基于虚拟仪器的医学模拟人在临床实验中的应用

郑旋++郑丽娟

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2016.27.177

摘 要：基于虚拟仪器的医学模拟人仿真系统可以根据用户需求进行模拟病例的诊断，通过模拟大型医学影像设备MRI、CT的临床实践，不仅能为学生提供生动、逼真的实践环境，让学生达到身临其境的效果，而且还可以用虚拟设备和模型替代价格昂贵的实验设备和材料。建构了一个基于虚拟仪器的医学模拟人仿真操作系统，并在相应的临床实验课程中进行了应用。

关键词：虚拟仪器 模拟人 临床实验

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）09（c）-0177-02

目前，在我国临床医学教育中，普遍存在以下几个问题：第一，医学教育对临床实践技能的基本要求，强调能及时、有效地诊断和处理病人。但是，临床实践技能的培养一直是医学教育过程中的薄弱环节；第二，传统的临床实践教学多是通过观察或是重复老师、高年资医生的操作来进行，学习者只能学习到接触过的病例，而对于无法接触到的病例只能通过书本教材去想象。第三，医学临床实验一般使用活体动物较为普遍，但是，随着近年来学生人数大幅增加，学生实际临床实验无法得到保证。

医学模拟人作为一种新的临床实践手段，基本上可以解决以上难题。

基于虚拟仪器的医学模拟人是计算机科学、信息科学和医学相结合的系统。通过云计算数据库技术在医院、学校、教室以及实验室之间建立一个可共享的病例数据库，在客户端实现医学教学、研究和实验的目的。

中国正式开始对模拟可视人的研究，是2001年在北京香山会议上提出的，很快被列入国家“863”启动项目——“数字化模拟人若干关键技术的研究”。由于可视人体研究在与人体形态结构有关的众多研究领域具有重要的理论意义及广阔的应用前景，国内不少学者一直关注着这一研究领域的进展，并利用美国的VHP 数据集进行了卓有成效的研究。如清华大学利用VHP数据集，在基于模拟人体的计算机医学研究方面， 对人体多个器官的结构与功能进行了可视化显示；中国科学院自动化研究所构建了开放的虚拟人体试验平台， 对于数据压缩、图像分割、配准与融合、三维重建与绘制等算法进行了研究。

1 基于虚拟仪器的医学模拟人的构建

在构建基于虚拟仪器的医学模拟人仿真操作系统的过程中，具体完成了如下工作：（1）参照国内主流医学影像设备的操作界面来确定系统的功能和模式，根据相关原理、成像参数、各参数之间的关系及参数的选择对影像质量、显示效果的影响，确定系统的具体功能。（2）根据主流设备的共性，采用模块化设计来确定仿真系统的整体框架，通过编写软件流程图，绘制结构方框图，以达到最优化的仿真效果。（3）确定人体各成像部位图片与软件操作界面及各成像参数之间的对应关系。（4）建立仿真操作系统的影像图片数据库，确定人体各部位影像图片的格式、适用范围、质量要求等。重点研究了图像显示、数据调用、运行速度、仿真效果等要素。

技术要求：确定了模拟软件平台的主界面与从属扫描界面之间的功能链接，数据的调用、显示、保存。探索软件操作过程中与理论知识的结合点或切入点，让学生在牢固掌握论知识的基础上，正确完成各種选项和各项参数的设定，并能顺利保存扫描协议，启动仿真扫描进程；功能模块的选项及参数的设定在符合临床实际的同时，依照常规扫描限定参数的选取范围。并且，各选项和参数之间按照实际情况进行准确的互动和链接。其模拟仿真操作界面如图1所示。

该模拟仿真系统建立后，不仅能为学生提供生动、逼真的实践环境，让学生达到身临其境的效果，而且还可以用虚拟设备和模型替代价格昂贵的实验设备和材料，把具体的实验操作转化为使用鼠标、键盘等对模型的交互操作，可有效降低实验的成本和风险。

2 基于虚拟仪器的医学模拟人在临床实验中的应用

自2013年以来，该校对原来的课程体系进行了优化重组，增加了开设的《医学影像原理与技术》实验课程的学时，在以培养学生的创新精神和实践能力为核心的素质教育方面进行了有益的探索和实践，取得了令人满意的效果。从技术角度提出了《医学影像原理与设备》实践教学中虚拟现实技术选择的应用方案，引进设计了系列化大型医学影像设备CT、MRI、超声等仿真操作训练系统，使得实验环境条件得到很大改善。

经过2年临床实践教学应用，该模拟仿真系统获得师生的肯定。在虚拟仪器的配套仿真软件基础上，实现了临床理论与临床实践教学的有效衔接与互补，拓展了临床实践教学的深度和广度、提高了学生进行仿真实验的实效，同时也尽可能地减少了实验成本和避免了对患者的侵扰。教师在课堂进行理论教学时，利用专业的模拟仿真平台，采用多媒体技术，构建了具有高度真实感、直观性和精确性模拟仿真实验平台，实现了临床理论教学与临床实践教学的有益补充和创新。基于虚拟仪器的模拟人仿真平台除了在模拟MRI、CT大型设备的界面、功能、操作过程上具有高仿真度外，系统还具有参数设定范围限制、必选项规定、智能纠错、自动判断并提示参数及选项错误等特点。在临床实验、实训的同时促进对理论知识的理解和掌握。

该文利用赣南医学院医学影像技术专业和生物医学工程专业的样本数据，分析了基于虚拟仪器的医学模拟人仿真软件在《医学影像原理与设备》临床实验教学的应用效果。结果表明，模拟仿真软件在《医学影像原理与设备》临床实验课的使用效果受到学生计算机操作技能、软件的仿真度、实验教学与理论教学是否能相互配合、学生的学习兴趣以及实验室的设备情况等多种因素的影响。为了能够更好地发挥模拟仿真系统在《医学影像原理与设备》临床实践的效果，针对调查中的问题提出如下建议。

第一，将临床实验和理论同等重视，科学合理地安排临床实验教学课程。赣南医学院医学影像技术专业和生物医学工程专业模拟软件的使用多是设置在课程的实验部分，而未单独设课。通过扩充该专业实验课的学时或单独设置实验课程，更能激发学生的学习兴趣，充分调动学生学习的主动性和积极性。

第二，任课教师应使学生重视临床实验，认识到通过模拟临床实践教学的训练能够有效地提升学生动手能力和创新能力，对学生今后实际工作也有所裨益。

第三，可以尝试校企联合开发模拟软件，来提高操作系统的仿真度。通过学校与软件公司携手开发，一方面，企业具有的软件设计和程序设计的专业性可以保证仿真软件平台的专业性；另一方面，学校任课教师能够更准确地表述模拟仿真软件的功能需求，从而使得理论课程与临床实践相匹配，从而保证了临床实践中教师与学生的需求。

第四，加强该学科实验室的规划和建设。实验室的建设应根据学科的办学规模、专业设置以及教学和科研的需求，对实验室的功能和预期效果进行准确定位和分析，让仅有的资源效益最大化。

参考文献

[1] 张晗.虚拟现实技术在医学教育中的应用探讨[J].西北医学教育，2010，18（1）：48-51.

[2] 杜一宁.虚拟试验的研究现状以及在教学中的意义[J].浙江海洋学院学报：自然科学版，2010（4）：390-393.