数字减影血管造影虚拟仿真实验教学系统开发与实践

王超，孟凡，张慎忠

（1.南京医科大学 生物医学工程与信息学院，江苏南京 211166；2.南京医科大学附属逸夫医院麻醉科，江苏南京 211112）

数字减影血管造影技术（Digital Subtraction Angiography，简称 DSA）是一种能够可视化X 射线序列图片中血管的技术[1-3]，已在临床应用20 多年，是血管疾病无创诊断与介入治疗手术导航的重要依据[4-5]，在图像质量、判断血流方向和优势供血等方面具有无可替代的作用[6-7]。2023年3月，中共中央办公厅、国务院办公厅印发《关于进一步完善医疗卫生服务体系的意见》，强调“提高医疗卫生技术水平。加强临床医学、公共卫生和医药器械研发体系与能力建设”“努力突破技术装备瓶颈，加快补齐高端医疗装备短板”[8]。本项目是把培养生物医学工程专业人才与国家需求相对接。

数字减影血管造影成像原理是南京医科大学生物医学工程、医学影像技术、医学影像专业本科生的主干课程的核心知识点，其中包涵了自然科学的各种技术，可引导学生形成创新思维。

数字减影血管造影成像原理一直是学习难点[9-11]，学习DSA 原理需要对X 射线与人体相互作用、对比剂流体动力学、数字图像减影等作用过程与数学模型进行想象、重构，传统教学方法难以直观、形象地展示技术原理，难以实现教学目标[12]。同时，由于DSA 不仅有较大量X 射线辐照[13]，且实施过程有创且复杂，加之DSA 设备昂贵，这些因素都不利于传统DSA 实验的开展。

1 数字减影血管造影虚拟仿真实验教学系统设计

1.1 实验教学系统设计思路

数字减影血管造影虚拟防真实验实验教学系统设计基于互动学习与仿真操作来提高学生对数字减影血管造影成像原理重点及难点的掌握度及抽象概念的认知度，重点解决数字减影血管造影成像原理学习中验证成本高、间接测量多、抽象推理难的问题[14]。具体设计思路如下。

（1）多维沉浸式设计：通过设备结构、原理展现、临床应用等多个维度学习数字减影血管造影原理。观察设备内部结构、了解设备工作原理和数字减影流程，增强学生的代入感；观察不同时间、不同能量X 射线照射时血管内的影像变化，总结相关规律，深刻理解物理理论对成像及临床诊断的意义。

（2）体内可视化设计：以人体血管系统为基础，通过软件建模呈现出血管路径，使人体中难以观察的到血管通路完全可视。实验中，从造影前穿刺到血管中对比剂的流动过程皆能够通过仿真可视化，学生在软件中即可观察血管造影的完整过程，能够有效帮助学生对血管造影原理知识的学习和理解。

（3）数理模型化设计：依据数字减影血管造影的物理原理，基于数理模型实时运算高仿真技术，建立了“对比剂浓度变化”“时间/能量减影”等各种精准数学模型，并嵌入相应的模块。仿真模块将快速实时计算出不同参数对应的模拟输出结果，使实验过程更加科学、真实。

1.2 实验教学系统内容设计

根据医学成像原理中数字减影血管造影章节的教学目标和教学重点，虚拟仿真实验课程内容共包含学习模式（知识点）、练习模式（学习）和综合实验模块（测试）三大模块，整体内容设计见图1。

（1）数字减影血管造影基础概念模块：该模块主要是对DSA 成像中设计的概念进行讲解和学习，用户通过点击知识点即可跳转到相应的学习视频。这部分知识点包涵了训练模块和综合设计模块中所有参数选择的方法，具体内容包括：X 射线成像原理、数字减影物理基础、不同成像部位对比剂的选择与浓度调节、数字减影方式、K 缘效应、DSA 成像参数、常用DSA 图像处理方式和旋转DSA。

（2）数字减影血管造影原理训练模块：该模块的实验方法主要为自主设计法和观察法，用户进入训练界面之后选择需要训练的知识点，根据基础概念模块中学习的内容选择相应的参数并观察实验结果，如果参数选择错误，软件将给出提示，帮助用户快速定位到相应知识点。训练模块中具有丰富的案例，可多次学习和训练。具体训练内容包括对比剂选择、X 射线参数设置、减影方式和图像处理四个部分。

（3）数字减影血管造影原理综合设计实验模块：该模块的实验方法包含自主设计法、观察法和比较法。学生面对虚拟患者，根据基础概念模块和训练模块中所学习和掌握的内容，选择对比剂参数、X 射线参数、减影方式等，系统将自动展示穿刺到成像过程，接着根据系统给出的成像结果，用户选择其中两张图片进行减影，最后再选择图像处理方式，完成完整的实验过程。

2 数字减影血管造影虚拟仿真实验教学系统的使用

数字减影血管造影虚拟仿真实验教学系统包括学习模块、练习模块和综合实验模块三大模块，学生通过虚拟仿真软件的首页登录后，点击开始实验即可进入模块选择主界面。

2.1 学习模块

在学习模块中，教师通过视频讲解方式呈现数字减影相关基础概念，视频内容包含理论课程配套教材上的知识和相关课外扩展资料，包括X 射线成像原理、数字减影物理基础、不同成像部位对比剂的选择与浓度调节、数字减影方式、K 缘效应、DSA 成像参数等理论知识，以列表形式展示在页面。学生在进入下一模块之前，必须先完成该模块知识的学习。

2.2 练习模块

练习模块是在学习模块的基础上，结合标准化病人作为实验数据，建立时间减影、能量减影、二次曝光等各种精准数学模型，并嵌入相应的模块。仿真模块将快速实时计算出不同参数对应的模拟输出结果。练习模块具体内容见图2，包括对比剂、X 射线参数、减影方式、图像处理四个训练模块，支持学生分模块或者组合模块进行学习和练习，学生在各个模块中可反复调节相关参数，以此来达到学习目的。

图2 练习模式内容组成

2.3 综合实验模块

综合实验模块是在练习模块的基础上，对练习模块中的对比剂、X 射线参数设置、减影方式和图像处理四个训练模块进行综合训练，考核学生的逻辑思维能力和演绎推理能力。同时考核模式将融合真实案例教学，结合临床病人数据作为实验数据，以颅内动脉、下肢动脉和膀胱动脉DSA 影像为例，以最终得出清晰的血管造影图片为目的，考核学生知识点掌握情况。进入综合实验模块后，系统随机给出病人的生理参数和目标成像部位，学生需完成成像参数选择、数字减影图像选择和减影图像后处理三个过程。

（1）成像参数选择：根据模拟病人的参数和检查部位，选择成像位置、减影方式、拍摄方式、成像时间、射线能量等实验参数，点击确定之后系统模拟穿刺至成像过程，在界面右侧实时显示动脉内对比剂浓度变化曲线，学生点击停止拍摄按键后，系统生成系列掩膜和X 射线成像图片。

（2）数字减影图像选择：成像参数选择后，对于系统生成的系列影像图片，学生分别选择一幅掩膜和X射线影像图片进行减影，点击确定之后，系统将生成减影后的图像。

（3）减影图像后处理：选择减影图像后，系统随机生成噪声、伪影等，叠加在图像上，学生根据显示图像的特点选择处理方法，最终得到检查部位的成像结果。完成之后，学生点击右上角的提交成绩按键，系统将对综合实验结果分步骤进行评价。

2.4 成绩考核方式

数字减影血管造影虚拟仿真实验评价主要由学习模块、练习模块和综合实验模块三部分组成，分值占比分别为20%、30%和50%，学生操作总成绩大于85 分记为合格，系统自动生成结果证书。其中，学习模块要求学生完成知识点的学习；在练习模块中，学生需连续3 次正确选择随机出现的检查部位的参数；在综合实验模块中，系统按各步骤操作结果赋分。

3 虚拟仿真实验教学系统的实践与成效

在医学成像原理课程第二章X 射线成像教学中，增加了数字减影血管造影虚拟仿真实验部分内容，要求学生自主在线进行学习和操作，并需通过综合实验考核。通过增加该部分实验教学内容，串联第一章X射线成像原理的知识点，进一步提升学生对数字减影血管成像原理的理解，包括数字减影物理基础、对比剂选择、减影方式、图像选择与处理等内容。

虚拟仿真实验教学与原有数字减影血管造影成像原理实体实践教学相结合，深入学习DSA 图像成像机制与重建原理，创建了“以实为本、虚实结合”满足认知实习、专业实验、专业实训、专业实习等要求的综合实践教学体系，形成了以“仿真实验”拓展“真实实验”的“绿色实践教学”。多轮实际实践结果表明：本系统具有良好的教学效果。

（1）创造了与实际环境相似度非常高的环境，有利于学生快速学习。依托虚拟仿真、人机交互技术建立的虚拟体验系统，学生可以直观地学习DSA 成像设备的内部结构和成像原理，并可以体验DSA 成像实际操作的流程。

（2）节省了时间和成本。比起传统的实物实景教学以及单一的实物现场实习或体验，虚拟仿真系统能够缩短建立实物和获取环境的时间，而且一套虚拟仿真系统可以多人同时、多次使用，实现了在更短的时间内用更小的成本培养更高素质人才的目标。

（3）增加了安全可靠性。虚拟仿真系统使得体验过程不会浪费财力、物力，体验者可以通过虚拟仿真系统熟练掌握知识原理和操作流程，强化知识学习过程。

（4）手段新颖，直观性强，学生学习兴趣高。采用3D 仿真技术，模拟真实操作环境，实现人机交互操作等，都能在虚拟的三维现实环境中实现协同模拟操作，有利于进一步培养学生的创新实践能力。

4 结语

虚拟仿真实验系统弥补了传统实体实验教学的不足，通过以虚补实、虚实结合促进理论教学的开展，为学生实践操作能力的培养提供了有力工具。本文中设计并开发的数字减影血管造影虚拟仿真实验教学系统从理论知识、实践实训到综合考核各环节，循序渐进开展线上实验教学，实践教学表明：本系统有效提高了学生的学习兴趣和自主学习能力，进一步培养了学生的实验操作能力和创新思维，为医学成像原理课程的教学提供了有益支撑，也为医工复合型人才的培养起到了重要支持作用。

数字减影血管造影虚拟仿真实验教学系统解决了医学成像原理课程中数字减影血管造影原理实验开展的难题，其他医学成像技术如磁共振、核素成像等也同样面临难以开展实体实验教学的问题。因此，以本虚拟仿真系统为基础，未来将逐步设计与开发更多相关实验系统，建设完整的医学成像原理实验教学体系，进一步丰富和完善课程教学内容。数字成影血管造影虚拟仿真教学系统主要面向本校生物医学工程、医学影像技术和医学影像专业的学生，其他医学相关专业学生也可使用本系统辅助学习相关知识。此外，全国其他高校师生也可通过本系统开放的入口进行学习，实现线上教学资源高效共享，为医学、理学、工学等相关人才的培养提供有力支持。