新冠疫情下医学影像设备的虚拟仿真实验项目建设

武杰，王远军

上海理工大学 医疗器械与食品学院( 上海, 200093）

0 引言

突发的新冠疫情，使得传统的实验教学模式受到较大的影响，面对面的亲自动手实践操作的实验模式，面临前所未有的考验，尤其对于严重依赖于大型医学影像设备类的实验教学，几乎面临课程停开的风险。但是，在停课不停学的原则下，在网上办公、网上学习的新形势下，医学影像设备类的实践教学也迫切需要转型到线上线下互动的教学模式。因此，基于互联网的医学影像设备虚拟仿真实验项目建设就显得格外重要，基于互联网的医学影像设备虚拟仿真实验，可以为新冠疫情下的相应实验教学搭建一个基础平台，为师生共同学习提供一个教学互动的联接纽带，使得相应理论和实践的教和学都能落实落地，为后续的长期教学提供了一个很好的选择。

目前应用于医学影像技术专业的虚拟仿真软件，主要有两种形式：一是传统的网络资源库形式，即集成大量的教学资料，主要是以PPT 教学资源、在线测试、动画展示设备结构等，其仿真实验仪具有部分交互功能，但此种交互只是通过调用预存在服务器中的临床影像图片，所显示的是最终的结果，无法实现实时动态的展示影像设备数据采集与图像重建过程；另一种形式是基于数值仿真技术，即完全仿真大型影像设备的整个图像产生过程，从最初的原理出发，每一步的采集过程都是可视化，并可进行实时交互，结合设计的实验教程，可以潜移默化的将原来晦涩的成像原理以图像、数据等形式展示出来。

1 医学影像设备的虚拟仿真实验特点

开发的医学影像设备虚拟仿真实验项目，不是简单的表象展示，而是本质理论的呈现和相关规律的复现，因此，涉及两方面的核心技术基础：一方面是虚拟采集数据的生成，从医学影像成像技术的基础理论，需要从本质上深刻的掌握该理论，要理解成像的本质，也就是说完全用数学公式来阐述各种图像信号的产生过程、数据采集过程以及图像重建过程。如在磁共振实验项目开发中首先需要将各种序列实验的数据采集和处理过程全部用数学公式进行表达，再程序化实现。

由于医学影像理论复杂，所涉参数很多，用数学公式来描述全部的成像实验过程，是该系列仿真实验仪核心技术之一；另一方面是样品模板数据库技术，模拟的样品种类多，涉及到普通的油标样、水标样、多空介质标样以及人体组织样品，构建数字人数据库，将人体组织数字化，而这个数据库内的每个数据点都还包含着多重信息，基于真实的数字人数据库才可以提供接近真实场景的虚拟成像实验，还可以生成各种维度的图谱，供辅助临床诊断。

开发出的医学影像设备虚拟仿真实验项目，所有实验项目可以集中在一个系统界面上展开，如图1 所示。可支撑硬件实验仪所有的成像原理实训项目，也可支撑影像质量控制相应课程，对影像技术实训课程可部分支撑，该系列仿真实验仪可规避硬件实训平台的不足，可实现真正的网络化、批量化、规范化的教学实验。

图1 虚拟仿真实验系统界面Fig.1 Interface of virtual simulation experiment system

开发出的医学影像设备虚拟仿真实验项目，可以模拟真实临床大型影像设备的实际数据采集和图像重建过程，且整个过程做到可视化，其数据量与真实设备数据量基本相同；应用该仿真实验仪进行实操实验教学无需庞大的硬件配套，可获得与小型实验仪和大型临床影像设备相似的实验效果；避免硬件实验仪的高成本和高条件要求；去除了运行成本、电离辐射或者使用条件等的限制，允许学生自由开放地学习医学影像技术原理以及参数对图像的影响规律；从本质上理解和掌握医学成像原理，为后续的图像质量控制、维修故障判断以及设计开发奠定坚实的理论基础。

2 针对CT 设备的虚拟仿真实验项目

（1）可分别动态演示第一代和第三代CT 扫描模式的探测器和球管的扫描运动过程，数据动态采集过程即正弦图获取，如图2 所示，滤波反投影过程和最终的重建图像效果；

（2）扇形束CT 重建中，可选择使用不同加窗函数滤波器进行反投影重建，观察重建图像效果，包括Sinc 窗，矩形窗，三角窗，汉宁窗，汉明窗，切比雪夫窗，布莱克曼窗和高斯窗等。可显示加窗滤波器的时域和频域波形；

（3）常见伪影等模拟功能：探测器损坏或响应不一致、DAS 增益不一致、金属异物、球管打火等常见伪影等模拟功能；

（4）空间分辨率和密度分辨率测试；

（5）可调节层面参数（层倾斜角度、层位、层数），采集参数（旋转角度、步进角度）；采集矩阵大小，扫描方向，病人体位，扫描距离，螺旋/常规扫描等设置；

（6）样品模版为数字人体，可实现针对数字人的不同倾斜角度的单幅或多幅CT 数据采集和图像重建效果等。

图2 仿真实验模型及其对应的正弦图Fig.2 Simulation experimental model and its corresponding sinusoidal diagram

3 总结

医学影像技术及其相关专业是综合医学、数学、物理以及工程多个学科的综合性专业，随着国民经济的发展与时代的进步，对高素质的医学影像技术人员的需求越来越明显，医学影像是当前医生进行诊断的主要依据，初期诊断90% 来自影像数据，高素质医学影像技术人才可以为临床提供更加快速与准确的图像数据，为疾病的早发现早治疗，提供必要的诊断基础；随着技术的发展，医学影像设备越来越集成化、智能化，影像设备的操作虽然越来越简单，但对图像质量的控制要求越来越高，这需要操作与维护人员能够及时、准确判断影响图像质量的本质原因，从而保证设备的正常运行，这显然需要相关人才必须对成像原理有深刻理解。

基于网络的医学影像设备类的虚拟仿真实验，既能解决新冠疫情下的实践教学问题，也为学生自主学习提供一个支撑环境，将来必然具有巨大的现实需求，还有很大的挖掘潜力，还有很多的设备类型和实验环节，有待于更深入地开发和完善。