基于VR技术的CT设备结构拆装与故障维修示教系统的设计与应用

吉振宁，何威震，沈江燕，高俊逸，罗 江，曹 逸，时梅林

徐州医科大学医学影像学院， 江苏 徐州 221004

虚拟现实(virtual reality,VR)技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，可使人机交互更加人性化，用户可以更直接地与数据交互[1-2]。同时，在《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》[3]中明确指出，要大力发展虚拟仿真教学实验室，虚拟实验教学可以帮助学生更快地掌握设备知识，利用碎片化时间随时随地开展实验[4]，从而培养学生更坚实的理论基础和更好的研发思维。针对计算机断层成像(computer tomography,CT)在传统教学中单纯借助文字及图片资料导致学习过程单调、效率低下、欠缺实际操作经验[5-6]，且由于CT设备昂贵、体积较大、拆装和维修实验无法实现的问题，我们设计了一套基于VR技术的CT设备结构拆装与故障维修示教系统并应用于教学，取得了较好的效果，现介绍如下。

1 系统的主要模块设计

1.1 虚拟场景管理与渲染

主要对虚拟场景建立管理机制，在展示同一设备的维修与拆装时，可以节约资源，直接调用场景资源加快系统运行速度。项目主要利用贴图的方式在3Ds Max中进行初步渲染，再打包至Unity 3D中进行最终渲染与虚拟场景的管理，如图1所示。

1.2 拆装教学模块设计

拆装教学模块是系统的关键模块，实现拆装路径的生成，对三维模型的拆装先后顺序进行逻辑判断，如图2所示；通过电脑端或手机端的虚拟现实门户，控制场景内相机的位置；在交互外设适配及控制上，给出一种通用的适配方式，可以用不同方式进行交互，如点击按钮、设备结构的拖拽等；以第一人称视角进行角色控制，可在模型的拆装过程中，主动调整观看视角与距离，使沉浸感加强，如图3所示。

1.3 故障维修教学模块设计

故障维修教学模块是系统的重要模块，在实际情况中，常见的CT设备故障有机械故障、电气硬件故障、软件故障和用户操作故障，而常见的解决办法有程序测试法、观察法[7]。

因此，系统内置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。实现步骤如图4所示。

图1 虚拟场景管理与渲染流程图 图2 系统拆装逻辑判断图

图3 系统拆装教学模块实现步骤图 图4 系统故障维修教学模块实现步骤图

2 示教系统的主要功能与关键技术

2.1 三维模型库

三维模型是整个CT设备拆装与故障维修示教系统的基础，可利用层次结构模型和模型简化技术[8]实现模型数据的有效存储，便于设备管理、虚拟拆装、故障模拟、实时交互等功能的实现。

现有CT设备三维模型中的部件组成包括旋转阳极X线管、探测器、扫描架等。

2.1.1旋转阳极X线管结构其中旋转阳极X线管组成部分有以下6个：旋转阳极、阴极、靶面、灯丝、转子、玻璃壁。

2.1.2探测器结构以最常用的闪烁探测器为主要模型构造对象。一个典型的探测器包括：闪烁体、光电倍增管、分压器和前置放大器；此外，还有软件、电源等附件。

2.2 拆装训练数据库

拆装训练数据库是实现CT设备拆装与故障维修示教系统的核心，具有拆装过程仿真演示、拆装训练两部分内容。

2.2.1拆装过程仿真演示采用虚拟现实仿真技术实现维修过程中CT设备各部件的原理介绍、拆卸、装配过程演示，学生可以从任意角度与位置看到相应部件完整的拆卸、装配过程，过程中可对部件进行拖拽，清晰观察每个部件结构，并可以多次重复进行，具有强烈真实感，大大加深了学生对于设备结构的理解(如图5所示)。

图5 拆装过程演示

2.2.2拆装训练进入训练系统并完成虚拟拆卸、装配等实践。系统可提供有提示、无提示、考核等多种训练模式，以满足不同学生的需求。拆装过程仿真演示及拆装训练(如图6所示)。

图6 拆装训练界面

2.3 故障模型库

故障模型库提供装备故障数据以及有关部件故障过程演示、故障维修解决方法等教学资料，使教学更加灵活、生动。

2.4 交互设计

首先，系统采用第一视角进行交互，学生可通过电脑端的键盘或者手机端的摇杆控制视角，实现行走功能。

其次，系统使用按钮点击以及模型拖拽两种交互方式。按钮点击交互主要用于登录、选择、退回等系统功能；部件拖拽主要用于学习与训练功能，如拖拽单独部件便于观察及拆装顺序训练，并且CT设备模型的每一部分均可拖拽、移动，学生可从任一角度观察其结构。

3 教学应用及效果

目前，系统已完成整个开发周期。课堂上，学生可在虚拟现实设备中学习相关知识；课后，学生只须安装软件即可操作。操作步骤：①在电脑端或安卓智能手机上打开CT设备结构拆装与故障维修示教系统初始界面，用户登录界面；②登录成功后，根据上次测试与学习时长，系统主动推荐学习或者训练模式，学生进行自主选择；③完成测试，关闭软件。软件安装包的安装环境为Windows 7及以上操作系统、Andr- oid 3.0版本及以上操作系统，目前电脑与安卓手机搭载的系统普遍能满足基本安装需求，实现了电脑端、移动端的开发与应用，使学生突破时间和空间的限制，可随时随地学习训练。

CT设备拆装与故障维修示教系统于2018年5月在徐州医科大学医学影像学院的医学影像学、医学影像技术、生物医学工程等专业的145名学生开展了实践教学，并且根据收集到的反馈意见，对系统题库以及拆装顺序进行更新与改进。通过对使用过该系统的学生的调研发现，在使用该系统学习CT设备的拆装与维修之后，学生学习兴趣提高，对知识点的印象加深。

将虚拟现实技术引入CT设备拆装与故障维修示教系统的设计中，有助于辅助教学活动开展，为拆装、维修操作训练等提供一个直观、可靠的模拟环境，有效解决时间和空间受限等问题，对整合教育资源、降低教学成本、提高学习效率具有重要意义。同时，利用虚拟拆装维修代替实物拆装维修，突破仪器设备成本等条件限制的难题，帮助医学影像学、医学影像技术、生物医学工程等专业的在校学生，以及刚刚进入工作岗位的医院影像科工程师，进一步掌握CT设备的结构原理及故障判断具有积极意义，弥补了市场空白，具有一定的应用前景。