医学影像虚拟仿真系统在临床教学中的应用

柴 娜，彭 锐，徐子良，李 剑，殷继鹏，郑敏文

(空军军医大学：1.西京医院放射科;2.西京消化病医院，陕西 西安 710032)

医学影像设备是医疗器械最主要技术含量最高的分支之一，也是医学影像学专业及生物医学工程专业的必修课。然而，在实际的医学影像教育教学过程中，仍存在诸多的限制与不足：医学设备工作原理抽象，结构复杂，使得理论教学枯燥、乏味；医疗设备体积较大，理论授课过程中无法随时进行课堂演示，因而难以把抽象的道理形象且通俗易懂地传授给学生，致使学生缺乏学习积极性；CT、MRI等硬件设备价格以及维修费用昂贵，如果要配备种类齐全的实训设施，其费用对于一般的医学院校来说难以承受[1]。因此，在资源有限的情况下，学生会缺乏亲自动手的机会。这也成了《医学影像设备学》这门课程教学的一个难题。

随着现代科技的飞速发展，虚拟仿真技术(Virtual Reality，VR)为解决这一难题带来契机。利用VR技术，我们可以对CT、MRI等医疗设备的结构进行建模，在计算机上真实模拟出价格高昂的各类大型医学影像设备，弥补实验资源受限等缺陷。同时，VR技术还可以模拟医疗设备的工作环境，对机械结构的拆解以及设备的操作流程进行模拟仿真[2]，降低了教学成本，并丰富了教学体验。

根据《教育部办公厅关于2017-2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》的文件精神，教育部及时把握信息时代高等教育的规律，全面深化高等教育教学质量，在全国范围内启动虚拟仿真实验教学项目建设，倡导和鼓励各高校探索虚拟仿真教学。在该政策的引导下，虚拟仿真正逐步应用于各个领域，并成为各大院校新的研究方向[3-4]。

空军军医大学影像医学与核医学教研室，是全军医学影像中心，我国基层医师培训基地和住院医师规范化培训基地，教研室承担空军军医大学研究生八年制、七年制、五年制临床，航医、心理学专业本科生多轨道的医学影像学理论与实践教学。

为促进医学成像系统在教学、管理、科研与临床中的应用，提高学科核心竞争力，空军军医大学西京医院放射科医工系教研室和医学影像教研室，依托学校信息化建设工作和基础条件，以5G技术为基础，结合混合虚拟仿真技术，率先构建了《医学影像设备学》课程的实践教学虚拟操作环境，通过模拟设备操作，使学生在虚拟现实场景内，直观理解设备结构，理解并掌握课程教学内容。本文将以胸部CT扫描技术为例，分析虚拟仿真技术在临床教学中的重要性。

1 教学分析

1.1 教学内容

本次授课内容是“医学成像与系统”，该课程是生物医学工程专业的必修课，选用的基本教材有我科石明国教授主编的《医学影像设备学》，以及牛金海教授主编的《超声原理及生物医学工程应用生物医学超声学》。本次比赛节选的是其中的“胸部CT扫描技术”部分，共分两个学时完成。第一学时：胸部CT扫描的适应征，扫描前的准备以及扫描技术。第二学时：显示和摄影技术，胸部正常CT图像解剖显示和肺部CT导向穿刺活检技术。

1.2 学情分析

本次授课对象是生物医学工程专业本科四年级学员，这部分学生已完成了前置课程的学习，具备了相应的基本理论知识，并且经过见习，也具备了主要的实践技能，系统掌握了相关专业知识，正处于从理论向创新实践转变的阶段。

1.3 教学目标

根据人才培养方案，结合医学课程标准和未来岗位的实际需求，确定了三个维度的教学目标，即知识目标：建立医学成像与系统的知识结构和思想[5]，掌握常见医疗器械的成像原理和简要构造；技能目标：引导学员将所学基础知识与实际工作相结合，并能进行简单操作，提高学生自主学习和解决实际问题的能力；情感目标：引导学员树立正确的人生观、价值观、热爱国家卫生事业，培养学员为国家卫生事业服务的使命感和荣誉感。

2 教学设计

将“以人为本，学以致用”的教学理念贯穿始终，引导学员将理论知识和临床实践相结合，将我们的教学和学员的能力认证相结合，把提示学员的岗位胜任能力作为实践教学的终极目标。

目前胸部CT的扫描主要以低剂量扫描为主，扫描厚度范围为1 mm～5 mm，我们在教学过程中采用启发式与病灶对比式相结合的教学方法[6]，帮助学员理解窗宽、窗位设置方案对肺磨玻璃密度结节面积测量的影响(见图1)，以及扫描层厚对于观察肺部病灶的影响(见图2)。如图1和图2所示，锐利算法重建及1mm重建对于观察磨玻璃内部细节好，能清晰显示增多增粗的血管，而平滑算法重建及5mm重建对于观察磨玻璃边界范围更好。

2.1 课程评价标准

本课程最终以考试课的形式进行考核。分为形成性考核和终结性考核2部分[7]。形成性考核根据学员平时的上课表现，对理论知识的掌握程度，实训操作是否规范，以及数据记录的分析情况，进行评分，占整个课程分值的20%。终结性考核：在基础理论授课结束后采取闭卷考试。占整个课程分值的80%。

图1 CT影像:锐利算法重建和平滑算法重建

图2 CT影像:1mm重建和5mm重建

3 虚拟仿真技术的运用

3.1 虚拟仿真技术背景介绍

虚拟仿真技术(Virtual Reality，VR)，又称计算机仿真，就是用一个系统模仿另一个真实系统的技术。是指利用计算机生成三维动态实景，对系统的结构、功能、行为，以及参与系统控制的人的行为和思维过程进行动态及逼真的模拟。VR技术最早应用于军事领域，如阿波罗登月计划、洲际导弹的研制、核电站运行等方面[8]。直到20世纪70年代中期，民用领域才开始出现VR技术，并且随着计算机信息技术的大规模发展，从1980年左右开始，VR技术才逐渐开始应用于人们生产及生活的各个方面，如仪器仪表、虚拟制造、电子产品设计、仿真训练等[9]。

数字孪生(Digital Twin, DT)是一种超越现实的概念，可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的现实系统的数字映射。数字孪生技术中的孪生并不是完全一样的两个个体，准确来说，它们是两个不同的系统，一个是现实世界中的真实系统，而另一个则是计算机仿真出来的虚拟系统[10]。通过计算机仿真技术，这个虚拟系统也能以一种直观的方式让我们感知与触碰。真实的系统由大量不同的模块构成，每个模块分别实现一个或多个功能，通过模块之间的相互配合，完成系统的运转。数字孪生技术则是通过计算机对真实系统进行模拟仿真，使得虚拟出来的系统无论是在外观，功能还是实际运行方面，均与真实系统相差无几[11]。

医学影像类专业的人才培养计划要求学生熟悉并掌握各类医学影像设备的实践操作技能。由于经费和实验设施的限制，在传统的教学过程中，学生实践操作技能的培养多选择在医院进行。由于医院的医疗任务繁重，因此实际留给学生动手机会本身就少之又少，这为实际教学带来了种种弊端[12-13]。为解决以上痛点问题，可以将VR技术与数字孪生技术应用到实际教学过程当中，通过计算机仿真，在三维场景中复现出《医学影像设备学》《医学影像成像理论》《医学影像检查技术》《医学影像诊断学》等专业课程的相关理论及实践教学内容[14]。并通过VR操作训练，让学生对医院影像中心的布局及设备功能有真实的体验理解，同时让学员体会实验的真实感和操作感。

近几年，全世界顶级大学纷纷步入虚拟仿真实验领域，并相继推出基于PC 、移动设备或独立设备的虚拟仿真实验项目和解决方案，从而大大加快了虚拟仿真实验相关研究的发展进程。但从总体上看，由于医学的专业性和特殊性， 医学虚拟仿真项目屈指可数，而医学影像仿真项目则更少，医学影像教育项目更是少之又少。在医学教育领域， 德国Ruhr大学的“网络虚拟实验室学习系统”，加拿大西安大略大学医疗健康学院的“医疗3D虚拟现实教学环境” 和美国英特哥特生命科学控股公司开发的“虚拟现实ICP颅内压检测探入植入教学系统” 是医学虚拟仿真教学的典型案例[14]。而在我国，山东的医影智能科技有限公司开发的医疗设备结构虚拟仿真系统可以构建出大型设备仿真模拟机和设备间，并能真实再现场地规划、机房设计、设备安装与调试，模拟真实场景中设备布局、结构和参数，使教师在教学过程中可以实现理论与实践结合，加强学生的认知深度。另一款性能检测虚拟仿真系统则将教材和临床实验结合，可以实现仪器设备的拆分和组装以及进行实训操作，确保了实验的沉浸感和互动感，使学生正确地掌握仪器设备的操作方法，并支持实验报告自动导出，为学生提供个性化学习。

3.2 课件展示

本课件实现了医工医理深度融合，利用VR及数字孪生等技术，集医学影像学成像原理，硬件结构及软硬件操作于一体，构建1∶1的医学影像学实践教学虚拟操作环境，解决了硬件设备昂贵、维修难及操作危险等一系列实际教学中的痛点问题。

通过VR技术开展虚拟实景教学，让学生直观理解设备结构；通过模拟设备操作，实现学生在虚拟现实场景内“学中做、做中学”，愉快地理解和掌握教学内容。

操作步骤显示：

展示部分以胸部CT常规扫描技术为例，学生通过理论学习和现场环境认知后，进行实训学习，点击进入按钮，按照提示逐步完成15个操作步骤。课件设有文字及图标步骤提示，当学生做出错误操作时，系统会给出错误提示。VR软件操作系统具有以下功能：

①学生通过理论学习和现场环境认知后，进行实训学习，点击进入按钮(见图3)；

②新建患者信息，体位摆放可以选择头先进、足先进、仰卧位、俯卧位、右侧卧位、左侧卧位(见图4)；

③可对CT扫描体位摆放方向进行各种调整，以适应各种检查部位(见图5)；

④可对定位扫描出现扫描部位CT图像进行扫描计划制定、修改、角度以及范围调整(见图6)；

⑤可以选择扫描参数(见图7)，可以进行OM、GB、EM、CM等多种定位线调整；扫完定位像，选好扫描范围后，开始扫描(见图8)；

图3 虚拟仿真系统进入按钮

图4 新建患者信息

图5 对CT扫描体位摆放方向进行各种调整

图6 对扫描部位CT图像进行扫描计划制定、修改、角度、范围调整

⑥操作系统可以排版各种方案、可对图像显示定位线、具备拍片、窗宽、窗位、骨窗、脑窗、肺窗、纵膈窗、图像处理、发送等功能(见图9)。

教研室同期开发了部分实践教学的手机端APP，解决实训教室设备不足的问题，也为远程教学提供了基础。

图7 选择扫描参数

图8 扫完定位像，选好扫描范围后，开始扫描

图9 获取扫描结果，操作系统可以排版多种方案，并对图像进行后处理

4 结语

《医学影像设备学》是医学影像技术专业的核心课程。每个医学影像检查设备的工作原理及组成构造需要学生花费大量时间去记忆与掌握。而在传统授课过程中，学生在规定的授课时间内，很难对这些内容进行充分的学习和观察。因此，很多该专业学生在这门课程的学习上存在一定的困难[15]。教学效果满意度调查的结果显示，该专业的多数学生对于传统的教学方式、方法表示不满意。存在的主要问题是供学生实际动手拆卸、观察的影像检查设备数量少，且实际操作时间短。实验课考试成绩的结果也显示了传统教学方式的欠佳[16]。

虚拟仿真技术完美解决了以上教学难题。为了鼓励各级各类学校探索仿真实验教学的新理念、新方法及新模式，推动仿真教学的发展与应用，引导高校加强对仿真教学创新应用人才的培养，创新教学模式，提高教育质量，中国仿真学会举办了全国仿真教学大赛，为国内从事仿真实验教学的教师们搭建了一个交流经验和展示成果的平台。

作为参赛队伍之一，西京医院放射科医工系教研室和医学影像教研室的作品《医学成像与系统-胸部CT成像技术》成功入围决赛并获得一等奖，这也是我校首次获得“全国仿真教学大赛”一等奖。本课件依托学校信息化建设工作和基础条件，以5G技术为基础，将VR技术与医学影像学融合，所开展的虚拟实景教学完美解决了以上教学痛点和难题，让学员具有实验的真实感、沉浸感、互动感和操作感。促进了医学影像技术在教学、管理及医学科研中的应用，极大提高了学科核心竞争力。

综上所述，将虚拟现实技术应用于临床教学，能够有效提升《医学影像设备学》的教学效果，减轻教员的教学工作负担，实现教学资源的共享，大幅减低院校对医疗实训设备的资金投入和教学成本，是教与学的双赢模式。