基于虛擬儀器的醫(yī)學(xué)模擬人在臨床實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

鄭旋++鄭麗娟

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2016.27.177

摘 要：基于虛擬儀器的醫(yī)學(xué)模擬人仿真系統(tǒng)可以根據(jù)用戶需求進(jìn)行模擬病例的診斷，通過模擬大型醫(yī)學(xué)影像設(shè)備MRI、CT的臨床實(shí)踐，不僅能為學(xué)生提供生動(dòng)、逼真的實(shí)踐環(huán)境，讓學(xué)生達(dá)到身臨其境的效果，而且還可以用虛擬設(shè)備和模型替代價(jià)格昂貴的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料。建構(gòu)了一個(gè)基于虛擬儀器的醫(yī)學(xué)模擬人仿真操作系統(tǒng)，并在相應(yīng)的臨床實(shí)驗(yàn)課程中進(jìn)行了應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器 模擬人 臨床實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）09（c）-0177-02

目前，在我國臨床醫(yī)學(xué)教育中，普遍存在以下幾個(gè)問題：第一，醫(yī)學(xué)教育對(duì)臨床實(shí)踐技能的基本要求，強(qiáng)調(diào)能及時(shí)、有效地診斷和處理病人。但是，臨床實(shí)踐技能的培養(yǎng)一直是醫(yī)學(xué)教育過程中的薄弱環(huán)節(jié)；第二，傳統(tǒng)的臨床實(shí)踐教學(xué)多是通過觀察或是重復(fù)老師、高年資醫(yī)生的操作來進(jìn)行，學(xué)習(xí)者只能學(xué)習(xí)到接觸過的病例，而對(duì)于無法接觸到的病例只能通過書本教材去想象。第三，醫(yī)學(xué)臨床實(shí)驗(yàn)一般使用活體動(dòng)物較為普遍，但是，隨著近年來學(xué)生人數(shù)大幅增加，學(xué)生實(shí)際臨床實(shí)驗(yàn)無法得到保證。

醫(yī)學(xué)模擬人作為一種新的臨床實(shí)踐手段，基本上可以解決以上難題。

基于虛擬儀器的醫(yī)學(xué)模擬人是計(jì)算機(jī)科學(xué)、信息科學(xué)和醫(yī)學(xué)相結(jié)合的系統(tǒng)。通過云計(jì)算數(shù)據(jù)庫技術(shù)在醫(yī)院、學(xué)校、教室以及實(shí)驗(yàn)室之間建立一個(gè)可共享的病例數(shù)據(jù)庫，在客戶端實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)教學(xué)、研究和實(shí)驗(yàn)的目的。

中國正式開始對(duì)模擬可視人的研究，是2001年在北京香山會(huì)議上提出的，很快被列入國家“863”啟動(dòng)項(xiàng)目——“數(shù)字化模擬人若干關(guān)鍵技術(shù)的研究”。由于可視人體研究在與人體形態(tài)結(jié)構(gòu)有關(guān)的眾多研究領(lǐng)域具有重要的理論意義及廣闊的應(yīng)用前景，國內(nèi)不少學(xué)者一直關(guān)注著這一研究領(lǐng)域的進(jìn)展，并利用美國的VHP 數(shù)據(jù)集進(jìn)行了卓有成效的研究。如清華大學(xué)利用VHP數(shù)據(jù)集，在基于模擬人體的計(jì)算機(jī)醫(yī)學(xué)研究方面， 對(duì)人體多個(gè)器官的結(jié)構(gòu)與功能進(jìn)行了可視化顯示；中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所構(gòu)建了開放的虛擬人體試驗(yàn)平臺(tái)， 對(duì)于數(shù)據(jù)壓縮、圖像分割、配準(zhǔn)與融合、三維重建與繪制等算法進(jìn)行了研究。

1 基于虛擬儀器的醫(yī)學(xué)模擬人的構(gòu)建

在構(gòu)建基于虛擬儀器的醫(yī)學(xué)模擬人仿真操作系統(tǒng)的過程中，具體完成了如下工作：（1）參照國內(nèi)主流醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的操作界面來確定系統(tǒng)的功能和模式，根據(jù)相關(guān)原理、成像參數(shù)、各參數(shù)之間的關(guān)系及參數(shù)的選擇對(duì)影像質(zhì)量、顯示效果的影響，確定系統(tǒng)的具體功能。（2）根據(jù)主流設(shè)備的共性，采用模塊化設(shè)計(jì)來確定仿真系統(tǒng)的整體框架，通過編寫軟件流程圖，繪制結(jié)構(gòu)方框圖，以達(dá)到最優(yōu)化的仿真效果。（3）確定人體各成像部位圖片與軟件操作界面及各成像參數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。（4）建立仿真操作系統(tǒng)的影像圖片數(shù)據(jù)庫，確定人體各部位影像圖片的格式、適用范圍、質(zhì)量要求等。重點(diǎn)研究了圖像顯示、數(shù)據(jù)調(diào)用、運(yùn)行速度、仿真效果等要素。

技術(shù)要求：確定了模擬軟件平臺(tái)的主界面與從屬掃描界面之間的功能鏈接，數(shù)據(jù)的調(diào)用、顯示、保存。探索軟件操作過程中與理論知識(shí)的結(jié)合點(diǎn)或切入點(diǎn)，讓學(xué)生在牢固掌握論知識(shí)的基礎(chǔ)上，正確完成各種選項(xiàng)和各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)定，并能順利保存掃描協(xié)議，啟動(dòng)仿真掃描進(jìn)程；功能模塊的選項(xiàng)及參數(shù)的設(shè)定在符合臨床實(shí)際的同時(shí)，依照常規(guī)掃描限定參數(shù)的選取范圍。并且，各選項(xiàng)和參數(shù)之間按照實(shí)際情況進(jìn)行準(zhǔn)確的互動(dòng)和鏈接。其模擬仿真操作界面如圖1所示。

該模擬仿真系統(tǒng)建立后，不僅能為學(xué)生提供生動(dòng)、逼真的實(shí)踐環(huán)境，讓學(xué)生達(dá)到身臨其境的效果，而且還可以用虛擬設(shè)備和模型替代價(jià)格昂貴的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料，把具體的實(shí)驗(yàn)操作轉(zhuǎn)化為使用鼠標(biāo)、鍵盤等對(duì)模型的交互操作，可有效降低實(shí)驗(yàn)的成本和風(fēng)險(xiǎn)。

2 基于虛擬儀器的醫(yī)學(xué)模擬人在臨床實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

自2013年以來，該校對(duì)原來的課程體系進(jìn)行了優(yōu)化重組，增加了開設(shè)的《醫(yī)學(xué)影像原理與技術(shù)》實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)時(shí)，在以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力為核心的素質(zhì)教育方面進(jìn)行了有益的探索和實(shí)踐，取得了令人滿意的效果。從技術(shù)角度提出了《醫(yī)學(xué)影像原理與設(shè)備》實(shí)踐教學(xué)中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)選擇的應(yīng)用方案，引進(jìn)設(shè)計(jì)了系列化大型醫(yī)學(xué)影像設(shè)備CT、MRI、超聲等仿真操作訓(xùn)練系統(tǒng)，使得實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件得到很大改善。

經(jīng)過2年臨床實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用，該模擬仿真系統(tǒng)獲得師生的肯定。在虛擬儀器的配套仿真軟件基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了臨床理論與臨床實(shí)踐教學(xué)的有效銜接與互補(bǔ)，拓展了臨床實(shí)踐教學(xué)的深度和廣度、提高了學(xué)生進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)效，同時(shí)也盡可能地減少了實(shí)驗(yàn)成本和避免了對(duì)患者的侵?jǐn)_。教師在課堂進(jìn)行理論教學(xué)時(shí)，利用專業(yè)的模擬仿真平臺(tái)，采用多媒體技術(shù)，構(gòu)建了具有高度真實(shí)感、直觀性和精確性模擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了臨床理論教學(xué)與臨床實(shí)踐教學(xué)的有益補(bǔ)充和創(chuàng)新。基于虛擬儀器的模擬人仿真平臺(tái)除了在模擬MRI、CT大型設(shè)備的界面、功能、操作過程上具有高仿真度外，系統(tǒng)還具有參數(shù)設(shè)定范圍限制、必選項(xiàng)規(guī)定、智能糾錯(cuò)、自動(dòng)判斷并提示參數(shù)及選項(xiàng)錯(cuò)誤等特點(diǎn)。在臨床實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)的同時(shí)促進(jìn)對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握。

該文利用贛南醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)和生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的樣本數(shù)據(jù)，分析了基于虛擬儀器的醫(yī)學(xué)模擬人仿真軟件在《醫(yī)學(xué)影像原理與設(shè)備》臨床實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用效果。結(jié)果表明，模擬仿真軟件在《醫(yī)學(xué)影像原理與設(shè)備》臨床實(shí)驗(yàn)課的使用效果受到學(xué)生計(jì)算機(jī)操作技能、軟件的仿真度、實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)是否能相互配合、學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣以及實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備情況等多種因素的影響。為了能夠更好地發(fā)揮模擬仿真系統(tǒng)在《醫(yī)學(xué)影像原理與設(shè)備》臨床實(shí)踐的效果，針對(duì)調(diào)查中的問題提出如下建議。

第一，將臨床實(shí)驗(yàn)和理論同等重視，科學(xué)合理地安排臨床實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程。贛南醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)和生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)模擬軟件的使用多是設(shè)置在課程的實(shí)驗(yàn)部分，而未單獨(dú)設(shè)課。通過擴(kuò)充該專業(yè)實(shí)驗(yàn)課的學(xué)時(shí)或單獨(dú)設(shè)置實(shí)驗(yàn)課程，更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。

第二，任課教師應(yīng)使學(xué)生重視臨床實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識(shí)到通過模擬臨床實(shí)踐教學(xué)的訓(xùn)練能夠有效地提升學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，對(duì)學(xué)生今后實(shí)際工作也有所裨益。

第三，可以嘗試校企聯(lián)合開發(fā)模擬軟件，來提高操作系統(tǒng)的仿真度。通過學(xué)校與軟件公司攜手開發(fā)，一方面，企業(yè)具有的軟件設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)的專業(yè)性可以保證仿真軟件平臺(tái)的專業(yè)性；另一方面，學(xué)校任課教師能夠更準(zhǔn)確地表述模擬仿真軟件的功能需求，從而使得理論課程與臨床實(shí)踐相匹配，從而保證了臨床實(shí)踐中教師與學(xué)生的需求。

第四，加強(qiáng)該學(xué)科實(shí)驗(yàn)室的規(guī)劃和建設(shè)。實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)應(yīng)根據(jù)學(xué)科的辦學(xué)規(guī)模、專業(yè)設(shè)置以及教學(xué)和科研的需求，對(duì)實(shí)驗(yàn)室的功能和預(yù)期效果進(jìn)行準(zhǔn)確定位和分析，讓僅有的資源效益最大化。

參考文獻(xiàn)

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