虚实结合的影像专业实验模式构建

陈建方, 石 波, 曹明娜, 张顺花, 张根选, 张 赛

(蚌埠医学院 医学影像学系，安徽 蚌埠 233030)

虚实结合的影像专业实验模式构建

陈建方, 石 波, 曹明娜, 张顺花, 张根选, 张 赛

(蚌埠医学院 医学影像学系，安徽 蚌埠 233030)

针对影像专业实验教学现状，探讨构建虚实结合的影像专业实验教学新模式。在分析了目前影像专业实验教学中普遍存在的问题后，结合示范实验中心与虚拟仿真实验中心建设经验，构建了基于放射模拟人、超声模拟人、数据库、Matlab等平台上的虚实结合的实验教学体系。在有限资金投入下，构建以虚实结合为核心的影像专业实验教学体系，较好地解决了实验教学中存在的问题，对影像专业创新性人才的培养发挥了重要作用。

影像专业； 虚实结合； 放射模拟人； 实验教学

0 引 言

教育信息化是信息时代教育改革发展的必然要求，也是教育现代化的核心特征，虚拟仿真技术已经上升到国家战略层面[1-2]。从医学影像学科发展来看，医学影像成像技术及软硬件集成了当今最新科学技术，以图像重建为代表的数字化成像技术得了广泛的应用，图像后处理、软拷贝读片已经成为常规手段,同时基于网络技术、计算机技术及数字化成像技术的PACS也在医院得到建设与应用[3-5]。尽管最近几年，高等学校投入在不断增大，国家、省都推出各种支持高校发展的计划，但是就实验教学而言，实验教学设备、技术及方法仍难以与临床影像技术同步发展，远落后于临床应用。而影像科又具有一定的特殊性，其影像设备都是大型设备，价格昂贵，数量少，具有高精尖、成像过程复杂等特点。本文结合蚌埠医学院医学影像学实验中心建设情况，探讨了虚实结合的影像专业实验模式构建。

1 影像专业实验教学中亟待解决的问题

(1) 硬件“投入大、数量少”。临床应用的影像设备动辄数十万至数百万元的投资，使学校无力投入巨大资金购置，即使学校投入巨资购置了一定数量的硬件设备，但由于学校招生规模较大，实验设备数量仍难以满足需要，学生实验由“动手做”变成了“演示看”，几十人使用一台设备，这必然造成“能力不足”。

(2) 实验“风险大”“禁区多”。临床影像设备高精尖、运行维护费用高，存在电离辐射及高压电击危害，用“实体病人”实验存在道德伦理问题等。医院不敢放手让学生操作，学生没有机会接受相关项目训练，造成影像专业培养的人才“动手能力不够”。

(3) 影像设备成像过程复杂，原理抽象。由于目前影像设备都是大型化数字成像设备，自动化程度高，但从教学角度来看，不利于学生对成像过程与原理的理解，更难把握其中参数的调控。

(4) 教学与诊疗之间存在潜存冲突。尽管各大医学院都设有临床教学医院，为学生实习提供保障。但是临床医院的根本目标仍是以病人为中心，为病人的诊疗服务。而学校的教学任务是以学生为中心，重点是教学。

针对以上问题，许多学者开展了研究工作。范能胜等[6]开展了全硬件仿真X线机的研制；郭胜文等[7]、刘伟等[8]、黄展鹏等[9]开展了图像处理等方面的研究工作；黄磊等[10]更是将Web技术引入到MRI仿真操作上；胡俊峰等[11]发明了“一种MRI影像诊断系统”的仿真装置。以上研究都将虚拟仿真技术引入到了实验教学中，解决了实验教学中的某些方面的问题，取得了一些教学成果。我校医学影像学实验中心多年来一直坚持实验教学改革[12]。在学校的支持下，实验中心本着“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则，在硬件建设基础上，构建以虚拟仿真为核心的实验教学体系，满足影像(医学影像学、医学影像技术)专业对创新型人才培养的要求。

2 虚实结合的实验模式构建

在影像专业培养计划中，影像专业主干课程有影像成像原理、介入放射学、影像检查技术学、影像设备学、超声诊断学、医学图像处理、医学影像学等，这些课程的实验开设是培养学生专业能力的核心。只不过医学影像学专业(授医学位)与医学影像技术专业(授理学位)在实验开设上侧重点不同，一个侧重于影像诊断方面训练，一个侧重于影像技术方面的训练。

2.1硬件实训体系

影像专业实验教学设备主要硬件包括影像设备及影像模拟人。多年来医学影像实验中心在国家、省级专项资金的支持下，陆续添置了一些必要的硬件。目前实验中心有2具X线模拟人、1具超声模块人、1台CT、3台多型号X线机、近10台超声诊断仪、1台CR系统、1台MRI设备及一些配套设施，这些都是共享硬件设施。在此硬件基础上，多门课程根据影像专业对创新型人才培养的要求，重构了硬件实训项目，基本满足了医学影像设备学、医学影像检查技术学、超声诊断学、医学影像物理学等课程硬件实训要求。尤其是影像模拟人是影像专业实验教学中的关键。硬件实训体系框图如图1所示。

图1 硬件实训体系框图

对于影像专业来说，实验实训教学开展始终受到二个方面因素的困扰，一是放射成像具有电离辐射，对人健康产生影响，二是没有标准疾病的“实体病人”来供成像，迫切需要一种能替代真实人体完成成像的模拟人装置。影像实验中心最近几年加大了实验室硬件投入，陆续购置了2具X线模拟人与1具超声模拟人。例如X线模拟人采用对X线的吸收率和人体相近的特殊合成树脂实体材料制作，在X线/CT机下实际拍出影像和真实人体在X线/CT机下拍出影像几乎接近，并可预置相关病变。

借助“模拟人”模拟“实体病人”的“实”，设计了许多“虚”的实验项目，做到了虚实结合，充分发挥了仿真技术的优势。实验室硬件的改善，为创新性实验开设打下了坚实的基础。

2.2软资源仿真体系构成

有了较好硬件，还必须有相应配套的软资源，才能充分发挥硬件的功能。图2为软资源仿真体系构成框图，核心是计算机硬件与应用软件资源。目前影像实验中心建有2个60台电脑组成的通用计算机房、1个专用的PACS机房及其他专用软硬平台，软资源的建设更是体现了虚实结合，相互补充，能实不虚的原则。

2.2.1教学型PACS建设

随着数字化影像技术、计算机技术、网络技术等的发展，PACS在各大医院中得了广泛的应用，它集成了影像获取、存储、传输、处理、显示与一体，在PACS网络上，可以实现影像资源共享、诊断与远程医疗等。但是由于PACS投资规模较大，学校教学部门几乎不可能完成PACS的建设。怎么解决实际影像教学与临床影像需求之间的矛盾，我们依托实验中心原有的电子读片实验室，通过软硬件升级，开展了以影像数据库建设为核心的软资源建设，建成了教学型PACS，其功能接近于临床所用PACS，此外还增加了大量教学特有的功能。

图2 软资源构成框图

2.2.2影像诊断学实验系统

影像诊断学是影像专业的核心课程，包括普通X线成像、数字化X线成像(包括CR、DR、CT、乳腺钼靶X线)、MRI等核心教学内容。数字化资源的优点是突出的，可以通过计算机进行数字化后处理，来达到诊断要求，这在临床影像诊断中已经达到了广泛的应用。但是在医学影像学教学过程中，教师所能利用的数字化资源是有限的，直接影响了教学效果。怎么利用数字化资源来进行教学，提高学生“能力”就摆在我们面前。在这方面我们一直追踪影像技术的发展，收集整理相关数字化资源库，目前已经建有2 000余例完整病例的数字化资源数据库系统，并完成在Web界面下对影像数据库管理平台(如添加、删除、修改等)与学生学习平台(如自主学习、随机学习、模拟检测、在线考试、随机考试等)编程设计，实现影像数据库资源的网络化管理与学习应用，充分发挥了硬件与PACS平台的作用。

2.2.3超声诊断学实验系统

该部分包括三方面内容，① 以正常人为对象，采用DV录制“标准操作手法”录像，后期配以文本、音频、示意图、解剖图、flash动画、特写等制作视频数字化资源，解决肝、胆、胰腺等常见部位影像资源建设；② 以超声模拟人为检查对象，重点解决妇科、产科、乳腺等特殊部位正常影像资源建设；③ 以超声模拟人为检查对象，重点解决预设病变影像资源建设。通过此3种方法，完成了超声检查数字化资源库的建设[13]，采集到500例以上完整超声影像资源。

2.2.4影像检查技术仿真系统

CT、MRI、CR/DR等是大型复杂的影像成像设备，实际成像过程中，参数较多，操作较复杂，影响影像质量的因素较多，而且还有复杂的图像后处理过程。在实际教学过程中，学生没有机会在这些大型、昂贵的设备上完成影像检查技术的技能训练，教师也无法把这些复杂的检查过程、参数设置与影像之间关系形象直观地表达出来。影像实验中心汪百真等[14-15]先后完成了基于Windows的CT、MRI仿真操作系统的开发。近期实验中心又着手开展了CR、DR等仿真操作系统的设计，通过对目前主流影像设备使用的仿真，使我们培养训练的学生能够一直与影像技术的发展同步，掌握最新的影像成像技术。同时在仿真系统的开发过程中，多位老师还指导一批同学参与，更是激发了同学们的创新积极性。

2.2.5医学影像设备仿真实验系统

传统的影像设备教学普遍采用多媒体课件教学，课件中多以单个静止图片来显示设备结构、工作原理等工作过程中的各个环节。各功能模块、操作控制、参数调节之间缺乏应有的动作联系与关联。实验教学更是停留在示教、演示的基础上。影像设备学仿真实验通过计算机实现了虚拟实现技术[16]，解决了影像设备实验投资大的问题，节省了大量的教学经费；解决了实验设备少，学生人数多的矛盾；使复杂的影像设备结构、工作过程(如大型X线机、X-CT等)通过仿真实验加以操作控制，便于学生理解所学内容；使学生所掌握的实验操作技能更接近于实际影像设备的工作，可以更快的适应将来所从事的影像工作需要；此外还降低了影像设备使用过程中的安全风险，学生可以反复实验，无需耗材。

2.2.6介入放射学仿真系统

介入放射是随着影像技术发展而建起来的，其核心是借助于影像设备的引导、利用专用器材(如导管等)将药物或支架引导到病变部位，来治疗某些疾病。但是由于介入治疗是微创，设备价格昂贵、治疗风险较高，致使影像专业教师在该门课程教学过程中无法来完成相关实验项目教学，学生根本没有机会也不可能有机会来进行相关实验项目的实际操作，这样培养的学生仅停留在“理论”阶段，解决的办法是开展介入放射学仿真实验项目，采用“计算机+硬件+软件”来仿真介入治疗的整个过程，学生通过计算机来做“实验”。

2.2.7图像处理实验系统

目前医院中使用的影像设备(CR、DR、CT、MRI)等都配有丰富的图像后处理软件，可以对形成的影像进行处理，满足诊断要求，因此图像处理成为影像专业学生必须要掌握的基本技能之一。怎么训练这方面的能力，为此在Matlab7.01环境下，紧密结合临床影像应用，组织开发了图像处理实验模块。如利用Matlab图像工具箱实现窗宽、窗位调整，加深对窗口技术应用的理解；通过编写GUI，实现图像增强、滤波、减影、融合、分割等基本图像处理的操作，加深了对相关概念与理论的理解。如对CT成像原理中的图像重建理论，我们采用了计算机仿真使深奥的CT图像重建理论变成了直观图像表达。图3所示为人头部Shepp-Logan模型仿真截图。采用18、36与90个方向的投影数据进行图像重建，可以明显看到图像的变化情况，说明选取的体素(voxel)越小，投影方向越多，重建的图像越精细。

图3 人头部shepp-logen模型仿真

3 结 语

虚实结合的实验模式解决了影像专业实践教学中的一些问题，满足了影像专业对创新型人才培养的需求。通过多年的运行来看，收到了较好的教学效果。本文仅探讨了影像专业主干课程的虚实结合实验教学开展情况，其实，在影像专业培养方案中，还有许多基础课程也开展了虚实结合实验教学。如影像电子学基础开展了在Multisim平台上的电子电路仿真实验,单片机原理课程开发了实验仿真教学平台等。随着影像资源的数字、网络化发展，虚实结合的实验教学将在影像专业实践教学中得到广泛应用，下一步实验中心将加大网络共享平台资源的建设，完善基于网络平台的虚拟实验系统，这将有力支持影像专业创新型人才的培养。

[1] 教育信息化十年发展规划(2011—2020年)[EB/OL].http://www.moe.edu.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/s3342/201203/xxgk_133322.html.

[2] 教育部办公厅关于开展2015年国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知[EB/OL].http://www.moe.edu.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201506/t20150618_190671.html.

[3] 虞春晖.医院放射科PACS系统的临床应用[J].电子技术与软件工程，2014(12):122.

[4] 单 良.大型综合性医院RIS/PACS系统的现状与发展[J].电子世界，2015(14):144-148.

[5] 赵志平.PACS系统在医院的应用[J].中国医疗装备,2011(11):17-18.

[6] 范能胜，张怀岑.仿真工频X线机的研制[J].中国医学物理学杂志，2016，33(5)：496-500.

[7] 郭圣文，江 南，吴效明，等.《医学图像处理》网络教学平台的建设[J].中国医学物理学杂志，2007，24(6):464-466.

[8] 刘 伟，谢晋东，王鹏程，等.基于Web技术的医学图像发布系统[J].中国医学物理学杂志，2007，24(5):337-374.

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ConstructionoftheExperimentalModeofImagingSpecialtyBasedontheCombinationofVirtualandActualCircumstances

CHENJianfang,SHIBo,CAOMingna,ZHANGShunhua,ZHANGGenxuan,ZHANGSai

(Department of Imaging, Bengbu Medical College, Bengbu 23300, Anhui, China)

Aiming at the present situation of experimental teaching of imaging specialty, this paper discusses the construction of a new experimental teaching mode of imaging specialty. Based on the analysis of the common problems in the experimental teaching of imaging specialty, combining with the experience of the demonstration experiment center and the virtual simulation experiment center, this paper constructs the experimental teaching system based on the combination of virtuality and actuality on the platform of X-ray simulation human, ultrasonic simulation human, database, MATLAB and so on. Under the limited capital investment, the experiment teaching system with combination of virtuality and actuality as the core is constructed, it solves the problems existing in the experiment teaching and supports the cultivation of innovative talents. The combination of virtuality and actuality is a new experimental teaching mode of imaging specialty, it will be widely used in the experimental teaching of imaging specialty.

imaging specialty; combination of virtuality and actuality; X-ray simulation human; experimental teaching

TP 399

A

1006-7167(2017)09-0189-04

2016-10-08

安徽省质量工程项目(2016xnzx027，2014sxzx010)

陈建方(1964-),男，安徽蚌埠人，副教授，医学影像学系副主任，研究方向为医学影像技术、教学管理。Tel.：13865029151；E-mail:bavfyy@163.com