医学影像虚拟仿真实验平台建设探索

于毅 杨楠 任琼琼 李振新 林俊堂

摘要：醫学影像平台利用医学影像虚拟技术来创建X射线成像、核磁共振成像、超声波成像系统，解决了影像设备耗资太大，涉及辐射与防护等问题。该平台共现已开设17项实验课程，目的是培养学生的影像设备操作和平台使用能力， 通过3D模拟的手术动态过程指导临床教学医疗训练和手术规划，目前已得到广泛应用。

关键词：虚拟仿真;医学影像;X射线;核磁共振;3D模拟

中图分类号：G434 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）12-0193-01

0 引言

医学影像虚拟仿真实验平台根据“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则，构建了以真实实验与虚拟仿真实验融合、现场实习实训与虚拟仿真实验融合为主要特色的虚拟仿真实验平台，实施了多专业多个课程实验项目。现实操作中不可避免遇到实验无法或难以进行的情况，这些实验总体归结起来体现在：高危险性、高消耗性、极端环境需求性、不可逆转性、不可替代性、高成本性，给学生的直观理解度和教师教学的效果带来困难，而虚拟仿真实验教学依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和仿真软件等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，在日益发展的当代大学教育中运用虚拟仿真技术进行虚拟实验是专业广度、宽度、针对性发展的必然趋势。

1 系统总体设计

医学影像是一门实验科学，与其相关的规律现象的发现无不依赖实验。医学影像实验课程在培养学生科学素质、创新能力以及研究能力方面起着非常重要的作用。但由于实验设备耗资太大，涉及辐射与防护等等原因，阻碍了医学影像实验的开展。在这背景下，医学影像仿真实验应运而生，它可弥补实验方面的缺陷。医学影像仿真实验主要是借助于计算机编程来营造一种仿真实验环境氛围，包括X射线影像、磁共振影像、核医学影像、超声波影像和红外线成像。本研究拟构建如图1的医学影像平台模块。

1.1 X线机模块

X线机模块利用计算机软件等设备来虚拟X线机的工作站，无需X线产生及成像的相关设备，对其数字化的医学影像进行仿真和后处理。开设图像灰度变换、数字减影技术、窗口技术、图像重建、后处理技术等虚拟仿真实验。

1.2 磁共振模块

磁共振模块利用计算机、虚拟软件等设备来虚拟仿真磁共振内部结构基本工作原理、磁共振成像和后处理。通过虚拟仿真的学习深刻了解磁共振内部模块的工作原理，如梯度磁场的调节和测量、连续谱磁共振、自旋回波法测量横向弛豫时间、反转恢复序列测纵向弛豫时间。

1.3 医学超声模块

医学超声模块包括A、B型基本超声类型成像原理虚拟仿真，人体部位B超影像成像。该模块的目的是通过虚拟仿真A、B超来训练对超声的使用，掌握A、B超的工作原理。通过对人体部位B超成像，提高对设备操作的规范性和流程性。

2 结果分析（以梯度磁场的调节与测量为例）

2.1 项目功能

通过本仿真实验可了解载流线圈与亥姆霍兹线圈磁场分布特点，掌握弱磁场的测量方法，证明磁场的叠加原理，设计梯度磁场。

2.2 项目流程

（1）点击主界面上的仿真按钮进入实验，点击仿真按钮进入实验主界面，选择电流方向，选反向，进行梯度实验测量，选同向，进行亥姆霍兹线圈磁场测量。（2）亥姆霍兹线圈轴线上各点磁感应强度测量。将线圈A与线圈B之间间距调节到与线圈半径相等，即d=R=10cm，选择两线圈通同样方向电流，电流为I=400mA时，左右移动毫特计探头（蓝色方块），测轴线上各点的磁感应强度值B。（3）梯度磁场的设计。使两线圈间距为d=R=10cm，选择两线圈中的电流方向相反，电流为I=400mA时，左右移动毫特计探头（蓝色方块），测量轴线上各点的磁感应强度值B值。

2.3 项目效果

与真实实验比较，该仿真软件操作简便，实验数据可靠，能够加深学生对梯度磁场及亥姆霍兹线圈磁场的理解，便于推广。

3 结语

医学影像仪器的高成本会限制实验的可持续发展，但若实验不涉及这部分内容，会远离前沿研究，使学生与社会需求，医院要求相背离。新的虚拟现实技术从多种来源抽取图像和数据，能够极大地提高患者治疗的效果。在临床上试验中，虚拟现实模拟的手术规划时间节省了40%且手术准确性增加了10%。

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Exploration on the Construction of Medical Image Virtual Simulation

Experimental Platform

YU Yi， YANG Nan， REN Qiong-qiong， LI Zhen-xin， LIN Jun-tang

（College of Biomedical Engineering， Xinxiang Medical University，Xinxiang Henan 453003）

Abstract：Medical imaging platform uses medical imaging virtual technology to create X-ray imaging， nuclear magnetic resonance imaging， ultrasonic imaging system， which solves the problem of too much cost of imaging equipment， involving radiation and protection. The platform has set up 17 experimental courses， aiming at cultivating students' ability to operate imaging equipment and use the platform. It guides clinical teaching， medical training and surgical planning through the dynamic process of 3D simulation， and has been widely used.

Key words：virtual simulation;medical image;X-ray;nuclear magnetic resonance;3D simulation