医学影像综合训练系统的设计与应用

曹 石，高 乐，郭楠楠，秦 伟，王鸿钦，唐鹤云

徐州医科大学医学影像学院，江苏 徐州 221004

目前，医学影像操作及读片的教学多是基于理论教学和医院的见习学习。但是理论教学多拘泥于课本，内容抽象、教学效果不甚理想[1]；而医院的见习资源又特别紧张，需要投入大量的人力、物力，且成本较高，无法满足当前学生的学习需求。所以，仿真教学就成为了实验教学的潮流[2]。目前，现有的一些仿真教学产品存在功能单一、实际操作较为复杂、价格较高、师生交互性较差等问题[3-5]，还缺少教师批阅反馈的环节，无法实时反馈教学成果，严重影响了教学的效率及质量。因此，开发一套实用、全面的仿真教学训练系统对解决当前教学问题、提升教学质量，具有十分重大的意义[6]。

为解决目前医学影像尚无综合性的仿真教学系统这一问题，我们开发了集影像检查登记、扫描拍片、图像处理及诊断为一体的，完全仿真医院影像科工作流程的医学影像综合训练系统，便于学生熟悉医院影像科的工作流程[7]，学习医学图像扫描、图像处理等，帮助学生透彻地理解知识。同时，教师可以实时掌握教学情况，有针对性地解决问题，降低教学成本，减轻临床实习教学压力，从而提高教学效率及质量，缓解教学资源紧张等问题。

1 总体结构

医学影像综合仿真训练系统整体由应用系统和数据库两部分组成，总体结构如图1所示。整个系统由患者信息登记、模拟扫描拍片、图像处理及诊断、教师批阅等部分组成；利用SQL Server储存数据。通过应用系统进行数据读写、图像生成及处理、信息反馈，从而进行综合化的仿真教学训练。

图1 医学影像综合仿真训练系统整体架构

2 系统环境及技术

2.1 开发及运行环境

医学影像综合训练系统使用Microsoft公司的Vi-sual Basic 6.0和SQL Server 2008作为开发工具；客户端软件配置操作系统Windows7/8/10等。

2.2 设计思路及实现技术

以VB 6.0、SQL Server 2008为开发工具，两者间建立连接，以实现数据、图像的相互传输和显示。主要技术有：

①利用ADO控件对数据库进行操作。ADO控件是一种数据连接控件，能将数据库中的数据信息与应用程序中的数据控件绑定起来，从而实现对数据库的操作。系统用其进行数据的增删、更改和显示等操作。

②利用Stream对象实现图像数据的存取。Str-eam是一种读写数据的方法，它在数据库与存储设备(磁盘、内存、字符串等)之间起着桥梁的作用，通过write方法从SQL Server得到image数据，再用save方法把image数据存入设备；用load方法和read方法可完成相反的过程，这样就可以很方便地为数据库应用程序添加和读取图像数据(如图2所示)。

图2 流对象作用示意图

③利用DICOMax.ocx对图像进行浏览和处理。DICOM控件主要是CT、DR等医疗仪器的图像处理和浏览工具，是PACSS的主要控件之一。系统调用其相关函数来实现对应的功能，如ImageColorSche-me(即图像伪彩设置)、ImageWinCenter(Width，即图像窗宽或图像窗位)、ImageGetCTValue(PixelValue，即指定点的CT值或灰度值)。

3 建立内容

医学影像综合仿真训练系统基于医院真实的患者影像检查流程及设备操作界面，完全仿真医院影像科工作流程[8-11]。其主要由患者信息登记、扫描拍片、图像处理及诊断、教师批阅等部分组成。系统各界面间相互独立，并通过数据库相互连接。系统主要实现的功能有：

3.1 预约登记

通过登记界面对患者的相关信息进行登记，上传至数据库。包括放射号、姓名、性别、扫描种类、扫描部位、通信地址、联系方式等(如图3所示)。

图3 预约登记操作界面

3.2 扫描拍片

模拟CT、DR拍片流程，可以实现：①患者信息的选择与录入：能够模拟选择信息库中的患者信息或手动添加患者信息；②扫描部位选择：精确模拟选择人体各部位及组织(头部、颈椎、肩部、胸椎、腹部、腰椎、盆腔、膝盖、足部等)进行扫描；③操作界面参数设置：对必要的参数进行模拟设置或调整(如图4所示)。

3.3 图像处理及诊断

对模拟扫描所获得的图像进行显示及处理，包括长度、面积测量、去噪、锐化、WinW(WinC)，CT值调节等常用的基本功能；学生撰写的诊断报告上传至数据库，分类别存储在数据库中(如图5所示)。

3.4 教师批阅

教师通过批阅系统，从数据库中获取学生的诊断报告，对诊断报告进行评价反馈(如图6所示)。

4 教学应用与效果评价

该综合训练系统设计完成后，在向学校医学工程实验室、医学影像技术综合训练实验室以及医学影像相关专业学生进行推广使用的同时，以2017—2018学年第二学期2016级生物医学工程专业的两个班级学生作为样本，对专业课程《医学影像诊断学》(理论教学108个学时，实践教学52个学时)的教学效果进行测试分析。班级一(普通组)采用正常理论教学结合医院实地见习的方式，班级二(综合组)采用正常理论教学结合训练系统的方式，在时间利用率及成绩考核等方面进行对比分析，以验证训练系统的实际教学效果。由于前期对系统的改进及性能优化，故综合组实际使用训练系统实践的学时数为40个学时，分析不同病例数120例。为加深学生对知识的理解，对每个病例从模拟扫描、图像处理、病例分析均进行了多次的重复操作。

图4 仿真CT扫描界面

图5 图像诊断操作界面 图6 教师批阅操作界面

按照正常实验课时长为120 min，考虑到乘车来回时间、医院协调等待时间等影响因素，取10次实验课的实际实验时间的平均值计算时间利用率。同时，计算两个班级相应课程的3次设备操作考核成绩与期末总成绩的平均值进行对比，结果如表1所示。

表1 时间利用率及成绩考核对比结果

(注：等待时间包括医院安排见习资源、设备冷却时间等)

从对比结果来看，采用综合训练系统的综合教学模式大幅提高了实验课的有效时间利用率，多元化考核成绩反映出教学效果良好。在医学影像学相关教学中使用该训练系统，首先能缓解医院见习资源紧张的问题，减轻临床教学的压力；其次，作为实验课程中的辅助工具，该训练系统完全仿真医院影像科工作流程，学生可以在相对真实的工作场景中掌握CT、DR设备操作方法，学习医学图像扫描、图像处理；最后，该综合训练系统具有功能全面、操作简单的优势，学生可以不限时间、空间地随学随练，学习兴趣更加浓厚，对理论知识的理解更加深入。

仿真教学实验系统已经成为高校教学、考核、训练辅助的重要途径[12-14]。该文针对医学影像设备实验课教学存在问题，分析了现有仿真教学设备的劣势，在已有的影像设备操作训练系统的基础上，研制一个集检查登记、扫描拍片、图像处理及诊断为一体的，完全仿真医院影像科工作流程的医学影像综合训练系统。该系统包含了从仿真影像检查登记、仿真模拟CT、DR拍片、仿真影像工作站、教师批阅等全过程模拟，便于学生熟悉医院影像科的工作流程，学习医学图像扫描、图像处理等，帮助学生透彻地理解知识。同时，教师可以根据学生上传的诊断报告，实时掌握教学情况，有针对性地解决问题，降低教学成本，减轻临床实习教学压力，从而提高教学效率及质量，缓解教学资源紧张等问题。随着平台的普及，可以将更多的医院操作模式加入[15]，从而实现技术的不断更新。