虚拟仿真技术在医学影像设备学实验教学中的应用探讨

李晓凤 尤亚睢 张平玉

摘  要：医学影像设备学是医学影像技术专业的主干核心课程，具有高度的综合性和应用性。由于涉及多种抽象概念，对于抽象、逻辑思维欠缺的医学专业学生而言理解起来较为困难，多数院校用于实验教学的医学影像设备数量较少、种类短缺、设备滞后，无法满足实验教学需要。虚拟仿真技术的应用不仅能很好地模拟各种影像设备的结构、功能、扫描过程，帮助学生化抽象为具体，理解所学内容，参与、设计实验，而且极大地降低了医学影像设备实验教学中面临的高电压、电离辐射损伤等风险，更大限度地保障了学生的生命健康安全。本文通过旋转阳极X线管原理实验和第一代CT机扫描实验为例，论证虚拟仿真技术在医学影像设备学实验教学中的必要性和可行性，旨在为虚拟仿真技术在医学影像设备学实验教学中的应用提供发展方向。

关键词：医学影像设备学;虚拟仿真技术;研究;应用

中图分类号：G482    文献标识码：A    文章编号：1673-7164（2021）15-0011-03

医学影像设备学是医学影像技术专业学生的核心专业课程之一，影像技术专业学生只有充分了解医学影像设备的工作原理、基本构造、工作特性等，才能在日后的学习与工作中充分发挥影像设备的作用，创新影像检查方法、满足临床诊断与治疗要求。但是，由于医学影像设备学较为抽象晦涩，部分内容涉及电路、高数等知识，学生理解起来困难，易丧失学习兴趣;且目前绝大多数高校都面临着医学影像设备教学所需要的设备数量较少、种类短缺、设备滞后等多种问题。基于上述原因，将虚拟仿真技术与医学影像设备的实验教学相结合不仅能化抽象的理论知识为具体，更易于升级更新、减少设备维护成本，便于开展在现实中具有局限性的实验，有助于培养学生的创新性思维。

一、传统医学影像设备学的教学局限性

（一）仅以二维形式展示，缺乏临床经验的学生难以理解所学内容

大部分本科阶段的医学影像技术专业学生在学习医学影像设备学时并没有实习实践的机会，对医学影像设备的了解往往不足。尽管多媒体技术的应用，可以在教学中将影像设备的具体构造以图片、视频等形式展示出来，但是这种二维形式与实际设备相差较大，不易将影像设备各部分的构造及作用结合起来。仅通过这种片面的形式了解后，便开始接受大量抽象的专业知识，学生学习起来会比较吃力。如果在医学影像设备的实验课中以影像设备真机为载体，同时辅以虚拟仿真技术，保证每位学生都能操作、设计实验，能大大提升学生对影像设备的认识，促使理论知识与实践操作相辅相成，有利于培养出专业知识硬、动手能力强的高素质影像技术人才。

（二）仅局限于教材，不利于培养学生的创新性思维

教材是学生获取系统知识的重要工具。当今时代，科学信息技术发展迅速，影像设备以前所未有的速度快速发展、不断更新，教材建设周期相对较长，与影像设备的发展相比明显滞后，学生仅依靠教材无法及时了解行业发展动态。如果能在医学影像设备学的教学中融入虚拟仿真技术，不仅可以快速升级更新设备，而且便于资源共享，激发学生的学习兴趣。

（三）受空间限制，传统线上授课模式无法开展、设计实验

基于当前疫情常态化的大环境，线上授课逐步常态化。线上授课具有网络资源共享、学习条件宽松、利于课程资源保存等优点。但是传统线上授课由于空间、时间等限制，在开展线上实验教学时缺乏实验器材、实验设备、实验场地等，学生无法进行操作、设计实验，致使实验教学效果不尽如人意。医学影像设备学对学生的实践能力要求又比较高，仅依靠传统线上授课模式不利于培养学生的创新实践能力。虚拟技术可充分利用现有计算机资源，配以独特设计的软硬件功能，实现普通仪器的全部功能 [1]。

二、实验教学结合虚拟仿真技术的意义

（一）虚拟仿真技术可以有效提高每位学生的实验参与度

医学影像设备包括DR、MSCT、MRI等多种设备。绝大多数院校人均实验设备数量无法满足教学需要，加上影像设备结构复杂，致使大多数学生在规定授课时间内，很难对所学影像设备的构造、组成进行充分的学习和观察 [2]。尤其在实验教学中，由于实际动手拆卸设备耗时较长、观察设备内部构造时间较短、设备数量有限等原因，即使小班教学也无法保证每位学生都能参与实验，使实验教学效果大打折扣。例如在学习CT成像设备的滑环结构时，传统实验教学需手动拆卸CT机架外壳等才能使滑环暴露，由于机器結构复杂，拆去非目标结构耗时较长，浪费宝贵的上课时间。借助虚拟仿真技术教学，仅需鼠标拖动便可去除非目标结构，使滑环呈现出来，促使每位学生都有相对充足的时间全方位观察滑行。观察是提取事实的第一步，是实验的基础，也是创新的前提 [3]。只有引导学生对实验对象进行充分的观察，才能使学生明确观察对象的特征，科学分析实验对象变化的原因，提高观察能力。

多数院校的教学设备种类单一，结合虚拟仿真技术不仅能帮助学生对比理解传统CT机通过电缆供电大大限制扫描速度的缺点，而且可以形象展示在滑环CT扫描技术的基础上进一步发展出来的螺旋CT扫描技术的优点 [4]。通过虚拟仿真技术，不仅能帮助学生更好地理解所学内容、融会贯通，而且可以极大地提高每位学生的实验参与度。

（二）虚拟仿真技术提高实验的安全性

医学影像设备实验教学多涉及存在电离辐射危害的大型实验设备，学生在进行电路原理分析、故障分析等实验时，即使防护措施得当，仍无可避免地面临着电离辐射及高压危险 [5]。

1. 虚拟仿真技术在医学影像设备学实验教学中的典型应用

（1）旋转阳极X线管原理分析实验

旋转阳极X线管是目前医学影像X线设备中应用最广泛的一类球管。因此，掌握旋转阳极X线管的工作原理、结构特点等是学好普通X线成像设备的重要基础。

在学习旋转阳极X线管的原理分析时，首先登入虚拟仿真实验平台形象展示电流由高压发生装置经高压电缆对X线管阴极端灯丝提供加热电压，使其发射电子形成电子流，电子流在高真空条件下高速撞击到旋转的阳极靶面上产生X线。模拟在相同小焦点、其他结构参数、电参数相同的情况下，使对照组X线管阳极靶面保持静止，实验组X线管阳极靶面保持一定转速;观察比较对照组与实验组的最大瞬时负载功率。在虚拟仿真技术的基础上，不仅可以使肉眼无法观测到的电流流向实际地展示出来，而且在进行对比实验时无X线产生也不会出现X线管的损坏现象，还可以多次进行实验，提高实验教学效率和教学质量。

（2）第一代CT机模拟扫描实验

医学影像技术专业学生需学习CT机发展历程中的重难点内容，各代CT机均是在第一代的基础上发展而来的，因此，理解第一代CT机的结构特点、检查过程是掌握各代CT机主要特点的重要基础之一。

第一代CT机于1971年安装应用，年代较久远，学生无法实际接触了解。通过虚拟仿真实验平台，学生可以身临其境地模拟临床检查，使用第一代CT机确定虚拟受检者的检查部位（多为头部），开展检查前准备工作，根据需要选择合适的扫描体位。开始扫描时可以观测到第一代CT机是由一个X线管产生的射线束与一个探测器围绕受检者的检查部位做同步直线扫描运动，转1°后，进行一次直线扫描运动，直到转完180°后穿过受检部位的X线携带着影像信息被接收、重建形成图像。学生也可以根据实验目的自主设计实验。

结合虚拟仿真实验平台，学生不仅能身临其境地感知到在现实生活中无法接触的仪器设备，还能充分发挥主观能动性设计实验，培养学生的创新性思维。

三、结语

综上所述，在医学影像设备学实验教学中应用虚拟仿真技术可以突破传统实验教学中的多种局限，提高实验教学的安全性及学生在实验课中的参与度，有利于培养学生的观察和创新能力。因此，院校应当结合自身办学情况对医学影像设备课程中虚拟仿真实验平台进行建设与改进，既要在教学中将医学影像设备真机与虚拟仿真系统合理地虚实结合，又要避免过度依赖虚拟仿真实验平台，使实验教学“脱实向虚”。随着信息化时代的发展，不断构建、创新基于网络平台的虚拟仿真实验系统，使其在医学影像设备学的实验教学中得到更加广泛的应用，将有利于为我国医疗卫生行业培养应用技术型医学影像技术的高级专门人才。

参考文献：

[1] 齐现英，鲁雯，韩丰谈，等. 虚拟仿真教学在《医学影像设备学》教学中的研究与应用[J]. 中国医学物理学杂志，2012，29（01）：3208-3210.

[2] 王惠方，韩东明，梁长华，等. 医学影像专业课程与教学内容优化的探讨[J]. 中国继续医学教育，2019，11（32）：6-8.

[3] 韩丰谈，孙思琴，齐现英，等. 成人教育医学影像设备学实验教学研究[J]. 中国医学装备，2010，9（07）：17-19.

[4] 赵志伟，闫霜. 医学影像专业课程与教学内容優化分析[J]. 影像研究与医学应用，2020，4（07）：240-242.

[5] 惠桧，张志萍，邓斌菊，等. 影像虚拟仿真系统在高职临床医学专业《诊断学》影像学章节中的应用与思考[J]. 影像研究与医学应用，2020，4（11）：248-249.

（荐稿人：史大鹏，河南省人民医院教授）

（责任编辑：汪旦旦）