基于网络的超声影像学虚拟学习系统的设计

袁艺标+叶新华+黄华兴+李奥

（1.南京医科大学 基础医学国家级虚拟仿真中心，江苏 南京 210029；2.南京医科大学 第一临床医学院，江苏 南京 211166）

摘要：本文分析了超声影像学教学的特点与现状，介绍了当前国内外超声教学系统的特点；提出采用工程学的理念进行构建，以自主学习理论为指导，将系统设计分为超声室三维漫游、超声仪器虚拟操作、虚拟人体超声检查、超声虚拟病人库、在线考核及超声资源库等功能模块，阐述了系统构建的意义。

关键词：超声影像学；虚拟现实；自主学习

中图分类号：G423 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）52-0094-03

一、现状

超声诊断作为三大医学影像技术之一，在临床诊治疾病中发挥着重要的作用。在超声影像学教学中，由于超声诊断的基础知识涵盖范围广，知识点涉及物理学、声学、数学、工程学等多门学科，公式繁杂且相互交叉，教师授课难度较大，学生理解比较困难；另一方面，由于超声诊断疾病时强调实时、连续、多切面、多角度、多模式、多参数动态观察病变的特征，而目前超声影像学的教学模式仍是基于书本式的教学模式，内容抽象、形式单调，虽然在课堂教学时采用幻灯片，里面包含一些典型的疾病影像图片，但学生课后的学习主要还是通过书本上的文字进行学习的，针对超声教学内容的考试，也还是主要依赖的是文字内容的考试。因此，如何将枯燥的教学过程变得生动形象，调动师生双方的积极性是目前超声影像学教学面临的重要问题。

随着计算机和信息技术的快速发展以及高等教育的逐步完善，计算机在教育领域的应用日益广泛而深入，引起医学教育的传统观念和教学模式发生了前所未有的变革，极大地促进了医学教育事业的发展[1]。在超声影像学的教学改革中，国内外諸多影像专业教育工作者积极探索，将现代的多媒体技术应用于超声影像学的教学中，成功研发出一些超声多媒体教学软件，并通过实践取得了较好的应用效果。但是，大部分超声教学软件是局限在局域网内，甚至于单机版，功能较为单一，而且，目前国内外在超声教学系统的研发中尚没有加入超声仿真操作部分，即借助于多媒体仿真和虚拟现实等技术，使实验者可像在真实环境中一样进行各系统超声检查，所以，构建一个网络化的虚拟超声影像学教学系统很有必要。

二、系统设计

1.系统架构。超声影像学虚拟学习系统是一个基于网络的医学专业虚拟仿真学习软件，系统研究思路是结合所涉及的医学专业特点，采用软件工程的理念进行构建，首先进行需求分析，明确系统功能定位与结构模块，再进行详细设计与开发。超声影像学虚拟学习系统是网络化学习平台，可用于超声影像学的虚拟自主学习与教学，系统的总体架构采用服务器/客户机模式，服务器主要用于存储数据库及其相关资源，进行授权认证、数据管理，客户机通过网络及其通讯协议与服务器进行数据交互和各模块功能显示。超声影像学虚拟学习系统既可以在校园网上独立运行，又可以与学校E-Learning平台整合，融入课程学习，并且可以在校外公共网络上通过合法认证后，登录学习（图1）。

2.开发平台。超声影像学虚拟学习系统中涉及大量三维场景、三维模型，并需要在三维环境中，进行角色控制、三维交互，依据需求选择Unity3D游戏开发引擎作为三维模块的开发工具。Unity3D降低了开发的难度，提高了开发效率，是目前最受热捧的游戏开发引擎之一，近来被广泛应用于虚拟平台开发中[2]。Unity3D能够导入3dMax中的场景、模型、贴图、动画等资源，与3dMax实现完美融合。Unity3D拥有可视直观的游戏编辑环境，支持JavaScript、C#等脚本语言，Unity3D降低了开发的难度，提高了开发效率，配合图文、音视频及动画可实现较强的三维体验感，极大激发学生的学习兴趣。超声影像学虚拟学习系统中非三维模块主要采用Microsoft.NET平台进行整合开发，系统开发从需求分析到详细设计，再到功能分解、接口定义，再到功能开发；在虚拟实验的设计时先制定稿本流程，再制作相关3D模型，制作分步动画，再到程序编写；再系统整合测试运行，之后根据反馈再对系统进行微调，最后发布运行。

3.模块设计。超声影像学虚拟学习系统从自主学习理论出发，以学习者为中心，进行系统构建，能激发学生学习的主观能动性[3]。超声影像学虚拟学习系统将课程学习过程中，学生感兴趣、迫切需求的知识面进行提取梳理，并以此进行系统的模块划分，同时配套拓展相关临床学习资源，以满足更高要求学生的学习需求，系统包含超声室三维漫游、超声仪器虚拟操作、虚拟人体超声检查、超声虚拟病人库、在线考核及超声资源库等模块（图2）。

超声室三维漫游模块是按照医院超声科的真实布局，进行数字化的三维超声室场景构建，热区设置，三维交互程序设计。本系统构建的三维场景包含超声预约登记台、候诊大厅、超声检查室、诊室外等候区（室外走廊）、医生办公室等，每个场景均参考医院真实工作环境布置。三维漫游模块可以让学生在三维空间里，熟悉科室结构分布，功能分区。每个场景中所需传授的知识点，通过构建热区的方式，让学生进行自主漫游式学习。三维漫游模块可以让学生在进入实习前，提前熟悉医院超声科真实环境、了解工作设备及相关注意事项等情况，在传授相关知识同时，也满足学生的早接触临床实习的需求、激发学生学习兴趣。三维漫游模块亦可服务于患者，患者在进行三维空间漫游时，通过三维空间的热区，了解超声诊断的就诊流程、注意事项，解除了患者的就诊困扰。

超声仪器虚拟操作模块通过构建超声仪器的三维模型，设计交互式的虚拟操作程序，虚拟使用超声仪。该模块用于虚拟训练超声仪器的模拟参数变化、规范标准的超声图像获取、测量、分析等方面的操作及相关注意事项的处理。解决实践教学中，学生多而超声仪器资源相对不足，学生难以满足操作训练需求的问题，学生可以不受时间、场所、设备等限制，随时随地进行反复练习。

虚拟人体超声检查模块通过三维人体进行模拟检查，当检测探头移动到人体相关检查部位时，检查仪器屏幕即显示该部位的检查结果，并可分析检查结果。系统的虚拟人体超声检查包含产科、妇科、肝胆胰脾、肾输膀、腹腔肿块及血流、胸水定位、甲状腺、乳腺、浅表肿块、睾丸血流、阴囊、颈动脉、椎动脉、上肢动脉、上肢静脉、下肢动脉、下肢静脉、腹部血流颅内血管等，基本能做到与临床一致，满足学生的学习需求。

超声虚拟病人库模块以虚拟病人为中心，构建超声病例库，拓展学生学习的宽度与深度。每一个虚拟病人包含病人基本信息、病例摘要、超声检查影像资料、超声检查报告及检查分析等部分，学生可以通过虚拟病人库进行大量案例学习，积累临床经验。

在线考核模块是超声学在线考核系统，在线考核模块功能结构包含个人事务、成绩查询、账号管理、题库管理、试卷管理、过程管理、成绩管理、系统设置等部分，主要用于理論考核。超声资源库模块为学生提供超声教学视频、PPT等学习资源，该模块同时可以与课程中心相互连接，通过教学门户或数字化校园进行账号认证。

三、结语

众所周知，超声影像学的学生毕业后，不仅需要具备超声图像识别的能力，更重要的是需要具备规范标准的超声图像获取、测量和分析的能力，而不是只会背出疾病的影像学表现的文字背诵能力，因此，建立完善网络化的超声影像学教学软件，激发学生对超声的学习兴趣，加深学生对超声图像的理解，训练学生超声操作技能，不仅是提高教学效果、深化教学改革的需求，更是培养高素质影像医学人才的重要需求。构建集图、文、动画、视频和声音为一体的交互式超声影像学学习系统，并引入仿真操作模块，将枯燥的教学过程变成生动活泼的教学方式，极大地调动了师生双方的积极性；将此教学系统整合入学校网络平台，学生可在校园网部署内的任何地点进行学习，极大地方便了学生的自主学习。

超声影像学教学系统未来可以与医院超声工作站相连，使学生更好地理解和掌握超声知识，最大化发挥超声影像学虚拟自主学习平台的作用，激发学生的学习兴趣，提升学生学习效率，推动实践教学改革。随着教育部对虚拟仿真实验教学中心的建设深入推动，虚拟仿真实验教学建设是高校实验教学改革的必然发展方向[4]。

参考文献：

[1]黄海林，庄文献，周玉霞，程丕显.美英教育信息化评估标准对建立我国高等医学教育信息化评价体系的启发[J].中国高等医学教育，2010，（11）：1-2+5.

[2]袁艺标，吴晓燕，戚晓红，等.基于网络的虚拟人体机能实验教学系统研究[J].实验技术与管理，2016，33（8）：115-118.

[3]王晓静，宋晓焕.论以学习者为主体的自主学习理论[J].西北大学学报（哲学社会科学版），2012，（05）：183-184.

[4]李平，毛昌杰，徐进，等.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索，2013，32（11）：5-8