PET-CT设备结构认知与故障分析虚拟仿真教学系统的设计与应用

时梅林，谢 懿，卫 静，谢晓萱，韩岩铭，

徐 璇1，崔 灏1，董玉霖1，于 孟2

徐州医科大学：1.医学影像学院， 江苏 徐州 221004；2.附属医院影像科， 江苏 徐州 221002

PET-CT(positron emission tomography-computed tomography，正电子发射断层显像-X线计算机体层成像仪)，是将PET(功能代谢成像)与CT(解剖结构成像)两种影像技术有机结合，应用于临床诊断的核医学成像设备[1]。近年来，PET-CT设备装配量急速上升，行业技术人才需求缺口大，岗位对设备技术操作、日常保养、故障检修及安全维护等实践技能有较高的要求，因此人才培养的实践教学是重中之重[2]。现阶段PET-CT设备的实践训练需要借助医院资源开展，但由于高端医疗设备成本高昂，且存在辐射、日常高负荷运作等问题，学生往往只能现场观摩带教教师操作实训，这种“围观式”实训模式容易导致理论与实践脱节，从而限制了学生实践能力的培养[3]。

随着计算机技术的快速发展，虚拟仿真教学得到了广泛应用，为开展探究性学习、创新实践和自主实验提供了开放平台[4]。文章以PET-CT设备为研究对象，利用计算机图形学、虚拟现实、增强现实、智能交互等技术研发出一套PET-CT设备虚拟仿真教学系统。该系统在虚拟环境中高度仿真设备结构，模拟真实设备故障分析过程，具有沉浸性、交互性和智能性等特征，能够激发学生的学习兴趣和潜能，有利于培养学生的专业实践能力[5]。

1 系统设计

研究团队为构建PET-CT结构认知与故障分析智能交互模块，首先通过3Ds MAX、Cinema 4D等建模软件搭建等比例缩小的PET-CT设备三维模型；然后对模型添加材质和表面贴图，渲染后导出模型；再将导出的模型库导入Unity 3D软件中，进行虚拟现实交互功能的开发。其系统开发流程如图1所示。

2 关键技术

2.1 模型搭建与贴图

三维模型是整个PET-CT设备虚拟仿真系统的基础，仿真程度直接影响系统实训效果[6]。在获得许可的情况下，研究团队于徐州医科大学附属医院核医学科进行实地调研，测量实物参数，观察PET系统结构和CT系统结构，重点观测探测器组件排列方式、球管外形、光电倍增管的电子倍增结构和X线探测器等重要结构，记录环形探测器数、闪烁晶体数、光电倍增管数、CT探测器采集单元数和球管尺寸等相关参数，并向多位专业工程师咨询设备的基本电路结构、基本操作、日常维护工作、常见故障的判断和解决方法以及定期养护等相关事宜，为后续工作积累原始资料。

在建模过程中，系统利用划分层次结构和模型优化技术实现模型的有效存储和调度[7]。为保证设备模型的真实性，还需进行UVW展开贴图，结合Photo- shop软件设计制作金属质感贴图并调整材质属性。图2所示为常见的PET-CT设备，图3为等比例搭建的PET-CT设备模型。该系统构建的PET-CT三维模型中主要包括外部机架、探测器系统、旋转阳极X线管结构。

图2 常见PET-CT设备图

图3 系统构建的PET-CT模型图

其中，探测器系统主要组件是探测器组件、闪烁晶体和光电倍增管。

常见探测扫描仪是环形探测扫描仪，它由12块探测器电子组件(DEA)在机架内360°沿顺时针排列而成[8]。为保证DEA模型细节高度仿真，对其边缘轮廓采用多层级处理，使模型更有层次感。光电倍增管一般由入射窗、光阴极、倍增系统、阳极等组成[9]。采取由局部到整体的建模顺序，分别对管针和倍增极进行建模，利用“克隆”“多边形编辑”等命令完成模型的构建。图4、图5分别为探测环模型图、光电倍增管模型图。

图5 光电倍增管模型图

2.2 用户友好界面的实现

该系统作为虚拟仿真教学软件，其界面布局必须清晰明了、简单易懂、可操作性强，交互训练必须实现沉浸性、智能性、易达到的实训效果。用户友好界面的实现，是利用Unity 3D软件在界面上按功能分类进行控件设置，力求信息传达准确、避免视觉干扰[10]。交互功能是实现虚拟仿真设备教学的重要方式，因此该系统设计了五种基础交互方式，分别为场景切换交互、模型移动及旋转的交互、视频与音效的交互、鼠标滑过显示文字的交互和视野变换与人物走动相结合的交互。

3 系统主要模块的设计与实现

3.1 结构认知模块

该模块根据学生实际需求分为结构展示部分与动画展示部分，图6为结构认知逻辑判断图。

图6 结构认知逻辑判断图

用户进入虚拟场景时可以第一视角观察放置于设备间的PET-CT机架，点击“机架外观”按钮，便可进入内部结构学习模块，使用缩放、旋转功能能够细致观察零部件细节，同时系统配以文字说明。

动画展示部分由成像原理动画与整机分解动画组成。可点击“一键打散”或“一键还原”按钮，实现整机的对应分解与还原过程；为了降低制作动画的繁琐程度，制作时选择使用Unity 3D中的Animation Clip进行动画编辑，并辅以编码制作，较为简单的动画则在3Ds MAX中渲染后直接导入Unity 3D。图7为“一键还原”功能模块示例。

图7 “一键还原”功能示例图

3.2 故障分析模块

PET-CT设备的故障一般可分为机架故障、重建计算机故障、伪影故障、传送带故障、冷却系统故障[11]。图8为系统故障分析训练模块实现步骤图。系统内置

图8 故障分析模块实现步骤图

了故障诊断测试程序界面、指示灯变换、正常与故障声音、关键点的万用表、示波器维修等方式，建立虚拟故障分析训练场景，用户点击“故障演示”按钮，则会弹出对话框显示具体故障原因与处理方法。此外，“操作实训”模块中包含“质控”“判断碳刷寿命”等多个现场故障实例分析视频，系统将一线工程师的临床工作经验转换为优质视频训练资源，虚实结合，巩固所学知识，可以达到更好的训练效果。图9为系统虚拟故障分析训练场景界面。

图9 故障分析训练场景界面

3.3 课堂考核模块

该模块设计了一个包含300道选择题的训练题库，每次训练随机抽取30道题，每道题做完时提示是否正确，若正确则可点击下一题；若错误则会出现红色文字提示，点击“提示答案”显示正确答案，同时界面右上角实时更新正确率。答题功能实现的核心在于编写逻辑控制代码，在线课堂考核模块界面如图10所示。

图10 在线课堂考核模块界面

4 教学效果验证

系统开发完成后，首先面向徐州医科大学医学影像学院的学生进行试用推广。该研究采用抽样法，在2019—2020学年第一学期修“医学影像设备学”课程的班级中随机抽取2个班级共85名学生作为研究对象。该研究设计以教学模式作为自变量，班级学生成绩为因变量。其中，班级1为对照组(n=43)，沿用传统教学模式，课程分为理论授课和医院实训两部分；班级2为试验组(n=42)，采用该仿真训练系统与传统教学相结合的新型教学模式，课程除理论授课和医院实训外，采用PET-CT虚拟仿真教学系统辅助进行教学。

4.1 两组学生考核成绩比较

该研究以学生客观考试成绩对比进行分析。在理论课程进行期间统一安排课堂测验，平时成绩由课堂测验成绩和考勤成绩组成；理论教学结束后统一安排期末考试(课堂测验和期末考试均为闭卷笔试，100分制)。最终考核成绩=平时成绩(占比30%)+期末考试成绩(占比70%)。为使评价更加客观公正，避免偶然因素对统计结果的影响，在统计各项成绩时统一去掉一个最高分与一个最低分，然后计算两个班级平时成绩、期末考试成绩和最终成绩的均数和标准差，结果如表1所示。

表1 两组学生考核成绩比较

表1显示，试验组的期末考试成绩和最终考核成绩均高于对照组，且差异具有统计学意义(P<0.001)，但平时成绩低于对照组。平时成绩能够检验学生课堂参与情况，反映课堂学习效率；期末考试则检验学生全课程的学习成果，反映了学生自主学习的能力。可以看出，试验组与对照组在课堂考勤、知识预习方面有一定差距，平时分略低于对照组；但试验组在后续学习时辅以虚拟仿真教学系统，所取得的期末成绩高于对照组，最终考核成绩也略高于对照组：可见新型教学模式取得了一定成效。经实际验证，该仿真训练系统的应用能够丰富现有教学模式，在提升学生学习效率、学习水平方面具有正向积极作用[12]。课后巩固时，能够帮助试验组学生理解运行原理，辨析疑难问题，激发学习兴趣，拓展思维空间；阶段复习时，可帮助学生解除时空限制，随时随地通过虚拟情景训练来复习巩固所学知识[13]。

4.2 问卷调查

该调查主要以学生主观学习感受与反馈对比分析。向试验组42名学生发放线上调查问卷，收回42份，回收率为100%。调查问卷为自制的“虚拟仿真教学系统体验效果评价表”，包含学习兴趣、学习能力、学习效率、知识点契合等八项内容(结果如表2所示)。

表2 问卷调查结果统计 n(%)

调查结果显示，8个项目指标反映的满意度均较高： 81.0%的学生认为该系统激发了自己对该课程的兴趣，85.7%的学生认可该系统对现有教学模式的数字化延伸，88.1%的学生认可该新型教学模式，更有92.9%的学生认为系统提高了其动手实践能力，少数学生则持有否定和观望态度。从学生角度而言，该系统在学科专业性上具有较高的契合度，提供的智能交互体验极大地促进了学生学习的积极性，一定程度上优化了“教”与“学”的关系，提高了学生自主学习能力、问题解决能力与科研思维能力[14]。

5 结束语

近年来，徐州医科大学结合学科优势协调发展，把医学与工学紧密结合，在产学研成果转化过程中创新研发了系列化医学影像设备虚拟仿真训练系统，利用仿真技术解决了医学影像设备实践教学难的问题[15]。该系统延续“虚实结合”的理念，以行业发展的人才需求为导向，以提高人才层次和综合素质培养为核心，整合创新，采取新型教学模式，以PET-CT设备学知识点为理论基础建立虚拟仿真训练项目基本框架，利用理论与实践关联性开发虚拟仿真实训平台，为医学影像技术应用型人才培养构建整体解决方案[16]。

实践证明，该系统能够帮助学生提高学习效率，降低实训教学成本，丰富教学内容，将理论知识立体化、具象化[17]。通过智能交互技术实现智能化实训及交互式导学，具有环境安全无辐射、设备高度仿真等教学优势，使学生可以突破场地、设备、时间等常规条件限制进行自主参与训练，让学生理解设备结构、掌握维修技巧、提高实践能力[18]。该系统将理论知识深入融合于学生的动手实践中，践行灌输式感知型教育到互动式体验型教育的转变，为学生日后担任相应岗位培养岗位胜任力[19-20]。