要主要分析，输出的量是什么，是静态还是动态的，等等。这些内容都要详细设计。

2.2 工具选择：包含有两方面的内容。一种是基本的素材库，绘制必要的图形或界面，示意图logo等，可以采用相关的绘图工具：AutoCad，Dreamwaver，3DStudio，Pro/E等，图形格式有2D，3D，动态等等；另一类工具就是虚拟实验的开发工具：VB，VC，Matlab，JAVA（3D），Proteus，virtools等等，具体选择那种工具，要视乎个人的熟练程度和具体问题的方便性[6]；

图2 虚拟实验设计的步骤和主要内容

2.3 主体设计：针对界面，参量，显示程序，鲁棒性的元素进行设计，是虚拟实验的核心部分。对于较高级的虚拟实验，为具有开放性，交互性。而且本身涉及时频的变化，求解，需要编程来实现。通常使用matlab或C语言编写。一些常用的数字处理，如傅里叶变换，相关性分析等等，都制作成函数，随时进行调用。共同的处理部分也做成子程序减少计算工作量。高级的显示结果有统计参数图，动态图，矢量图，云图等等。好的设计过程，必然具有多参数，多种显示，快速，鲁棒性好等等优点，使用者使用起来趣味盎然。高级的虚拟实验，甚至可以用于科学设计和产品试制的模拟仿真。

3.实践效果和展望

虚拟实验的开展针对以下几个方面:

3.1 CT成像重建等实验

3.2 超声声场及超声多普勒成像等实验

3.3 磁共振的模拟成像实验

3.4 一些图像后处理显示技术应用，这样，可以充分发挥虚拟实验的优点，如，(1）价格便宜：只需要用计算机即可完成实验，避免了实验设备较少，多人，多组共用设备，实验效果较差的现象；(2）实验效果直观，显示多样，界面友好，学生容易接受，不同于传统实验得到的是一些简单数据，虚拟实验一般可以得到成像图，比较接近整个图像形成过程；（3）基于成像较底层的实现方法理解，有助于学生明白成像较细致理论，这些是成品设备封装界面不可能达到的优点；（4）可调整参数较多，实验具有更大的开放性。学生可以在理解成像的基础上，进行一定的实验设计，并处理显示出结果，在某种程度上讲，培养了学生的思考能力和一定的科学研究能力。[7][8]

当然，已有较好硬件或者实物使用条件的实验项目，可以适当减少其虚拟实验内容。影像类实验设备的稀缺、价格高昂以及开放性差，注定了虚拟实验长期存在和不可替代的价值。

[1]陈春朝，赵敏，张亚超等.基于Labview的虚拟实验平台设计[J]，中国现代教育装备，2009,17,31～34；

[2]王建新，莫秋菊，基于Internet的通信系统虚拟实验环境设计与实现[J]，中南大学学报（自然科学版），2006,4，330～335；

[3]方慕真.虚拟技术在远程教育中的应用探索[J].开放教育研究，2009,8，103～106；

[4]吉强，洪洋.医学影像物理学[M].北京：人民卫生出版社，2010，1～4；

[5]彭虎.超声成像算法导论[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2008，10～30 ；

[6]郭桂苹，南岳松.虚拟实验教学研究现状和问题分析[J]，实验室科学，2010,10,175～178；

[7]汪诗林，吴崇源.开展虚拟实验系统的研究和应用[J].计算机工程与应用，2000,2，33～39；

[8]李旭华.虚拟实验在实践教学中的应用研究[J].电气电子教学学报，2008,4,98～100；

Application of virtual experience in the teaching of medical imaging serial courses

Qinghua Yang1, Wei Li2,Chao He1

1 Department of Radiology, North Sichuan Medical College, Nanchong6370002 College of Computer Science, China West Normal University, Nanchon；g637000

Virtual experiment (VE) can be used to the description the medical imaging procedure. It have merits of low cost,precise, parameter, open etc. And it can be a good compensation of tradition experiment in learning and teaching. This article provide basic processing of a typical medical imaging VE which can meets the demanding of teaching also with designing application.

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.23.153

川北医学院高教教改项目，编号11-06-074；

杨庆华(1977-)，男，汉族，硕士，讲师，从事生物医学工程专业的教学和科研工作。