妇科后装放射治疗实验教学虚拟仿真软件的开发与应用

郭 飞 谢 力 李贤富

（1.川北医学院附属医院放疗科，四川 南充637000；2.川北医学院医学影像系，四川 南充637000）

在放射治疗技术学中，后装放射治疗技术是利用放射源治疗肿瘤的近距离治疗技术，治疗时先将不带放射源的治疗容器(施源器)置于治疗部位，然后在安全防护条件下用遥控装置将放射源通过导管送到已安装在患者体腔内的施源器内进行放射治疗，由于放射源是后来装上去的，故称之为“后装”[1]。妇科后装放射治疗是将放射源放入贴近女性宫颈口位置的施源器中进行无创性治疗的放疗技术，在治疗过程中涉及诸多问题：①女性病人隐私需要进行保护；②放射源出罐治疗属于辐射高危环境[2]；③后装置管术要在无菌环境中进行；基于上述问题，传统教学中学生几乎没有机会到现场观摩，更不用说临床操作，但虚拟仿真实验能较好解决这一问题。

因此，为了适应当前经济社会发展对创新型人才培养以及高等教育实验教学改革的新要求，以建设一流专业、一流课程为目标[3]，本团队依托川北医学院放射治疗虚拟仿真实验室、上海梦之路虚拟仿真实验教学平台，在医学影像学院实验室管理中心的大力支持下共同研发了《妇科后装放射治疗虚拟仿真实验教学软件》。

1 软件总体框架与设计思路

1.1 软件设计思路

妇科后装放射治疗虚拟仿真教学软件应以学习者了解妇科后装全部流程为目的，利用虚拟放疗场所参观，仿真治疗设备操作、施源器无菌植入术为互动手段，让学习者在高度逼真的环境中认识后装放射治疗设备、施源器无菌植入需要的工具及整体操作流程。于是，本团队设计让互动者置身于一个虚拟放疗场所中，为某虚拟宫颈癌病人治疗全过程为任务契机，通过使用各种相关工具和操作各种相关设备来完成整个后装放射治疗，图1为软件设计思路。为提高学习者兴趣，整个实验软件使用游戏图形引擎Unity3D开发，其中不乏趣味性和挑战性。

图1 软件设计思路

1.2 任务模块化

根据以上设计思路，该软件将妇科后装放射治疗全过程分解为七大任务模块（图2）：①任务一：术前准备。②任务二：接待病患。③任务三：安装施源器。④任务四：CT扫描。⑤任务五：制定后装放疗方案。⑥任务六：安装患者的放疗导管。⑦任务七：操作后装放疗主机。其中，每个任务菜单栏又分为各种互动操作支任务并设置其相应操作工具，图2为窗口化互动模块及对应工具栏。所有任务需依次逐步进行，完成上一任务，才开放下一任务操作权限。每个任务板块对应其所需虚拟仿真场景，场景中包含患者注意事项和相关设备使用说明，并以触发弹窗形式显示。各种互动操作中设置操作提示，以减小任务执行难度。

图2 窗口化互动模块及对应工具栏

1.3 软件开发

在上述任务架构下，采用3DMax制作三维模型，使用Unity3D制作三维场景，互动窗口采用Adobe Flash显示。本软件按任务模块开发，最后再封装打包设计为可执行文件，运行环境为Windows7及以上版本。

2 软件应用

该软件已在川北医学院生物医学工程专业放射治疗技术学实验教学中进行了推广应用，在实际应用中体现了以下优势：①提供了一套完整系统、直观形象、经济安全的立体化教程及虚拟仿真教学平台，解决了以往妇科后装放射治疗实践教学资源短缺等问题。②学生通过互联网进入虚拟实验室，自主选择实验项目，完成虚拟实验，打破了实验教学对场地、设备、师资、经费的依赖。③将实验教学、实践教学、临床问题所涉及的理论知识统一规划并纳入统一平台管理，保证了理论教学到实验教学的相互衔接与贯通，任务模块的通关方式实现了对学生实践能力的动态跟踪与考核。④借助虚拟仿真技术将临床后装放疗案例转化为教学资源，是将其科研成果向教学资源进行了转化[4]。

在软件应用一段时间后，我们让学生通过网络问卷方式进行评价，整体好评率达91.8%。大多数学生认为能够帮助理解理论课知识，认为该软件的实用性很强。只有极少数学生认为该软件操作复杂（见图3）。

图3 学生对该软件评价结果显示

3 软件制作的关键问题及维护改进

妇科后装放射治疗具有很强的专业性，虚拟仿真软件制作的一个关键点就是内容的科学性和严密性。妇科后装放射治疗技术的流程比较复杂，我们在理论课上课过程中发现，操作性极强的课程用理论去描述，学生是极其难以理解的，只有通过实际操作，学生才能加深印象，帮助理解。该软件的任务模块目标在于准确、清晰地描述相关内容，让初学者能够看懂，让再学者能加深理解。我们的团队中有专门从事临床后装放射治疗的教师，专门负责软件的内容设计、资料查询和脚本撰写。比如，后装治疗机和其控制台的操作界面，我们用3DMax软件1∶1建模，建模时表面采用高清照片贴图，尽量做到逼真。动画制作由上海梦之路公司专业的软件工程师完成，由于软件工程师缺乏临床后装放射治疗的知识背景，因此制作过程经历了多次沟通和修改。最后定稿前，我们又请了相关的专家对软件内容进行核验，避免存在科学性错误。软件开发的最后环节也是最重要的部分之一，就是在运行中进行修改和更新。我们团队教师进行了多次试验，同时在学生中进行了试运行。我们积极地与学生沟通，听取他们的反馈，并与软件开发人员沟通，及时修改存在的问题。目前通过生物医学工程专业教师团队及学生对软件的反馈信息，我们归纳了软件开发和运行方面存在的不足，计划在后续的软件更新中进行完善。其主要包括几个方面：①软件3D图形流畅性还需要对低配机型电脑的显卡进行优化。②软件主要是通过操作任务化流程互动菜单来运行，存在任务卡壳BUG，需要进一步优化任务过渡模式。③紧跟学科发展的前沿，后续准备加入后装放射源的运输、审批虚拟场景模块和后装治疗机质量控制管理模块等任务。

4 结语

以学生为中心的虚实结合的互动教学，有利于培养学生自主学习、探究和解决科学问题的能力，达到提高教学质量和培养学生创新素质的目的，这也是高等院校现代化教育教学建设的必然趋势[5]。本软件下一步准备上传国家虚拟仿真实验教学共享平台[6]，供感兴趣的全国范围内的医学生及放疗同行在线学习。现在的显示平台是二维的，下一步计划是三维显示互动，使用人员带上VR眼镜将能更好展示虚拟空间，增强现实体验感，对后装放射治疗场所、医疗器械、医用材料等认识更为清楚，对治疗过程掌握得更加具体。