CT设备结构原理虚拟仿真实验的设计与应用＊

杨楠 于毅 林俊堂 张业宏

（1.新乡医学院教务处，河南新乡 453003；2.新乡医学院医学工程学院，河南新乡 453003）

CT(Computed Tomography)，即电子计算机断层扫描，可从各个方扫描获得横断面图像的技术，对医学诊断具有重大意义，是现代医院不可或缺的大型仪器。但是CT等医学影像设备学在教学中存在仪器设备工作原理抽象、结构复杂、设备真机体积大、价格昂贵且辐射严重、教学成本高等种种限制，因此开发医学影像设备虚拟仿真教学系统，提高教学质量与效率本实验项目利用虚拟现实仿真技术，将医学影像教学理论、设备结构与实验室教学有机结合起来，能够形象的展示出CT设备的内部结构、运行过程以及基本原理，学生可以在接近真实的环境里对CT设备结构进行学习训练[1]。

1.实验设计与实验内容

1.1 专业与年级要求

医学影像技术、医学影像学、生物医学工程、临床等专业三年级学生。

1.2 基本知识和能力要求

正在学习或已经掌握医学仪器原理、影像设备学、影像检查技术、影像成像原理学等相关知识。

1.3 采用的教学方法及其目的

利用基于三维技术搭建的医学影像虚拟仿真教学平台进行在线学习，将医学影像理论、设备结构与实验室有机结合，形象地展示CT设备内部构造和原理。本实验项目利用虚拟现实仿真技术，将医学影像教学理论、设备结构与实验室教学有机结合起来，能够形象的展示出CT设备的内部结构、运行过程以及基本原理，学生可以在接近真实的环境里对CT设备结构进行学习训练[2]。

本实验项目核心要素对CT设备进行内部拆解，各个零部件可进行任意角度的3D旋转、放大，并配有相关的介绍说明。以剖面图等方式展现各部件的精准结构位置。可通过该软件实现影像设备的整体认知、虚拟操作、内部构造拆解、维修知识等学习工作需求，如图1所示。

图1 实验知识点

2.实施过程与实施效果

实验项目实施过程结合虚拟仿真教学平台实验管理系统，实行互动式的全景教学，课上进行实验学习的同时，课下学生可以随时随地登录影像虚拟仿真教学平台，进行在线学习、在线预习、在线实验、在线提问、教师在线答疑等功能，打破了教学过程中时间与空间的限制，提高教学效率和质量。通过教学反馈，自该实验项目上线以来，有效的带动了学生该课程的学习积极性，弥补了CT结构原理实验实训课程无法开展的难题[3]。

自实验2017年上线以来，在相关专业开展了实践教学，涉及的专业有医学影像技术、临床、生物医学工程等。通过实验实训的不断开展，学生学习积极性和学习质量有了很大提升，虚实结合的教学模式，不再使医学影像技术教学枯燥无味，抽象难懂。

2.1 实验方法描述

通过PC、手机等终端登录医学影像虚拟仿真教学平台，选择进入CT设备结构原理虚拟仿真实验系统，导入三维虚拟仿真实验场景，通过1:1全景模拟CT学生交互性操作步骤说明（共10步）[4]。

2.2 学生交互性操作步骤说明

（1）登陆进入CT设备结构原理虚拟仿真训练系统，如图2所示。

图2 系统登录界面

（2）拆解摄影床：是完成扫描任务的运载被检者的工具，具有垂直运动控制系统和水平纵向运动控制系统，它能按程序的要求实现自动进出扫描架孔径，完成自动定位检测对象的扫描位置。

（3）拆解侧盖、前盖、顶盖、后盖：扫描架是CT机的重要组成部分，上面装有X线球管、滤线器、 准直器、参考探测器、探测器及各种电子线路，扫描架能做旋转、前后倾斜运动，具有几何放大功能的扫描架还可以作直线运动，以改变球管和扫描物体之间的距离，如图3所示。

图3 拆解侧盖、前盖、顶盖、后盖

（4）点击床体，查看设备运行过程。

（5）进入内部构造学习场景。

（6）进行X线球管的学习，当高压加到球管正、负极时，就发射X线，管电流强度取决于管子的型式、千伏数（电压）和球管的灯丝温度，如图4所示。

图4 X线球管

（7）进行探测器的学习，如图5所示。

图5 探测器

（8）进行高压发生装置的学习：它为X线球管提供正常工作电压（±80kV）和球管灯丝工作电流。

（9）进行滑环的学习：将扫描架固定与旋转中的电源线和信号线连接，用来替代以往CT所连接的电缆，起到快速旋转和扫描的作用[5]。

（10）进行扫描床的学习：扫描架的运动，包括机架的旋转、倾斜角度、几何放大、控制光栅开口的大小，扫描床上、下、前、后运动。这些运动首先由计算机发出运动指令，由控制电路控制电机的运转，通过减速机构完成上述各种运动。为了使运动速度稳定，电机轴装有测速发电机输出信号反馈至控制电路。

通过引入CT虚拟仿真实验系统，在理论教学和实验之间搭建起一个“连接”，有效解决了有关医学影像设备教学中产生的“有理论，无实践”的问题，降低了理论教学难度，优化了学生的学习体验。云平台聚合了教、学、练、考、评等完备的教学功能。学生可以通过云平台实现课后习题提交、虚拟仿真实训练习及考核等，使教学资源更加立体、教学活动更加丰富、教学管理更加科学和高效，充分体现出教育信息化的发展方向[6]。

3.结论

通过“理、虚、实”一体化的教学方式，不仅极大地提高了理论与实践教学的效果，更加深了学生对医学影像成像设备的了解和认识，使得学生从内部电路到外部结构、从理论知识到实际操作完成了无缝对接，极大地弥补了实验在教学资源和设备等方面的不足。学生通过云平台在计算机本地安装虚拟仿真软件，然后通过云平台启动计算机本地的虚拟仿真软件，学生进入软件后，即进入CT虚拟仿真实验系统。学生可以选择新手上路了解实验目的、软件操作方式，熟悉实验环境。

CT设备结构原理虚拟仿真实验设计新颖，方便自主学习。实验教师具有多年教学和仪器设备维护维修一线的经验，对CT结构与原理精准把握，系统化一体设计，以计算机3DMAX建模、Unity3D虚拟交互、Web 3D学习技术应用，在原有CT构造基础上生动形象的展示CT内部复杂结构的工作原理，将抽象难懂简易化，合语音、动画、波形等手段，实现高质量实验教学。

课程思政无缝植入，培育中国制造家国情怀。该实验项目清晰直观地让学生明白肩负国家“工业制造2035”的神圣使命与责任，中国是制造业业大国，但在芯片、核心技术上与国外的差距，通过CT内部构造与原理学习，增强自信心，积极投身于中国制造，提高制造业的水平，尤其在一体化集成上柔性继承上不断进步，服务民族企业发展壮大，减少医疗支出造福国人健康。