Multisim仿真软件在医学影像电子学教学中的应用

戴逢亮，孙九爱，赵梦蝶，唐懿文，毕 昕，黄清明

1 上海理工大学医疗器械与食品学院， 上海 200093；2 上海健康医学院医学影像学院， 上海 201318

医学影像电子学作为医学影像专业学生的必修课，内容主要是关于医学影像设备中系统电路的基本组成结构及工作原理、单元电路的基本组成及工作原理等[1]。这门课程对学习各类医学影像设备及其摄影技术尤为重要。

大多数X线医学影像设备内部结构较为复杂，单元电路较多，相互之间有较强的联系。一般教学过程中采用以教师讲授为主的教学手段，很难将相关内容的知识点较为形象地呈现出来[2]。因此，实验教学成为了提高教学效果的重要方式[3]。但是X线机、CT等大型医学影像设备存在高压和电离辐射等危险，学生难以进行有效实验[4]。另外，大型医学影像设备价格昂贵，普通高校不可能为实验教学配备种类齐全、数量众多的设备，学生缺乏亲自动手机会[5-7]。基于上述原因，如何在实验室资源有限的情况下，能够更好地向学生讲授医学影像设备中电路的相关知识要点，便于学生理解，成为医学影像电子学教学过程中的难题。

针对医学影像设备(如X线机)内部电路较为复杂以及电路存在上千伏的高压危险、电路运行过程不易观察等教学难点，Multisim仿真软件的优势则可以弥补传统电路实验教学的不足，使得学生更加直观、清晰地观察到医学影像设备内部电路运行的动态过程，掌握各部分单元电路的功能。利用Multisim仿真软件所搭建的电路教学系统可以根据实际需要进行改进或升级，达到与理论教学同步的效果，使得学生能够更好地掌握医学影像设备电路的工作原理和相关电路工作过程。同时，教师也可以结合教学内容，通过仿真实验的方式，将抽象和难以理解的内容进行更直观、生动、具体地讲解。

1 Multisim仿真软件简介

随着计算机技术的发展，越来越多的电子电路仿真软件被用于电子电路实验教学[8]，Multisim是美国国家仪器(NI)有限公司推出的电子设计自动化软件，它为学生提供了一个直观的类似电子实验平台的工作界面，使得学生进行电子电路仿真实验时，可以方便地修改电路参数和实时观察实验结果。

Multisim仿真软件已经广泛用于模拟电子电路教学[9]，并取得良好的教学效果。在国内，宋莉[10]等应用Multisim仿真实验弥补硬件电路实验箱的不足，极大地调动学生的学习兴趣，提高实验教学效率；李素玲[11]应用Multisim进行RC积分电路仿真时，可以使学生归纳出参数变化对输出波形及幅值的影响规律；金巧芳[12]发现利用Multisim仿真软件学生更加容易接受叠加原理的电路验证；尹均萍[13]等采用Multi- sim仿真软件辅助讲授差分放大电路，可有效地帮助学生理解抽象的电路理论知识。在国外，Udit Mamo- diya[14]等利用Multisim仿真半波整流电路，在负载阻值变化的情况下，学生能实时观察到电路的运行状态和实验结果。

该研究以医学影像电子学课程中X线机单向全波整流电路实验的教学为例探讨新的教学方法。在传统的教学方法中利用模拟电路实验箱进行教学，由于学生在实验过程中容易发生误操作，时常导致元器件损坏；同时，模拟实验箱数量有限，需要多个学生共用一台仪器，另外，测量结果也缺乏准确性。

有鉴于此，笔者利用Multisim软件平台构建X线机单向全波整流电路教学系统。图1为X线机单向全波整流电路教学系统仿真图。由于实际X线球管电气特性跟电子管类似，只是工作电压比一般电子管大，因此在Multisim中可以利用电子管仿真X线球管。利用该实验系统可以完成X线球管阳极特性曲线分析实验：当改变滑动变阻器R1的值时，相应的模拟管电压变化，进而使得管电流变化。通过管电压、管电流测量仪表可以记录每次调节产生的实验结果，通过取点绘图，从而进行阳极特性分析实验。另外，还可以通过观察管电压波形图这一实验步骤，使学生更好地了解电路动态变化特性；通过拓展此教学系统，还可以模拟单向全波整流电路中某个整流二极管断路时产生的故障现象[15]。以下为了方便介绍，我们将利用Multisim仿真软件构建的X线机单向全波整流电路教学系统简称为：“仿真电路教学系统”。现将该仿真电路教学系统教学情况报道如下。

图1 X线机单向全波整流电路教学系统仿真图

2 对象与方法

选取41名大学二年级医学影像工程专业学生，这些学生前期已完成电路，模/数电等课程的学习。利用他们正在学习的X线机单元电路课程，由同一名教师讲解X线机单向全波整流电路的工作原理及电路组成，在理论教学结束后，分别要求学生利用Multisim仿真软件构建X线机单向全波整流电路和采用传统的X线机整流模拟电路实验箱进行实验教学，在实验结束后对学生进行问卷调查，调查的内容包括：①对两种教学方法进行总体评价：选项有“好”与“一般”；②对教学方法细节的评价，具体的评价包括“有利于对不同型号X线球管电气特性的掌握”“方便实时观察X线机单元电路的运行状态和运行结果”“有助于X线机单元电路实验操作安全性的提高”“有利于课后对电路功能的复习”“可以促进开放性思维的培养，提升自主设计电路的能力”，选项有“完全同意”“同意”“基本同意”“不同意”。

2.1 统计分析方法

利用SPSS 22.0统计软件对数据进行统计学分析，对于两种教学方法的总体评价，采用四表格χ2检验，以α=0.05为检验水准，以P<0.05为差异具有统计学意义[16]。对于教学方法细节的评价，在两种教学方法之间采用非参数的秩和检验，以P<0.05为差异具有统计学意义。

3 结果

3.1 两种教学方法的总体评价比较

从表1调查结果可以看出，37人(90.2%)对利用Multisim仿真软件构建电路教学系统进行教学的方法总体评价好，比较认同该教学方法；另外，有36人(87.8%)对模拟电路实验箱的教学方法总体评价为一般。二者的差异具有统计学意义(χ2=49.98，P<0.01)。

表1两种教学方法进行X线机单向全波整流电路教学的总体评价n(%)

教学方法 人数教学效果评价 好一般χ2P仿真电路教学系统4137(90.2)4(9.8)模拟电路实验箱415(12.2)36(87.8)49.98<0.01

3.2 两种教学方法细节评价

对于教学方法细节评价，如表2所示。关于仿真电路教学系统“有利于对不同型号X线球管电气特性的掌握”的问题，有34(82.9%)位学生表示完全同意；2(4.9%)位学生表示同意；2(4.9%)位学生表示基本同意；3(7.3%)位学生表示不同意。而对于模拟电路实验箱，有1(2.4%)位学生表示完全同意；2(4.9%)位学生表示同意；2(4.9%)位学生表示基本同意；36(87.8%)位学生表示不同意。从表2可以看出，问题1的秩和检验结果Z=-7.534，P<0.01，关于两种教学方法细节评价的差异具有统计学意义。其他问题的细节评价结果如表2所述。

表2教学方法细节评价问卷调查结果n(%)

题序评价内容仿真电路教学系统模拟电路实验箱ZP1有利于对不同型号X线球管电气特性的掌握 完全同意34(82.9)1(2.4) 同意2(4.9)2(4.9) 基本同意2(4.9)2(4.9) 不同意3(7.3)36(87.8)-7.63<0.012方便实时观察X线机单元电路的运行状态和运行结果 完全同意30(73.2)1(2.4) 同意3(7.3)1(2.4) 基本同意3(7.3)5(12.2) 不同意5(12.2)34(82.9)-6.97 <0.013有助于X线机单元电路实验操作安全性的提高 完全同意35(85.3)10(24.4) 同意2(4.9)8(19.5) 基本同意2(4.9)7(17.1) 不同意2(4.9)16(39.1)-5.41 <0.014有利于课后对电路功能的复习 完全同意32(78.0)7(17.1) 同意5(12.2)2(4.9) 基本同意2(7.3)3(7.3) 不同意2(4.8)29(70.8)-6.23<0.015可以促进开放性思维的培养,提升自主设计电路的能力 完全同意35(85.3)1(2.4) 同意3(7.3)2(4.9) 基本同意1(2.4)10(24.4) 不同意2(4.8)28(68.3)-7.53<0.01

4 讨论

针对教学方法总体评价，调查显示，90.2%的学生认为Multisim仿真软件用于医学影像电子学课程中X线机单向全波整流电路的教学方法好。在Mul- tisim仿真软件用于医学影像电子学电路教学时，该方法可以根据不同型号球管仿真的需求，选择不同的电子管用于实验，进而“有利于对不同型号X线球管电气特性的掌握”。在教学细节评价上，有82.9%的学生完全同意这一观点。

其次，在传统的电路实验箱中，需要改变连线及输入参数来观察实验结果，由于经常发生人为误操作，增加了实验结果的不确定性，而利用Multisim仿真软件构建仿真电路教学系统用于电路实验，则可以实时观察X线机单元电路的运行状态和运行结果，这一点有73.2%的学生完全认可；以往在进行电路实验时，往往由于模拟电路实验箱的故障引发外壳漏电，使得学生实验时有触电危险，利用Multisim仿真软件开发的仿真教学系统用于X线机单元电路实验时，全部在计算机上操作完成，不存在触电危险，因此，有85.3%的学生非常认同教学仿真系统“有助于X线机单元电路实验安全性的提高”；相对于模拟电路实验箱方法，试验箱只能存放于在实验室，学生在课后进行复习时很不方便，仿真电路教学系统能够很好地解决这一问题，只需要学生电脑上安装Multisim仿真软件，即可随时随地进行电路实验仿真，这一点在两种教学方法的细节评价“有利于课后对电路功能的复习”问题上，不同意模拟电路实验箱教学方法的学生总共占总人数的70.8%，同意和完全同意仿真电路教学系统教学方法的学生占90.2%，并且P<0.01,学生对教学方法细节评价差异具有统计学意义。

最后，传统的模拟电路实验箱教学方法通常是根据教材中的问题，进行验证性实验，得出实验结果，填写实验报告。由于厂家设置，一些具有损坏仪器的试错性实验无法进行，而利用Multisim仿真软件构建的X线机单向全波整流电路教学系统能够很好地解决这一问题。当进行试错性实验时，能够得到软件反馈的错误信息，对电路情况分析后进行修改，这一过程可以提升学生的开放性思维能力和自主设计电路能力，在教学方法细节评价调查中也可以体现，85.3%的学生完全同意“可以促进开放性思维的培养，提升自主设计电路的能力”这一观点。

5 展望

Multisim仿真软件方法作为医学影像电子学实验教学方法的一个补充，有助于灵活开展实验教学，提高学生的学习兴趣和效率，从而最终提高学生的创新能力。但Multisim仿真软件用于医学影像电子学教学仍有改善的空间。例如：在医学X线影像设备学中，经常使用的一些特殊电气元件(例如自耦变压器、空间电荷补偿变压器、高压整流硅堆等)在目前开放环境中还没有提供，我们将在进一步的工作中，利用Multisim仿真软件自定义元器件功能对其进行建模，从而使得Multisim仿真软件可以进行课程中其他的实验。