医学影像设备智能教学平台的研究

余会娟 曹彦 王文静

摘要：该文介绍了医学影像设备智能教学平台中仪器硬件设备展示平台、智能控制管理软件操作平台、移动APP教学平台和模拟教学资源库等的设计研究及创新之处。

医学影像设备智能教学平台；设计研究；创新性

中图分类号：Q819 文献标识码：A 文章编号：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 研究的意义

经济的发展，社会的进步对我国高校学生的综合素质以及实践技能的要求越来越高。实践教学是一种基于实践的教育理念和教学活动。在教学过程中，激励学生主动参与、主动思考、主动探索，是一种培养学生综合能力为主要目标的教学形式。

但是目前高校办学过程中，实践教学相对薄弱、甚至严重滞后的现象，不利于人才培养目标的实现。医学类高校实践教学方面更有其特殊性：1）教学资源紧张。学生主要实践的场所是医院，对象是人体。随着人们对健康水平要求的不断提高以及医患关系的日益紧张，医学高校学生在患者身上之间操作受到很大的限制，很难有相应课程的实践操作的机会。2）教学内容抽象，学生对很多知识无直观感受。3）随着医疗器械的发展，医学高校对学生操作仪器的要求更高，但是受制于昂贵的影像设备产品、苛刻的使用条件、昂贵的使用和维修费用，医学高校无法满足每个学生能够获得操作和理解基本原理的条件。因此医学高校仿真实践教学不仅是一种新的教学方法，一种将理论与实践相结合的新教学手段，更是未来智能化教育的基础。仿真实践教学让学生置身于仿真环境中，可以充分调动感觉，运动和思维，极大地提高了学习效率。此外，仿真教学可供学生在没有教师参与的情况下自学，并反复试验自行设计的实验方案，极大地提高了学生的学习能动性。

2 国内外研究的现状和发展趋势

目前在医学高校仿真教学领域，已经有各色各样的软件仿真系统和医学人体模型。高校和科研院所做了相关研究并应用到高校仿真实践活动中。

虚拟手术的研究和开发已经有了很大进展。法国的INRIA研究项且组根据线弹性理论和有限元模型建立了肝脏的模型，实现对肝脏在外力作用下的变形进行预计算，可以仿真对肝脏的切割和撕裂等。德国Karlsruhe的应用计算机科学研究所针对最小损伤手术的内窥镜手术训练系统，能够仿真软组织的切割、抓、捏、烧灼等动作，该系统被成功应用于妇科手术等仿真。高仿真模拟人采用“生理驱动技术”，在使用过程中借助人体生理学和病理学特征自动对操作者的各种临床操作做出反应，这种模型可以模拟心血管、肺部结构和药理学功能，可以按照真实人体的特征做出回应。在国外，高仿真模拟人可以运用于医学的多个学科，比如麻醉科、内科、外科、护理学等。

与国外将仿真技术应用于临床研究不同，我国的仿真系统主要应用于医学高校实践教学活动中，如北京协和医学院临床学院和护理学院建立了医学虚拟仿真实验教学中心，即临床技能综合培训中心和护理技能试验中心。重点推进基础医学和临床医学虚拟仿真实验教学的建设，全面结合标准化病人、模拟人系统和模拟设备，通过客观結构化考试（OSCE）对医学生临床能力进行综合评估，形成了全面提高医学生创新精神和实践能力的培训模式，成功搭建了虚拟培训管理平台、自主学习平台、虚拟病理培训及考核平台和医学题库及考试平台。

纵观国内外医学仿真实践教学现状来看，普遍存在两个弊端。一是仿真系统产品及应用领域主要集中在医学人体模型、医学标准流程演示以及低端医疗器械产品的交互操作。目前相关研究和探索工作已经比较成熟，而对于价格昂贵、结构复杂、新兴发展起来的影像设备的仿真实践系统目前还是一片空白。二是目前的医学仿真教学系统没有完整的课程体系，无法让学生实现从基础知识、基础原理到应用实践的系统学习过程。因此医学影像设备智能教学平台设计研究包括CT（Computed Tomography ）、核磁共振、多普勒彩超设备的教学系统。每个教学系统由理论知识篇、实践实训篇、操作流程篇、模拟操作篇、试题库篇组成。

3 医学影像设备智能教学平台总体设计思路

针对国内医学高校对于大型影像设备实践教学资源匮乏、教学手段单一、教学内容抽象等困难，本研究从影像设备的基础知识、基本原理、模拟交互操作等几个方面进行设计。

医学影像设备智能教学平台包括教学模块设计和教学管理系统设计。每个教学模块设计包括基础知识篇、设备原理篇、试验实训篇、模拟操作篇、试题库篇。基础知识篇设计：采用动画的形式形象的演示相关医疗器械设备所涉及的基础知识，如X射线的产生、多普勒原理、核磁共振原理等。设备原理篇设计：采用动画的形式形象的演示相关医疗器械设备的基本结构、工作原理、电路原理、软件控制原理、液路原理、气路原理、机械运动原理等。试验实训篇设计：采用动画的形式形象的演示医疗器械设备操作流程、日常保养、常见故障解决方法等。模拟操作篇设计：采用三维结构模型，真实模拟CT、核磁共振、多普勒彩超设备在医疗机构使用操作方法，学生置身于三维场景中，根据所学的医学知识和仿真系统模型进行真实交互操作，如设备的标准化操作、设备参数调节、医学影像检查、打印诊断报告、常见故障等。试题库篇设计：由几千道习题组成，采用百分制的方式，学生可以在线练习，仿真教学系统智能打分，巩固学生所学知识。教学管理系统应具有作业管理、学习情况统计与分析、在线/离线答疑、用户管理等功能模块。

本研究主要完成大型医学影像设备中的CT、核磁共振、多普勒彩超设备的仿真教学系统开发。每一个设备仿真教学系统都分为基础知识篇、设备原理篇、实验实训篇、模拟操作篇和试题篇五个部分以及一套教学管理平台，实现从理论到实践的课程体系。以CT为例，仿真教学软件系统研究的内部和目标包括以下几个部分。

3.1 理论知识篇

介绍CT成像基本原理和设备、CT球管的基本原理和基本结构、高压发生装置的基本原理和基本结构、DAS系统结构及原理，CT的基本结构及组成、CT图像处理技术、CT电路基本原理、CT机械运动基本原理等。具体的知识模块包括基础知识、工作原理和基本结构三部分。基础知识分为X线的基础知识、CT机的发展与应用、CT机的组成及分类、螺旋CT的操作规范演示、螺旋CT检测原理、螺旋CT高压发生装置原理、螺旋CT高压球管基本原理、螺旋CT信号检测器的种类、基本原理及实现方法、螺旋CT图像处理及传输系统基本原理及实现方法、螺旋CT信号采集系统基本原理及方法、螺旋CT机械运动基本原理及实现、螺旋CT准直器基本原理及实现方法、螺旋CT高压电路保护基本原理及实现方法、螺旋CT辅助装置基本原理及实现方法；工作原理分为螺旋CT高压发生装置电路原理及模块、螺旋CT高压保护电路原理及模块、螺旋CT信号检测器电路原理及模块、螺旋CT运动控制电路原理及模块、螺旋CT诊断床控制电路及模块、螺旋CT信号采集传输系统电路原理、螺旋CT准直器电路原理、螺旋CT电源模块原理及拓扑关系演示、螺旋CT信号传输控制原理及拓扑关系演示、螺旋CT气路、液压工作原理、螺旋CT红外检测电路基本原理及拓扑关系演示；基本结构分为螺旋CT基本结构及组成、螺旋CT球管基本结构组成、螺旋CT诊断床基本结构及组成、螺旋CT旋转机架基本结构及组成、螺旋CT高压发生装置基本结构组组成、螺旋CT前后倾斜装置基本结构及组成、螺旋CT信号检测装置结构及组成、螺旋CT信号采集系统基本结构及组成、螺旋CT控制系统基本结构及组成、螺旋CT气路基本结构及组成、螺旋CT滑环与碳刷基本结构及组成、螺旋CT辅助装置基本结构及组成（工装、治具、环境检测等）。

3.2实践实训篇

介绍CT的安装方法及流程、CT校准方法、CT的维护保养流程及方法，CT的常见故障、原因及解决办法。安装流程包括：地线的铺设流程、整机安装流程及方法、机房布置标准及流程、管道及线缆布置标准及流程。CT校准方法包括：自动校准、旋转平衡校准、球管训练、灯丝电流校准、DAS校准测试、球管Z轴方向校准、A平面Z轴校准、串扰校准、非线性校准、球管X轴方向校准、波束硬化校准、水模校准、HCOR校准、空气校准、HV设置校准、机架倾斜校准、诊断床位置校准。CT的维护保养流程和方法包括：开机保养操作流程、日常保养流程、一级保养流程、二级保养流程、三级保养流程、不定期保养流程。CT的常见故障包括：环状伪影、条状伪影、网络状伪影、旋转阳极不启动、灯丝烧断、过热过压保护、电流过载、扫描匹配错误、常见机械故障、诊断床速度不均匀、无法曝光、DAS系统故障、逆变电路故障、高压电缆故障、滑环及碳刷故障。

3.3操作流程篇

介绍CT的操作系统演示、控制及显示系统演示、系统开机及关机流程演示、总体设置流程、自动声音的录制、预览窗宽窗位的修改、扫描方案的预制、日期与时间的设定、扫描控制、X线系统的预热、扫描床的控制、选择扫描方案、扫描采集、回顾式重建、穿刺时定位扫描、团注分析扫描、图像显示及系统、二维显示、多重平面重组、最大投影密度、表面遮盖成像、4D血管造影、图像的摄影、图像的存档。

3.4模拟操作篇

采用计算机三维重建技术，将CT仪器的主控制操作台、CT机架、CT操作床以及相关配电装置呈现在电脑屏幕上。CT主控制操作台实现了真实控制软件的功能，包括新病人信息录入、图像调节、放射扫描、图像重建、图像校准、工程维修等功能。用户点击仿真模拟主控制软件时，CT仪器根据真实操作的指令进行相应的运动和操作。学生无需到医院影像科CT室，即可模拟实践操作真实CT的所有流程。

3.5教学管理平台

教学管理平台采用网络数据库编程技术，集成教学仿真软件系统和教学管理功能，实现教学实践中的作业管理、教学资源使用状况统计和分析、教师学生互动、用户管理等功能。

4 医学影像设备智能教学平台的创新之处

医学影像设备智能教学平台将多种学科和专业紧密有机的融合在一起，其中包括计算机技术、图像处理技术、美术、动

漫技术、医学影像诊断技术、医学临床技术，医学工程应用技术、电子技术、自动化技术等。因此本项目具有如下创新點：

（1）教学内容形象生动

本项目将枯燥、抽象的医学影像专业知识、医学影像设备工作原理、医学工程应用知识、医学设备使用方法等采用形象、生动的动画形式展示出来，提高了学生的理解能力和学习兴趣。

（2）实践知识丰富

本项目的实践实训篇和操作流程篇是将医学工程应用的经验知识、操作使用规范和流程等实践内容收集整理，写出动画脚本，制作完成二维和三维的动画。

（3）模拟交互操作

本项目中的医学影像设备模拟交互操作，采用计算机三维图像重建技术和编程技术，实现了仪器设备与用户之间模拟交互操作。解决了医学高校对于大型影像设备实践困难的实际难题，同时培养了学生实践操作的能力。

（4）教学管理软件平台

教学管理软件平台不仅实现常规的试验教学管理功能如作业管理、用户管理、在线答疑等，同时实现学生学习效果和学习情况的统计分析，为教师提高教学质量提供信息资料。

5 结语

设计出的医学影像设备智能教学平台系统可实现学生从理论学习到实践操作的系统训练，解决医疗器械相关专业的教学实践的问题。可应用于国内外医学高校，也可以作为医学科研院所、医疗机构、医疗器械公司等培训和科研使用。

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