徐勐 蘆幸琪 馬陽(yáng)光 孫明軒

摘要：本文系統(tǒng)描述了計(jì)算機(jī)斷層掃描設(shè)備和檢查過程的虛擬仿真軟件的開發(fā)步驟，詳細(xì)敘述了相關(guān)素材的準(zhǔn)備，模型建立，界面設(shè)計(jì)，CT室場(chǎng)景布置，檢查過程的動(dòng)畫制作，仿真軟件的集成。介紹了開發(fā)過程中幀和圖層的優(yōu)化方法，提高了開發(fā)效率。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)斷層掃描;虛擬仿真;軟件開發(fā)

中圖分類號(hào)：TP311.52;R445 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2020）09-0106-03

0 引言

電子計(jì)算機(jī)斷層掃描（Computed Tomography，CT） 可以為醫(yī)生提供清晰的人體解剖形態(tài)圖像，極大地豐富了疾病的診查信息，已成為當(dāng)今使用最為廣泛的疾病診斷和篩查的一種重要手段[1-2]，因此，CT設(shè)備是臨床醫(yī)學(xué)特別是醫(yī)學(xué)影像學(xué)專業(yè)學(xué)生必須掌握的一門技能[3]。然而，由于CT設(shè)備價(jià)格昂貴，使得不少學(xué)校實(shí)驗(yàn)室難以配齊CT儀器設(shè)備。安排學(xué)生到醫(yī)院實(shí)習(xí)，又因CT設(shè)備數(shù)量有限，多以單臺(tái)設(shè)備下的演示和參觀為主，實(shí)驗(yàn)教學(xué)與繁重的臨床工作同時(shí)進(jìn)行，不可能無(wú)限制地將設(shè)備用于學(xué)生學(xué)習(xí)和培訓(xùn)，使得學(xué)生很難對(duì)CT設(shè)備操作與檢查方法有較好掌握。如何尋找一種教學(xué)模式來解決這一矛盾是值得探索的問題。

近年來隨著計(jì)算機(jī)和虛擬仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)成為一種新興的教學(xué)方式[4-5]，有效地克服了時(shí)間和空間的限制，一定程度上彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不足。要使虛擬仿真技術(shù)能夠在教學(xué)中真正發(fā)揮作用，關(guān)鍵是要有切合教學(xué)實(shí)際的應(yīng)用軟件，這促使我們根據(jù)教學(xué)需要開發(fā)該CT虛擬仿真軟件。

1 開發(fā)工具

在該虛擬仿真軟件的開發(fā)中選用Adobe Animate CC為主開發(fā)工具[6]，Autodesk 3DS MAX制作患者及其運(yùn)動(dòng)，用Adobe Photoshop CC處理圖片，用Adobe Premiere CC對(duì)動(dòng)畫和聲音進(jìn)行合成和后期處理，整個(gè)過程中注意合理運(yùn)用開發(fā)工具完成CT虛擬仿真軟件的制作。

2 素材準(zhǔn)備

對(duì)于素材的采集，為構(gòu)建CT設(shè)備模型和場(chǎng)景，首先拍攝CT儀各角度和CT室環(huán)境照片，并記錄CT檢查操作過程，截取或錄制操作流程中的計(jì)算機(jī)屏幕圖像。一些較通用的素材可以通過網(wǎng)絡(luò)搜索免費(fèi)資源下載。

3 模型建立

CT檢查虛擬仿真軟件中最主要的模型為CT儀、掃描床、監(jiān)控器和患者，實(shí)地拍照和網(wǎng)上下載的素材或多或少會(huì)存在一些瑕疵，需要用Photoshop進(jìn)行處理。用Photoshop打開圖片素材，運(yùn)用快速選擇工具、磁性套索工具、多邊形套索工具和魔棒工具等將它們細(xì)致的框選出來分別剪切到新文檔里，因?yàn)樗臄z的儀器或部件有些是重疊的，所以提取出來的圖像是不完整的，利用填充工具、仿制印章工具等將剪切出來的圖像補(bǔ)充完全。最后用圖層上的曲線、色階、減淡工具對(duì)圖像進(jìn)行調(diào)色調(diào)亮，得到最終合適的模型?；颊呒捌溥\(yùn)動(dòng)用3DS MAX制作。

除上述模型外，還有電腦顯示器、桌子、讀卡器、鍵盤、診療卡、窗戶、掃描架控件等模型，這些模型在制作中同樣重要。

4 主界面設(shè)計(jì)

軟件啟動(dòng)后，首先進(jìn)入主界面，中間顯示歡迎語(yǔ)和CT虛擬仿真軟件簡(jiǎn)介。右側(cè)從上到下排列“CT儀結(jié)構(gòu)介紹”“CT儀工作原理”“軟件使用教程”“進(jìn)入CT室”和“退出”五個(gè)選項(xiàng)。選擇前三項(xiàng)可查看具體內(nèi)容，其中文本框右下角三角形是翻頁(yè)按鈕，點(diǎn)擊“進(jìn)入CT室”即可進(jìn)入CT檢查虛擬仿真流程。

5 CT室場(chǎng)景設(shè)計(jì)

CT檢查過程的虛擬仿真主要涉及兩個(gè)場(chǎng)景，CT控制室和CT儀器室。CT控制室內(nèi)有一臺(tái)豎屏電腦和三臺(tái)普通電腦，自左向右命名為電腦1、電腦2、電腦3、電腦4，將4臺(tái)電腦以適當(dāng)位置擺放在桌子上，按實(shí)際情況連接讀卡器、鍵盤等設(shè)備，并添加CT儀遙控器。電腦后方為防輻射玻璃窗，以供醫(yī)生在CT控制室隨時(shí)觀察CT儀器室內(nèi)的情況，為了顯示透過玻璃窗觀察到CT儀器室內(nèi)部的效果，在Photoshop中使用矩形框選工具選出玻璃，剪切后放入新的圖層，改變圖層的透明度，使玻璃成為半透明的圖像，再將其拼接到窗戶框中，將CT儀器室內(nèi)部圖像與窗戶圖像疊加，擦去CT儀器室內(nèi)部超出窗戶邊框的部分，得到透過窗戶觀察CT儀器室內(nèi)部的視覺效果。右后方墻壁上安裝有進(jìn)出CT儀器室的防輻射金屬門，構(gòu)建出CT控制室場(chǎng)景，布置好的CT控制室如圖1。

CT檢查室主要是CT儀、掃描床、透過玻璃窗可以觀察到CT控制室部分、墻面和金屬門。CT儀及其操作通過CT儀模型實(shí)現(xiàn)，掃描床的移動(dòng)通過掃描床模型實(shí)現(xiàn)。將顯示器背面和部分白色桌面圖像通過圖層蒙版加到窗戶圖像的合適位置，實(shí)現(xiàn)從CT檢查室透過玻璃窗看到CT控制室的效果，墻壁上添加金屬門，整合得到所需視角的CT檢查室場(chǎng)景如圖2。

兩個(gè)場(chǎng)景的切換是通過圖片的切換實(shí)現(xiàn)的，為了使切換更加自然，在以上兩個(gè)主要場(chǎng)景之間加入了金屬門的開啟、CT儀視角切換等中間轉(zhuǎn)換過程，營(yíng)造出從CT控制室進(jìn)入CT儀器室的效果。

6 CT檢查過程的仿真

在布置完CT室場(chǎng)景后，開始制作CT檢查過程的動(dòng)畫，主要是CT控制室中四個(gè)顯示器的配合使用、CT儀的操作與變化、掃描床的移動(dòng)、患者的行走與上下床以及CT控制室和CT檢查室場(chǎng)景的切換等環(huán)節(jié)。其中，患者進(jìn)入CT檢查室、調(diào)整掃描床和患者位置、患者離開CT檢查室是在CT檢查室中進(jìn)行，其余部分在CT控制室中進(jìn)行。

在CT控制室中點(diǎn)擊電腦3屏幕放大，點(diǎn)擊屏幕上“日常維護(hù)”按鈕進(jìn)入維護(hù)程序，點(diǎn)擊“球管預(yù)熱”按鈕彈出確認(rèn)預(yù)熱對(duì)話框，點(diǎn)擊“接受并運(yùn)行球管預(yù)熱”按鈕開始預(yù)熱，完成預(yù)熱后點(diǎn)擊“退出”按鈕回到CT控制室場(chǎng)景，接下來進(jìn)入CT檢查操作流程。

點(diǎn)擊電腦2屏幕放大，單擊屏幕上的檢查系統(tǒng)圖標(biāo)啟動(dòng)程序，輸入登錄名和密碼后登錄，點(diǎn)擊“檢查登記”按鈕進(jìn)入錄入信息界面，點(diǎn)擊“新增”按鈕，彈出“設(shè)備選擇”對(duì)話框，選擇“CT”并確定，點(diǎn)擊讀卡器，讀取患者診療卡信息并保存，系統(tǒng)提示“保存成功”，點(diǎn)擊“確定”按鈕后退出。

點(diǎn)擊電腦3屏幕放大，點(diǎn)擊“新患者”按鈕，從“患者列表”中選擇要進(jìn)行CT檢查的患者，點(diǎn)擊“患者添加”按鈕，添加患者個(gè)人信息，顯示“掃描程序選擇”，根據(jù)患者檢查需求，選擇檢查部位，進(jìn)入默認(rèn)協(xié)議參數(shù)界面，查看參數(shù)設(shè)置無(wú)誤后，點(diǎn)擊“確定”按鈕后返回。

從CT控制室一側(cè)點(diǎn)擊CT檢查室金屬門，場(chǎng)景轉(zhuǎn)至CT檢查室后首先播放CT儀全景動(dòng)畫。從CT檢查室一側(cè)點(diǎn)擊CT檢查室門，打開金屬門，患者進(jìn)入和離開CT室的動(dòng)畫是將3DS MAX制作的人物直接導(dǎo)入?；颊哌M(jìn)入動(dòng)畫將其起點(diǎn)和終點(diǎn)分別設(shè)置為CT檢查室門和CT儀前;在患者走到CT儀前時(shí)，點(diǎn)擊患者即可使其躺在CT檢查床上;制作檢查床和支架的移動(dòng)及升降，在患者躺下后與患者合并為調(diào)整位置動(dòng)畫;使用制作的掃描架控件圖片按照實(shí)際操作順序制作按鈕動(dòng)畫并使其與調(diào)整位置動(dòng)畫配合。由于按照正常比例的視圖觀察不到掃描架控件的細(xì)節(jié)操作流程，所以對(duì)其進(jìn)行了適當(dāng)?shù)姆糯筇幚?。將掃描架控件?dǎo)入到Animate之后，轉(zhuǎn)換為影片剪輯，在影片剪輯中，將其轉(zhuǎn)換為圖形元件，在適當(dāng)位置插入關(guān)鍵幀并將圖形元件放大到合適比例，通過按鈕和動(dòng)作圖層代碼的配合實(shí)現(xiàn)點(diǎn)擊掃描架控件移動(dòng)掃描床的效果。點(diǎn)擊CT檢查室門后，返回CT控制室。

點(diǎn)擊電腦3核實(shí)掃描信息無(wú)誤后點(diǎn)擊“確定”按鈕，播放遙控器動(dòng)畫，點(diǎn)擊“移至掃描位置”按鈕將病人向CT儀內(nèi)移動(dòng)，點(diǎn)擊“開始掃描”按鈕開始掃描，在此分別制作了指示燈效果，顯示掃描進(jìn)行情況，掃描完成后，點(diǎn)擊“結(jié)束檢查”按鈕結(jié)束。

點(diǎn)擊金屬門進(jìn)入CT檢查室，點(diǎn)擊腳踏板后，CT檢查床和患者移回原位，點(diǎn)擊患者，播放患者下床和離開CT檢查室動(dòng)畫，再次點(diǎn)擊金屬門回到CT控制室。

CT影像和患者病歷使用搜集和制作的圖片素材導(dǎo)入Animate，并按照對(duì)應(yīng)掃描部位和協(xié)議調(diào)出影像和顯示病歷。點(diǎn)擊電腦4顯示影像系統(tǒng)，點(diǎn)擊影像即可逐張查看掃描獲得的CT影像，查看完畢，點(diǎn)擊“退出”。

點(diǎn)擊電腦2，選擇進(jìn)行檢查的部位，可生成對(duì)應(yīng)的病歷。

CT檢查結(jié)束后可在電腦1上進(jìn)一步查看和處理CT影像。

由于CT控制室內(nèi)的流程均是在電腦上完成，四個(gè)顯示器的配合使用動(dòng)畫涉及到了大量的桌面顯示圖片，為了使顯示屏上的桌面最大程度的接近真實(shí)，對(duì)實(shí)際操作過程的每一步進(jìn)行了錄屏和拍照，圖片用Photoshop處理后導(dǎo)入到Animate中，使用自由變換工具調(diào)整到合適大小放在顯示器的屏幕中作為桌面，通過交互按鈕對(duì)圖片的切換控制實(shí)現(xiàn)顯示器配合使用的動(dòng)畫效果。

7 優(yōu)化設(shè)計(jì)

制作過程中對(duì)部分場(chǎng)景的幀數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。在Animate中影片剪輯具有獨(dú)立的時(shí)間軸，可以用代碼片段進(jìn)行獨(dú)立交互，根據(jù)這一特性，通過在場(chǎng)景同一幀放置多種影片剪輯可以做到一幀的縱向播放，達(dá)到大大節(jié)省場(chǎng)景中占用幀數(shù)的目的，同時(shí)因?yàn)閹瑪?shù)的減少使得該場(chǎng)景變得清晰明了，在之后的編輯中更加方便。例如，將病人躺到床上的動(dòng)畫放入影片剪輯，本來138幀的大幀數(shù)動(dòng)畫放在了場(chǎng)景的一幀中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)場(chǎng)景中幀的優(yōu)化。

與幀數(shù)優(yōu)化有異曲同工之處的還有在動(dòng)畫制作過程中把繁多的圖形、按鈕、動(dòng)作糅合在一起放入影片剪輯來盡可能減少場(chǎng)景的圖層數(shù)量，使該場(chǎng)景的圖層看起來一目了然，便于圖層的查找和修改即對(duì)場(chǎng)景的處理。例如，將掃描床的分步移動(dòng)動(dòng)畫放入影片剪輯，掃描床的分布移動(dòng)動(dòng)畫需要的圖層繁雜，包含了掃描床的主體、床的支撐部位、條狀傳感器帶、床的底座、病人的移動(dòng)及其遮蓋層等圖層。

8 仿真軟件的集成

全部動(dòng)畫制作完成后，將日常維護(hù)、選擇患者、CT檢查動(dòng)畫嵌入電腦3，患者登記、查看病歷動(dòng)畫嵌入電腦2、查看影像動(dòng)畫嵌入電腦4和電腦1。并且按照歡迎界面—CT控制室—日常維護(hù)—登錄系統(tǒng)—患者登記—選擇患者—選擇檢查部位和協(xié)議—CT檢查室—患者進(jìn)入檢查室—調(diào)整檢查床和患者位置—CT檢查—患者離開CT檢查室——查看影像和生成病歷的順序，使用適當(dāng)?shù)腁ction Script代碼將各個(gè)動(dòng)畫與場(chǎng)景連接起來，在金屬門上添加按鈕和代碼以切換CT控制室和CT檢查室場(chǎng)景。

制作和調(diào)試完成后，通過Animate 發(fā)布為swf格式的文件。

9 結(jié)語(yǔ)

CT虛擬仿真軟件解決了CT儀器設(shè)備的不足和輻射等負(fù)面影響，減少占用寶貴的臨床患者檢查時(shí)間，學(xué)生可以反復(fù)進(jìn)行CT設(shè)備模擬操作，而不受時(shí)間和空間的限制。通過計(jì)算機(jī)技術(shù)營(yíng)造的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境，產(chǎn)生出如同真實(shí)場(chǎng)景的感受和體驗(yàn)，將CT儀器設(shè)備、檢測(cè)原理、儀器操作流程、檢查過程等通過形象、直觀的圖形和動(dòng)畫來表現(xiàn)，使以前靜態(tài)的、平面式的教學(xué)變?yōu)閯?dòng)態(tài)的、三維立體的教學(xué)過程，避免了授課過程中僅用文字和圖片講授帶來的枯燥問題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高其學(xué)習(xí)的自主性和實(shí)際動(dòng)手能力，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，有利于教學(xué)質(zhì)量和水平的提高。

參考文獻(xiàn)

[1] 傅菲，劉筠.方艙CT技術(shù)進(jìn)展與臨床應(yīng)急使用現(xiàn)狀[J].國(guó)際醫(yī)學(xué)放射學(xué)雜志，2020，43（3）：335-337.

[2] 黎宇，覃洪取.西門子Definition Flash雙源數(shù)字CT圖像技術(shù)應(yīng)用研究[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2020，38（2）：83-84.

[3] 徐克，龔啟勇，韓萍.醫(yī)學(xué)影像學(xué)（第8版）[M].北京：人民衛(wèi)生出版社，2018.

[4] 楊江濤.探究計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)分析及其應(yīng)用[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2019，37（10）：54.

[5] 崔樂樂，楊玉萍，郭艷等.臨床技能虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)建設(shè)與研究[J].電子元器件與信息技術(shù)，2019，（3）：47-50.

[6] 楊根福.Adobe Animate CC中文版基礎(chǔ)教程[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2017.