医学三维虚拟仿真实验教学平台设计的探索

陈冬梅　范姗慧

【摘 要】目前医学三维成像技术在教学实验中受到教学方式和实验条件的限制，不能达到预期的效果。笔者基于目前医学三维成像的研究基础，尝试构建医学三维虚拟仿真实验教学平台，将医学图像重建、图像处理与分析、医疗设备仪器中的光电信号检测等基础知识融合到该平台系统中，在低成本和零风险下实现医学三维成像的原理、模型等方面的模拟和实验教学。

【关键词】医学三维成像;虚拟仿真;教学平台

中图分类号： K250.6 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）33-0099-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.33.049

0 引言

医学三维成像是研究由各种医学成像设备获取的二维图像或二维数据构建组织或器官的三维模型，可通过计算机及其他设备绘制并显示出来。如今，医学三维成像已是很多医学成像设备中不可或缺的必备功能之一。这不仅是CT、PET等大型医疗应用得以实现的必要手段，更是达到高效、准确的医疗检查和诊断治疗的重要措施。在很多专业课教学中，医学三维成像也是需要开展和学习的重要内容之一。

然而医学三维成像的教学效果受到传统教学方式和手段的诸多局限。其成像原理较复杂，理论知识抽象枯燥，单纯的讲授形式不利于学生的学习理解。其成像设备涉及精细的软硬件构造，价格昂贵，部分设备还会发散高能射线辐射，很难在教学环境中开展真实实验[1]。医学三维成像仿真模拟能够利用较低成本实现三维成像的原理、模型等方面的模拟和应用研究，从而进一步拓展医学三维成像的发展和普及，是一种非常重要的研究手段和技术[2]。

目前医学三维成像的仿真模拟主要通过基于MATLAB、C、C++等基础语言和开发平台，从而实现计算机断层成像、正电子发射型计算机断层成像、光学成像等多个模态中的三维成像模拟，此外，为了研究的便捷和针对性，还开发了很多专用的仿真工具和软件，如GATE[3]、MOSE[4]、COMSOL、Zemax等，得到了业内人士的普遍认可和使用。这些軟件入门门槛较高，涉及很多专业术语和基础知识的学习，受到应用领域和使用人群的局限性，不利于医学三维成像的教学和学生的理解吸收[5]。

基于这些平台的专业性和针对性，如何利用这些软件平台和基础语言，进一步推广医学三维成像的发展和推广就是一项重要工作[6]。因此我们基于目前医学三维成像的研究基础，进行了构建医学三维虚拟仿真实验教学平台设计的探索，该平台在构建中涵盖了医学图像重建、图像处理与分析、医疗设备仪器中的光电信号检测等基础知识，能够实现低成本和零风险下实现医学三维成像的原理、模型等方面的模拟和实验教学。

1 设计思路

医学三维虚拟仿真平台在设计时，既要考虑成像模态的专业性，又要通俗易懂便于教学使用，兼顾教学性和实验性，因此首先考虑选取几种典型的成像手段作为切入点，这里选取光学相干断层成像（OCT），正电子发射计算机断层成像（PET）和X射线激发发光断层成像（XLT）三种医学成像模态作为中小型、大型和前沿性的医学成像手段的代表，分别模拟高分辨的三维眼科OCT成像系统、PET大型成像设备和高分辨率的窄束XLT成像系统，设计如图1所示的框架平台：

根据上述框架，基本设计内容包括：基于GATE的PET三维成像虚拟仿真，基于MATLAB的光学相干断层成像三维成像虚拟仿真和光学三维成像虚拟仿真。基于GATE的PET三维成像虚拟仿真包括：PET三维成像过程的虚拟演示，PET三维成像的数据校正模拟，PET三维成像的重建模型模拟和仿真与PET三维成像结果的可视化和结果分析评估。基于MATLAB的光学相干断层成像三维成像虚拟仿真包括：OCT成像过程的虚拟演示，OCT成像过程的数据处理，OCT成像结果的可视化与结果分析。基于MATLAB的光学三维成像虚拟仿真包括：光学三维成像过程的虚拟演示，光学三维成像过程的数据处理，光学三维成像结果的可视化与结果分析。

医学三维成像仿真平台旨在让使用者了解不同成像手段的基本成像原理;同时在该平台上开设了部分功能改进与添加的设计性实验，主要包括： OCT二维图像滤波、对比度调节以及三维成像结果比较，XLT的射线束产生与三维结果显示等，使学生掌握基本的数据处理和分析手段。

该平台主要面向本学院的本科生和研究生，主要针对测量技术与仪器专业、生物医学工程专业、医学信息工程专业的学生，辅助临床医学工程这门课程的课外实验，在不接触大型设备和系统的条件下，避免了辐射等安全隐患，降低了教学成本，有助于本院学生学习和了解本专业的应用特色，加深对课堂知识的理解和认识。

2 应用效果分析

2.1 理论实际联系紧密

该虚拟仿真平台可以结合理论授课过程，通过系统向学生展示典型医学三维成像设备的构成、功能、基本工作原理，形象逼真的演示成像过程，达到“百闻不如一见”的效果，从而激发出学生对设备学的浓厚兴趣，唤起对设备的学习热情。授课过程中，可以把各部分的原理融合成一个整体，让学生深刻理解医疗仪器设备中每个部件的作用与联系，并通过成像结果的案例解析透彻掌握医学三维成像涉及的原理与方法，加深学生对这一复杂概念的理解。

以PET成像为例，该成像过程中有针对性地开展基于GATE的PET三维成像仿真实验，创新性的应用GATE软件建设和模拟特定PET系统，如图2所示。平台的使用和改进过程不仅可以充分开发学生的创造力和学习能力、拓展本学科和专业的实践和应用，实现医学三维成像技术的发展和进步。理论授课结束后，学生不但很好地掌握了PET等三维成像技术的原理，通过虚拟平台还能体会到计算机、数字电路、信号与系统等各基础学科之间的联系及其在医疗设备领域的应用。

2.2 实践互动教学

系统中还设置了实验设计模块，通过该模块，学生在已有的感性认识和理解上，可以开展综合设计实验，一方面可以通过实际操作进一步学习三维成像模态中成像方法与相关参数的意义，另一方面可以通过编程和调试增加学生对相关知识的学习兴趣，鼓励学生们把所学知识应用到实际中去，不但大大激发了学生对医学影像设备的兴趣，而且还提供了一个综合运用多学科知识的平台。

以OCT成像为例，学生可以在理解学习OCT成像原理的基礎上，对OCT成像过程中的图像处理方法以及相关参数在进行修改，后台编写OCT图像处理方法并在平台中可视化显示处理结果，如图3所示不但可以实现实验教学互动，实现理论与实验相互渗透，也提供了一个学生实践学习的机会，进而达到在实践中领会理论，在理论指导下学会实践，完成理论和实践质的飞跃。

2.3 低成本、零风险

不论是大型PET设备，抑或光学三维成像，其设备成本和系统造价均较高，更不要提潜在的射线对人体的危害和辐射。本医学三维成像仿真实验项目仅需要特定的仿真平台软件和计算机等数据处理设备就能够完成医学三维成像研究，不仅设备成本大大降低，更避免了该实验教学研究体系中潜在的伤害和风险。在进行XLT成像模态讲解中，可以通过图4所示的环节，动态演示X射线的变化过程以及输出图像的直观展示。一方面降低了对实验设备数量的要求，通关过平台演示有感性认识，又降低了教学实验（下转第41页）（上接第100页）环节的辐射伤害和操作风险以及设备维修和升级费用。

3 结论

该平台的设计开发不仅有利于课堂知识和前沿学科的拓展，也有助于推广目前以来器械企业和科研机构的宣传。实践证明，本文设计开发的虚拟仿真系统教学中效果良好，完全可以推广到其他种类医学影像设备的教学中。

【参考文献】

[1]齐现英，鲁雯，韩丰谈，等.虚拟仿真教学在《医学影像设备学》教学中的研究与应用[J].中国医学物理学杂志，2012，29（1）：128-130.

[2]刘鹏涛，游英慧，王金才，等.医学实验教学中虚拟仪器技术的应用[J].中国医学教育技术，2010，24（1）：52-54.

[3]曾志，李君利，程建平，等.Geant4在核技术领域的应用[J].同位素，2005，18（2）：55-58.

[4]任努努，陈多芳，陈雪利，等.光学分子影像仿真平台MOSE的设计与实现[J].计算机科学，2011，38（5）：268-271.

[5]杨庆华，李薇，贺超.虚拟实验在医学成像技术类课程教学中的应用[J].中国科技信息，2011（23）：212-212.

[6]陈多芳.医学图像重建课程的实验教学研究[J].时代教育，2014（17）：43-43.