時(shí)梅林，謝 懿，衛(wèi) 靜，謝曉萱，韓巖銘，

徐 璇1，崔 灝1，董玉霖1，于 孟2

徐州醫(yī)科大學(xué)：1.醫(yī)學(xué)影像學(xué)院， 江蘇 徐州 221004；2.附屬醫(yī)院影像科， 江蘇 徐州 221002

PET-CT(positron emission tomography-computed tomography，正電子發(fā)射斷層顯像-X線計(jì)算機(jī)體層成像儀)，是將PET(功能代謝成像)與CT(解剖結(jié)構(gòu)成像)兩種影像技術(shù)有機(jī)結(jié)合，應(yīng)用于臨床診斷的核醫(yī)學(xué)成像設(shè)備[1]。近年來(lái)，PET-CT設(shè)備裝配量急速上升，行業(yè)技術(shù)人才需求缺口大，崗位對(duì)設(shè)備技術(shù)操作、日常保養(yǎng)、故障檢修及安全維護(hù)等實(shí)踐技能有較高的要求，因此人才培養(yǎng)的實(shí)踐教學(xué)是重中之重[2]?，F(xiàn)階段PET-CT設(shè)備的實(shí)踐訓(xùn)練需要借助醫(yī)院資源開(kāi)展，但由于高端醫(yī)療設(shè)備成本高昂，且存在輻射、日常高負(fù)荷運(yùn)作等問(wèn)題，學(xué)生往往只能現(xiàn)場(chǎng)觀摩帶教教師操作實(shí)訓(xùn)，這種“圍觀式”實(shí)訓(xùn)模式容易導(dǎo)致理論與實(shí)踐脫節(jié)，從而限制了學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)[3]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬仿真教學(xué)得到了廣泛應(yīng)用，為開(kāi)展探究性學(xué)習(xí)、創(chuàng)新實(shí)踐和自主實(shí)驗(yàn)提供了開(kāi)放平臺(tái)[4]。文章以PET-CT設(shè)備為研究對(duì)象，利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、智能交互等技術(shù)研發(fā)出一套PET-CT設(shè)備虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)在虛擬環(huán)境中高度仿真設(shè)備結(jié)構(gòu)，模擬真實(shí)設(shè)備故障分析過(guò)程，具有沉浸性、交互性和智能性等特征，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和潛能，有利于培養(yǎng)學(xué)生的專(zhuān)業(yè)實(shí)踐能力[5]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

研究團(tuán)隊(duì)為構(gòu)建PET-CT結(jié)構(gòu)認(rèn)知與故障分析智能交互模塊，首先通過(guò)3Ds MAX、Cinema 4D等建模軟件搭建等比例縮小的PET-CT設(shè)備三維模型；然后對(duì)模型添加材質(zhì)和表面貼圖，渲染后導(dǎo)出模型；再將導(dǎo)出的模型庫(kù)導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D軟件中，進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)交互功能的開(kāi)發(fā)。其系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程如圖1所示。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 模型搭建與貼圖

三維模型是整個(gè)PET-CT設(shè)備虛擬仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)，仿真程度直接影響系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)效果[6]。在獲得許可的情況下，研究團(tuán)隊(duì)于徐州醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，測(cè)量實(shí)物參數(shù)，觀察PET系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和CT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)觀測(cè)探測(cè)器組件排列方式、球管外形、光電倍增管的電子倍增結(jié)構(gòu)和X線探測(cè)器等重要結(jié)構(gòu)，記錄環(huán)形探測(cè)器數(shù)、閃爍晶體數(shù)、光電倍增管數(shù)、CT探測(cè)器采集單元數(shù)和球管尺寸等相關(guān)參數(shù)，并向多位專(zhuān)業(yè)工程師咨詢(xún)?cè)O(shè)備的基本電路結(jié)構(gòu)、基本操作、日常維護(hù)工作、常見(jiàn)故障的判斷和解決方法以及定期養(yǎng)護(hù)等相關(guān)事宜，為后續(xù)工作積累原始資料。

在建模過(guò)程中，系統(tǒng)利用劃分層次結(jié)構(gòu)和模型優(yōu)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)模型的有效存儲(chǔ)和調(diào)度[7]。為保證設(shè)備模型的真實(shí)性，還需進(jìn)行UVW展開(kāi)貼圖，結(jié)合Photo- shop軟件設(shè)計(jì)制作金屬質(zhì)感貼圖并調(diào)整材質(zhì)屬性。圖2所示為常見(jiàn)的PET-CT設(shè)備，圖3為等比例搭建的PET-CT設(shè)備模型。該系統(tǒng)構(gòu)建的PET-CT三維模型中主要包括外部機(jī)架、探測(cè)器系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極X線管結(jié)構(gòu)。

圖2 常見(jiàn)PET-CT設(shè)備圖

圖3 系統(tǒng)構(gòu)建的PET-CT模型圖

其中，探測(cè)器系統(tǒng)主要組件是探測(cè)器組件、閃爍晶體和光電倍增管。

常見(jiàn)探測(cè)掃描儀是環(huán)形探測(cè)掃描儀，它由12塊探測(cè)器電子組件(DEA)在機(jī)架內(nèi)360°沿順時(shí)針排列而成[8]。為保證DEA模型細(xì)節(jié)高度仿真，對(duì)其邊緣輪廓采用多層級(jí)處理，使模型更有層次感。光電倍增管一般由入射窗、光陰極、倍增系統(tǒng)、陽(yáng)極等組成[9]。采取由局部到整體的建模順序，分別對(duì)管針和倍增極進(jìn)行建模，利用“克隆”“多邊形編輯”等命令完成模型的構(gòu)建。圖4、圖5分別為探測(cè)環(huán)模型圖、光電倍增管模型圖。

圖5 光電倍增管模型圖

2.2 用戶(hù)友好界面的實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)作為虛擬仿真教學(xué)軟件，其界面布局必須清晰明了、簡(jiǎn)單易懂、可操作性強(qiáng)，交互訓(xùn)練必須實(shí)現(xiàn)沉浸性、智能性、易達(dá)到的實(shí)訓(xùn)效果。用戶(hù)友好界面的實(shí)現(xiàn)，是利用Unity 3D軟件在界面上按功能分類(lèi)進(jìn)行控件設(shè)置，力求信息傳達(dá)準(zhǔn)確、避免視覺(jué)干擾[10]。交互功能是實(shí)現(xiàn)虛擬仿真設(shè)備教學(xué)的重要方式，因此該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了五種基礎(chǔ)交互方式，分別為場(chǎng)景切換交互、模型移動(dòng)及旋轉(zhuǎn)的交互、視頻與音效的交互、鼠標(biāo)滑過(guò)顯示文字的交互和視野變換與人物走動(dòng)相結(jié)合的交互。

3 系統(tǒng)主要模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 結(jié)構(gòu)認(rèn)知模塊

該模塊根據(jù)學(xué)生實(shí)際需求分為結(jié)構(gòu)展示部分與動(dòng)畫(huà)展示部分，圖6為結(jié)構(gòu)認(rèn)知邏輯判斷圖。

圖6 結(jié)構(gòu)認(rèn)知邏輯判斷圖

用戶(hù)進(jìn)入虛擬場(chǎng)景時(shí)可以第一視角觀察放置于設(shè)備間的PET-CT機(jī)架，點(diǎn)擊“機(jī)架外觀”按鈕，便可進(jìn)入內(nèi)部結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)模塊，使用縮放、旋轉(zhuǎn)功能能夠細(xì)致觀察零部件細(xì)節(jié)，同時(shí)系統(tǒng)配以文字說(shuō)明。

動(dòng)畫(huà)展示部分由成像原理動(dòng)畫(huà)與整機(jī)分解動(dòng)畫(huà)組成?？牲c(diǎn)擊“一鍵打散”或“一鍵還原”按鈕，實(shí)現(xiàn)整機(jī)的對(duì)應(yīng)分解與還原過(guò)程；為了降低制作動(dòng)畫(huà)的繁瑣程度，制作時(shí)選擇使用Unity 3D中的Animation Clip進(jìn)行動(dòng)畫(huà)編輯，并輔以編碼制作，較為簡(jiǎn)單的動(dòng)畫(huà)則在3Ds MAX中渲染后直接導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D。圖7為“一鍵還原”功能模塊示例。

圖7 “一鍵還原”功能示例圖

3.2 故障分析模塊

PET-CT設(shè)備的故障一般可分為機(jī)架故障、重建計(jì)算機(jī)故障、偽影故障、傳送帶故障、冷卻系統(tǒng)故障[11]。圖8為系統(tǒng)故障分析訓(xùn)練模塊實(shí)現(xiàn)步驟圖。系統(tǒng)內(nèi)置

圖8 故障分析模塊實(shí)現(xiàn)步驟圖

了故障診斷測(cè)試程序界面、指示燈變換、正常與故障聲音、關(guān)鍵點(diǎn)的萬(wàn)用表、示波器維修等方式，建立虛擬故障分析訓(xùn)練場(chǎng)景，用戶(hù)點(diǎn)擊“故障演示”按鈕，則會(huì)彈出對(duì)話(huà)框顯示具體故障原因與處理方法。此外，“操作實(shí)訓(xùn)”模塊中包含“質(zhì)控”“判斷碳刷壽命”等多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)故障實(shí)例分析視頻，系統(tǒng)將一線工程師的臨床工作經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)換為優(yōu)質(zhì)視頻訓(xùn)練資源，虛實(shí)結(jié)合，鞏固所學(xué)知識(shí)，可以達(dá)到更好的訓(xùn)練效果。圖9為系統(tǒng)虛擬故障分析訓(xùn)練場(chǎng)景界面。

圖9 故障分析訓(xùn)練場(chǎng)景界面

3.3 課堂考核模塊

該模塊設(shè)計(jì)了一個(gè)包含300道選擇題的訓(xùn)練題庫(kù)，每次訓(xùn)練隨機(jī)抽取30道題，每道題做完時(shí)提示是否正確，若正確則可點(diǎn)擊下一題；若錯(cuò)誤則會(huì)出現(xiàn)紅色文字提示，點(diǎn)擊“提示答案”顯示正確答案，同時(shí)界面右上角實(shí)時(shí)更新正確率。答題功能實(shí)現(xiàn)的核心在于編寫(xiě)邏輯控制代碼，在線課堂考核模塊界面如圖10所示。

圖10 在線課堂考核模塊界面

4 教學(xué)效果驗(yàn)證

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)完成后，首先面向徐州醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)影像學(xué)院的學(xué)生進(jìn)行試用推廣。該研究采用抽樣法，在2019—2020學(xué)年第一學(xué)期修“醫(yī)學(xué)影像設(shè)備學(xué)”課程的班級(jí)中隨機(jī)抽取2個(gè)班級(jí)共85名學(xué)生作為研究對(duì)象。該研究設(shè)計(jì)以教學(xué)模式作為自變量，班級(jí)學(xué)生成績(jī)?yōu)橐蜃兞?。其中，班?jí)1為對(duì)照組(n=43)，沿用傳統(tǒng)教學(xué)模式，課程分為理論授課和醫(yī)院實(shí)訓(xùn)兩部分；班級(jí)2為試驗(yàn)組(n=42)，采用該仿真訓(xùn)練系統(tǒng)與傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合的新型教學(xué)模式，課程除理論授課和醫(yī)院實(shí)訓(xùn)外，采用PET-CT虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)輔助進(jìn)行教學(xué)。

4.1 兩組學(xué)生考核成績(jī)比較

該研究以學(xué)生客觀考試成績(jī)對(duì)比進(jìn)行分析。在理論課程進(jìn)行期間統(tǒng)一安排課堂測(cè)驗(yàn)，平時(shí)成績(jī)由課堂測(cè)驗(yàn)成績(jī)和考勤成績(jī)組成；理論教學(xué)結(jié)束后統(tǒng)一安排期末考試(課堂測(cè)驗(yàn)和期末考試均為閉卷筆試，100分制)。最終考核成績(jī)=平時(shí)成績(jī)(占比30%)+期末考試成績(jī)(占比70%)。為使評(píng)價(jià)更加客觀公正，避免偶然因素對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果的影響，在統(tǒng)計(jì)各項(xiàng)成績(jī)時(shí)統(tǒng)一去掉一個(gè)最高分與一個(gè)最低分，然后計(jì)算兩個(gè)班級(jí)平時(shí)成績(jī)、期末考試成績(jī)和最終成績(jī)的均數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)果如表1所示。

表1 兩組學(xué)生考核成績(jī)比較

表1顯示，試驗(yàn)組的期末考試成績(jī)和最終考核成績(jī)均高于對(duì)照組，且差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.001)，但平時(shí)成績(jī)低于對(duì)照組。平時(shí)成績(jī)能夠檢驗(yàn)學(xué)生課堂參與情況，反映課堂學(xué)習(xí)效率；期末考試則檢驗(yàn)學(xué)生全課程的學(xué)習(xí)成果，反映了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力?？梢钥闯觯囼?yàn)組與對(duì)照組在課堂考勤、知識(shí)預(yù)習(xí)方面有一定差距，平時(shí)分略低于對(duì)照組；但試驗(yàn)組在后續(xù)學(xué)習(xí)時(shí)輔以虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，所取得的期末成績(jī)高于對(duì)照組，最終考核成績(jī)也略高于對(duì)照組：可見(jiàn)新型教學(xué)模式取得了一定成效。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，該仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的應(yīng)用能夠豐富現(xiàn)有教學(xué)模式，在提升學(xué)生學(xué)習(xí)效率、學(xué)習(xí)水平方面具有正向積極作用[12]。課后鞏固時(shí)，能夠幫助試驗(yàn)組學(xué)生理解運(yùn)行原理，辨析疑難問(wèn)題，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，拓展思維空間；階段復(fù)習(xí)時(shí)，可幫助學(xué)生解除時(shí)空限制，隨時(shí)隨地通過(guò)虛擬情景訓(xùn)練來(lái)復(fù)習(xí)鞏固所學(xué)知識(shí)[13]。

4.2 問(wèn)卷調(diào)查

該調(diào)查主要以學(xué)生主觀學(xué)習(xí)感受與反饋對(duì)比分析。向試驗(yàn)組42名學(xué)生發(fā)放線上調(diào)查問(wèn)卷，收回42份，回收率為100%。調(diào)查問(wèn)卷為自制的“虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)體驗(yàn)效果評(píng)價(jià)表”，包含學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)能力、學(xué)習(xí)效率、知識(shí)點(diǎn)契合等八項(xiàng)內(nèi)容(結(jié)果如表2所示)。

表2 問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計(jì) n(%)

調(diào)查結(jié)果顯示，8個(gè)項(xiàng)目指標(biāo)反映的滿(mǎn)意度均較高： 81.0%的學(xué)生認(rèn)為該系統(tǒng)激發(fā)了自己對(duì)該課程的興趣，85.7%的學(xué)生認(rèn)可該系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)有教學(xué)模式的數(shù)字化延伸，88.1%的學(xué)生認(rèn)可該新型教學(xué)模式，更有92.9%的學(xué)生認(rèn)為系統(tǒng)提高了其動(dòng)手實(shí)踐能力，少數(shù)學(xué)生則持有否定和觀望態(tài)度。從學(xué)生角度而言，該系統(tǒng)在學(xué)科專(zhuān)業(yè)性上具有較高的契合度，提供的智能交互體驗(yàn)極大地促進(jìn)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，一定程度上優(yōu)化了“教”與“學(xué)”的關(guān)系，提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、問(wèn)題解決能力與科研思維能力[14]。

5 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，徐州醫(yī)科大學(xué)結(jié)合學(xué)科優(yōu)勢(shì)協(xié)調(diào)發(fā)展，把醫(yī)學(xué)與工學(xué)緊密結(jié)合，在產(chǎn)學(xué)研成果轉(zhuǎn)化過(guò)程中創(chuàng)新研發(fā)了系列化醫(yī)學(xué)影像設(shè)備虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)，利用仿真技術(shù)解決了醫(yī)學(xué)影像設(shè)備實(shí)踐教學(xué)難的問(wèn)題[15]。該系統(tǒng)延續(xù)“虛實(shí)結(jié)合”的理念，以行業(yè)發(fā)展的人才需求為導(dǎo)向，以提高人才層次和綜合素質(zhì)培養(yǎng)為核心，整合創(chuàng)新，采取新型教學(xué)模式，以PET-CT設(shè)備學(xué)知識(shí)點(diǎn)為理論基礎(chǔ)建立虛擬仿真訓(xùn)練項(xiàng)目基本框架，利用理論與實(shí)踐關(guān)聯(lián)性開(kāi)發(fā)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，為醫(yī)學(xué)影像技術(shù)應(yīng)用型人才培養(yǎng)構(gòu)建整體解決方案[16]。

實(shí)踐證明，該系統(tǒng)能夠幫助學(xué)生提高學(xué)習(xí)效率，降低實(shí)訓(xùn)教學(xué)成本，豐富教學(xué)內(nèi)容，將理論知識(shí)立體化、具象化[17]。通過(guò)智能交互技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能化實(shí)訓(xùn)及交互式導(dǎo)學(xué)，具有環(huán)境安全無(wú)輻射、設(shè)備高度仿真等教學(xué)優(yōu)勢(shì)，使學(xué)生可以突破場(chǎng)地、設(shè)備、時(shí)間等常規(guī)條件限制進(jìn)行自主參與訓(xùn)練，讓學(xué)生理解設(shè)備結(jié)構(gòu)、掌握維修技巧、提高實(shí)踐能力[18]。該系統(tǒng)將理論知識(shí)深入融合于學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐中，踐行灌輸式感知型教育到互動(dòng)式體驗(yàn)型教育的轉(zhuǎn)變，為學(xué)生日后擔(dān)任相應(yīng)崗位培養(yǎng)崗位勝任力[19-20]。