醫(yī)學(xué)影像設(shè)備智能教學(xué)平臺的研究

余會娟 曹彥 王文靜

摘要：該文介紹了醫(yī)學(xué)影像設(shè)備智能教學(xué)平臺中儀器硬件設(shè)備展示平臺、智能控制管理軟件操作平臺、移動APP教學(xué)平臺和模擬教學(xué)資源庫等的設(shè)計研究及創(chuàng)新之處。

醫(yī)學(xué)影像設(shè)備智能教學(xué)平臺；設(shè)計研究；創(chuàng)新性

中圖分類號：Q819 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）13-0157-02

Research on the intelligent teaching platform for medical imaging equipment

YU Hui-juan，CAO Yan，WANG Weng-jing

（Medical Technology Department，Anhui Medical College， Hefei 230601，China）

Abstract： This paper introduces the design， research and innovation of instrument and hardware display platform， intelligent control management software operation platform， mobile APP teaching platform and simulation teaching resource library in the intelligent teaching platform of medical imaging equipment.

Key words： intelligent teaching platform for medical imaging equipment； design and research； innovation

1 研究的意義

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會的進(jìn)步對我國高校學(xué)生的綜合素質(zhì)以及實踐技能的要求越來越高。實踐教學(xué)是一種基于實踐的教育理念和教學(xué)活動。在教學(xué)過程中，激勵學(xué)生主動參與、主動思考、主動探索，是一種培養(yǎng)學(xué)生綜合能力為主要目標(biāo)的教學(xué)形式。

但是目前高校辦學(xué)過程中，實踐教學(xué)相對薄弱、甚至嚴(yán)重滯后的現(xiàn)象，不利于人才培養(yǎng)目標(biāo)的實現(xiàn)。醫(yī)學(xué)類高校實踐教學(xué)方面更有其特殊性：1）教學(xué)資源緊張。學(xué)生主要實踐的場所是醫(yī)院，對象是人體。隨著人們對健康水平要求的不斷提高以及醫(yī)患關(guān)系的日益緊張，醫(yī)學(xué)高校學(xué)生在患者身上之間操作受到很大的限制，很難有相應(yīng)課程的實踐操作的機(jī)會。2）教學(xué)內(nèi)容抽象，學(xué)生對很多知識無直觀感受。3）隨著醫(yī)療器械的發(fā)展，醫(yī)學(xué)高校對學(xué)生操作儀器的要求更高，但是受制于昂貴的影像設(shè)備產(chǎn)品、苛刻的使用條件、昂貴的使用和維修費用，醫(yī)學(xué)高校無法滿足每個學(xué)生能夠獲得操作和理解基本原理的條件。因此醫(yī)學(xué)高校仿真實踐教學(xué)不僅是一種新的教學(xué)方法，一種將理論與實踐相結(jié)合的新教學(xué)手段，更是未來智能化教育的基礎(chǔ)。仿真實踐教學(xué)讓學(xué)生置身于仿真環(huán)境中，可以充分調(diào)動感覺，運動和思維，極大地提高了學(xué)習(xí)效率。此外，仿真教學(xué)可供學(xué)生在沒有教師參與的情況下自學(xué)，并反復(fù)試驗自行設(shè)計的實驗方案，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)能動性。

2 國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

目前在醫(yī)學(xué)高校仿真教學(xué)領(lǐng)域，已經(jīng)有各色各樣的軟件仿真系統(tǒng)和醫(yī)學(xué)人體模型。高校和科研院所做了相關(guān)研究并應(yīng)用到高校仿真實踐活動中。

虛擬手術(shù)的研究和開發(fā)已經(jīng)有了很大進(jìn)展。法國的INRIA研究項且組根據(jù)線彈性理論和有限元模型建立了肝臟的模型，實現(xiàn)對肝臟在外力作用下的變形進(jìn)行預(yù)計算，可以仿真對肝臟的切割和撕裂等。德國Karlsruhe的應(yīng)用計算機(jī)科學(xué)研究所針對最小損傷手術(shù)的內(nèi)窺鏡手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)，能夠仿真軟組織的切割、抓、捏、燒灼等動作，該系統(tǒng)被成功應(yīng)用于婦科手術(shù)等仿真。高仿真模擬人采用“生理驅(qū)動技術(shù)”，在使用過程中借助人體生理學(xué)和病理學(xué)特征自動對操作者的各種臨床操作做出反應(yīng)，這種模型可以模擬心血管、肺部結(jié)構(gòu)和藥理學(xué)功能，可以按照真實人體的特征做出回應(yīng)。在國外，高仿真模擬人可以運用于醫(yī)學(xué)的多個學(xué)科，比如麻醉科、內(nèi)科、外科、護(hù)理學(xué)等。

與國外將仿真技術(shù)應(yīng)用于臨床研究不同，我國的仿真系統(tǒng)主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)高校實踐教學(xué)活動中，如北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院臨床學(xué)院和護(hù)理學(xué)院建立了醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心，即臨床技能綜合培訓(xùn)中心和護(hù)理技能試驗中心。重點推進(jìn)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)的建設(shè)，全面結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)化病人、模擬人系統(tǒng)和模擬設(shè)備，通過客觀結(jié)構(gòu)化考試（OSCE）對醫(yī)學(xué)生臨床能力進(jìn)行綜合評估，形成了全面提高醫(yī)學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力的培訓(xùn)模式，成功搭建了虛擬培訓(xùn)管理平臺、自主學(xué)習(xí)平臺、虛擬病理培訓(xùn)及考核平臺和醫(yī)學(xué)題庫及考試平臺。

縱觀國內(nèi)外醫(yī)學(xué)仿真實踐教學(xué)現(xiàn)狀來看，普遍存在兩個弊端。一是仿真系統(tǒng)產(chǎn)品及應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在醫(yī)學(xué)人體模型、醫(yī)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)流程演示以及低端醫(yī)療器械產(chǎn)品的交互操作。目前相關(guān)研究和探索工作已經(jīng)比較成熟，而對于價格昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、新興發(fā)展起來的影像設(shè)備的仿真實踐系統(tǒng)目前還是一片空白。二是目前的醫(yī)學(xué)仿真教學(xué)系統(tǒng)沒有完整的課程體系，無法讓學(xué)生實現(xiàn)從基礎(chǔ)知識、基礎(chǔ)原理到應(yīng)用實踐的系統(tǒng)學(xué)習(xí)過程。因此醫(yī)學(xué)影像設(shè)備智能教學(xué)平臺設(shè)計研究包括CT（Computed Tomography ）、核磁共振、多普勒彩超設(shè)備的教學(xué)系統(tǒng)。每個教學(xué)系統(tǒng)由理論知識篇、實踐實訓(xùn)篇、操作流程篇、模擬操作篇、試題庫篇組成。

3 醫(yī)學(xué)影像設(shè)備智能教學(xué)平臺總體設(shè)計思路

針對國內(nèi)醫(yī)學(xué)高校對于大型影像設(shè)備實踐教學(xué)資源匱乏、教學(xué)手段單一、教學(xué)內(nèi)容抽象等困難，本研究從影像設(shè)備的基礎(chǔ)知識、基本原理、模擬交互操作等幾個方面進(jìn)行設(shè)計。

醫(yī)學(xué)影像設(shè)備智能教學(xué)平臺包括教學(xué)模塊設(shè)計和教學(xué)管理系統(tǒng)設(shè)計。每個教學(xué)模塊設(shè)計包括基礎(chǔ)知識篇、設(shè)備原理篇、試驗實訓(xùn)篇、模擬操作篇、試題庫篇。基礎(chǔ)知識篇設(shè)計：采用動畫的形式形象的演示相關(guān)醫(yī)療器械設(shè)備所涉及的基礎(chǔ)知識，如X射線的產(chǎn)生、多普勒原理、核磁共振原理等。設(shè)備原理篇設(shè)計：采用動畫的形式形象的演示相關(guān)醫(yī)療器械設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、電路原理、軟件控制原理、液路原理、氣路原理、機(jī)械運動原理等。試驗實訓(xùn)篇設(shè)計：采用動畫的形式形象的演示醫(yī)療器械設(shè)備操作流程、日常保養(yǎng)、常見故障解決方法等。模擬操作篇設(shè)計：采用三維結(jié)構(gòu)模型，真實模擬CT、核磁共振、多普勒彩超設(shè)備在醫(yī)療機(jī)構(gòu)使用操作方法，學(xué)生置身于三維場景中，根據(jù)所學(xué)的醫(yī)學(xué)知識和仿真系統(tǒng)模型進(jìn)行真實交互操作，如設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化操作、設(shè)備參數(shù)調(diào)節(jié)、醫(yī)學(xué)影像檢查、打印診斷報告、常見故障等。試題庫篇設(shè)計：由幾千道習(xí)題組成，采用百分制的方式，學(xué)生可以在線練習(xí)，仿真教學(xué)系統(tǒng)智能打分，鞏固學(xué)生所學(xué)知識。教學(xué)管理系統(tǒng)應(yīng)具有作業(yè)管理、學(xué)習(xí)情況統(tǒng)計與分析、在線/離線答疑、用戶管理等功能模塊。

本研究主要完成大型醫(yī)學(xué)影像設(shè)備中的CT、核磁共振、多普勒彩超設(shè)備的仿真教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)。每一個設(shè)備仿真教學(xué)系統(tǒng)都分為基礎(chǔ)知識篇、設(shè)備原理篇、實驗實訓(xùn)篇、模擬操作篇和試題篇五個部分以及一套教學(xué)管理平臺，實現(xiàn)從理論到實踐的課程體系。以CT為例，仿真教學(xué)軟件系統(tǒng)研究的內(nèi)部和目標(biāo)包括以下幾個部分。

3.1 理論知識篇

介紹CT成像基本原理和設(shè)備、CT球管的基本原理和基本結(jié)構(gòu)、高壓發(fā)生裝置的基本原理和基本結(jié)構(gòu)、DAS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理，CT的基本結(jié)構(gòu)及組成、CT圖像處理技術(shù)、CT電路基本原理、CT機(jī)械運動基本原理等。具體的知識模塊包括基礎(chǔ)知識、工作原理和基本結(jié)構(gòu)三部分?；A(chǔ)知識分為X線的基礎(chǔ)知識、CT機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用、CT機(jī)的組成及分類、螺旋CT的操作規(guī)范演示、螺旋CT檢測原理、螺旋CT高壓發(fā)生裝置原理、螺旋CT高壓球管基本原理、螺旋CT信號檢測器的種類、基本原理及實現(xiàn)方法、螺旋CT圖像處理及傳輸系統(tǒng)基本原理及實現(xiàn)方法、螺旋CT信號采集系統(tǒng)基本原理及方法、螺旋CT機(jī)械運動基本原理及實現(xiàn)、螺旋CT準(zhǔn)直器基本原理及實現(xiàn)方法、螺旋CT高壓電路保護(hù)基本原理及實現(xiàn)方法、螺旋CT輔助裝置基本原理及實現(xiàn)方法；工作原理分為螺旋CT高壓發(fā)生裝置電路原理及模塊、螺旋CT高壓保護(hù)電路原理及模塊、螺旋CT信號檢測器電路原理及模塊、螺旋CT運動控制電路原理及模塊、螺旋CT診斷床控制電路及模塊、螺旋CT信號采集傳輸系統(tǒng)電路原理、螺旋CT準(zhǔn)直器電路原理、螺旋CT電源模塊原理及拓?fù)潢P(guān)系演示、螺旋CT信號傳輸控制原理及拓?fù)潢P(guān)系演示、螺旋CT氣路、液壓工作原理、螺旋CT紅外檢測電路基本原理及拓?fù)潢P(guān)系演示；基本結(jié)構(gòu)分為螺旋CT基本結(jié)構(gòu)及組成、螺旋CT球管基本結(jié)構(gòu)組成、螺旋CT診斷床基本結(jié)構(gòu)及組成、螺旋CT旋轉(zhuǎn)機(jī)架基本結(jié)構(gòu)及組成、螺旋CT高壓發(fā)生裝置基本結(jié)構(gòu)組組成、螺旋CT前后傾斜裝置基本結(jié)構(gòu)及組成、螺旋CT信號檢測裝置結(jié)構(gòu)及組成、螺旋CT信號采集系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及組成、螺旋CT控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及組成、螺旋CT氣路基本結(jié)構(gòu)及組成、螺旋CT滑環(huán)與碳刷基本結(jié)構(gòu)及組成、螺旋CT輔助裝置基本結(jié)構(gòu)及組成（工裝、治具、環(huán)境檢測等）。

3.2實踐實訓(xùn)篇

介紹CT的安裝方法及流程、CT校準(zhǔn)方法、CT的維護(hù)保養(yǎng)流程及方法，CT的常見故障、原因及解決辦法。安裝流程包括：地線的鋪設(shè)流程、整機(jī)安裝流程及方法、機(jī)房布置標(biāo)準(zhǔn)及流程、管道及線纜布置標(biāo)準(zhǔn)及流程。CT校準(zhǔn)方法包括：自動校準(zhǔn)、旋轉(zhuǎn)平衡校準(zhǔn)、球管訓(xùn)練、燈絲電流校準(zhǔn)、DAS校準(zhǔn)測試、球管Z軸方向校準(zhǔn)、A平面Z軸校準(zhǔn)、串?dāng)_校準(zhǔn)、非線性校準(zhǔn)、球管X軸方向校準(zhǔn)、波束硬化校準(zhǔn)、水模校準(zhǔn)、HCOR校準(zhǔn)、空氣校準(zhǔn)、HV設(shè)置校準(zhǔn)、機(jī)架傾斜校準(zhǔn)、診斷床位置校準(zhǔn)。CT的維護(hù)保養(yǎng)流程和方法包括：開機(jī)保養(yǎng)操作流程、日常保養(yǎng)流程、一級保養(yǎng)流程、二級保養(yǎng)流程、三級保養(yǎng)流程、不定期保養(yǎng)流程。CT的常見故障包括：環(huán)狀偽影、條狀偽影、網(wǎng)絡(luò)狀偽影、旋轉(zhuǎn)陽極不啟動、燈絲燒斷、過熱過壓保護(hù)、電流過載、掃描匹配錯誤、常見機(jī)械故障、診斷床速度不均勻、無法曝光、DAS系統(tǒng)故障、逆變電路故障、高壓電纜故障、滑環(huán)及碳刷故障。

3.3操作流程篇

介紹CT的操作系統(tǒng)演示、控制及顯示系統(tǒng)演示、系統(tǒng)開機(jī)及關(guān)機(jī)流程演示、總體設(shè)置流程、自動聲音的錄制、預(yù)覽窗寬窗位的修改、掃描方案的預(yù)制、日期與時間的設(shè)定、掃描控制、X線系統(tǒng)的預(yù)熱、掃描床的控制、選擇掃描方案、掃描采集、回顧式重建、穿刺時定位掃描、團(tuán)注分析掃描、圖像顯示及系統(tǒng)、二維顯示、多重平面重組、最大投影密度、表面遮蓋成像、4D血管造影、圖像的攝影、圖像的存檔。

3.4模擬操作篇

采用計算機(jī)三維重建技術(shù)，將CT儀器的主控制操作臺、CT機(jī)架、CT操作床以及相關(guān)配電裝置呈現(xiàn)在電腦屏幕上。CT主控制操作臺實現(xiàn)了真實控制軟件的功能，包括新病人信息錄入、圖像調(diào)節(jié)、放射掃描、圖像重建、圖像校準(zhǔn)、工程維修等功能。用戶點擊仿真模擬主控制軟件時，CT儀器根據(jù)真實操作的指令進(jìn)行相應(yīng)的運動和操作。學(xué)生無需到醫(yī)院影像科CT室，即可模擬實踐操作真實CT的所有流程。

3.5教學(xué)管理平臺

教學(xué)管理平臺采用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫編程技術(shù)，集成教學(xué)仿真軟件系統(tǒng)和教學(xué)管理功能，實現(xiàn)教學(xué)實踐中的作業(yè)管理、教學(xué)資源使用狀況統(tǒng)計和分析、教師學(xué)生互動、用戶管理等功能。

4 醫(yī)學(xué)影像設(shè)備智能教學(xué)平臺的創(chuàng)新之處

醫(yī)學(xué)影像設(shè)備智能教學(xué)平臺將多種學(xué)科和專業(yè)緊密有機(jī)的融合在一起，其中包括計算機(jī)技術(shù)、圖像處理技術(shù)、美術(shù)、動

漫技術(shù)、醫(yī)學(xué)影像診斷技術(shù)、醫(yī)學(xué)臨床技術(shù)，醫(yī)學(xué)工程應(yīng)用技術(shù)、電子技術(shù)、自動化技術(shù)等。因此本項目具有如下創(chuàng)新點：

（1）教學(xué)內(nèi)容形象生動

本項目將枯燥、抽象的醫(yī)學(xué)影像專業(yè)知識、醫(yī)學(xué)影像設(shè)備工作原理、醫(yī)學(xué)工程應(yīng)用知識、醫(yī)學(xué)設(shè)備使用方法等采用形象、生動的動畫形式展示出來，提高了學(xué)生的理解能力和學(xué)習(xí)興趣。

（2）實踐知識豐富

本項目的實踐實訓(xùn)篇和操作流程篇是將醫(yī)學(xué)工程應(yīng)用的經(jīng)驗知識、操作使用規(guī)范和流程等實踐內(nèi)容收集整理，寫出動畫腳本，制作完成二維和三維的動畫。

（3）模擬交互操作

本項目中的醫(yī)學(xué)影像設(shè)備模擬交互操作，采用計算機(jī)三維圖像重建技術(shù)和編程技術(shù)，實現(xiàn)了儀器設(shè)備與用戶之間模擬交互操作。解決了醫(yī)學(xué)高校對于大型影像設(shè)備實踐困難的實際難題，同時培養(yǎng)了學(xué)生實踐操作的能力。

（4）教學(xué)管理軟件平臺

教學(xué)管理軟件平臺不僅實現(xiàn)常規(guī)的試驗教學(xué)管理功能如作業(yè)管理、用戶管理、在線答疑等，同時實現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)效果和學(xué)習(xí)情況的統(tǒng)計分析，為教師提高教學(xué)質(zhì)量提供信息資料。

5 結(jié)語

設(shè)計出的醫(yī)學(xué)影像設(shè)備智能教學(xué)平臺系統(tǒng)可實現(xiàn)學(xué)生從理論學(xué)習(xí)到實踐操作的系統(tǒng)訓(xùn)練，解決醫(yī)療器械相關(guān)專業(yè)的教學(xué)實踐的問題?？蓱?yīng)用于國內(nèi)外醫(yī)學(xué)高校，也可以作為醫(yī)學(xué)科研院所、醫(yī)療機(jī)構(gòu)、醫(yī)療器械公司等培訓(xùn)和科研使用。

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