新医科下图像引导放疗误差分析虚拟仿真教学培训系统的研发应用

董芳芬，江柳清，郑芬，郭岚晏，宋文芳，黄妙云，吴一旻，徐本华,1b,1c,，李小波,1b,1c,,3

1. 福建医科大学 a. 医学技术与工程学院；b. 临床医学部影像学系；c. 肿瘤中心，福建 福州 350122；2. 福建医科大学附属协和医院 放疗科，福建 福州 350001；3. 清华大学 工程物理系，北京 100084

引言

图像引导放射治疗[1]是通过在放疗前利用加速器自带的图像采集系统进行图像采集后与治疗计划图像配准达到治疗精度范围再实施治疗的方式，目的是为了克服因治疗摆位和肿瘤位置移动造成的误差，实现尽可能的精准照射肿瘤的同时降低周围正常组织的损伤。因此，图像引导放疗误差的分析是保证治疗效果的重要环节，也是每一个放射治疗师必须掌握的工作重点和难点，但实际工作中对这类技能的指导、培训和提升存在困难[2]。VR技术是一种利用新兴计算机技术结合多媒体和仿真技术营造出集视、触、嗅、听等为一体的虚拟现实技术，让用户可以身临其境并与之交互[3]。近年来国内虚拟仿真技术与各行各业尤其是医学、教育等领域的融合日渐普及，信息技术、智能技术与教学培训的融合能进一步的解决传统教学培训“做不到、做不好、做不了、做不上”的困难[4]。

有研究报道，VR技术在医学生理、胃镜仿真系统、临床解剖仿真系统等的科研、培训及教育方面具有优异性能[5-8]，而在医学影像专业领域中，VR的应用也十分广泛[9-11]。国外部分学者研究表明，对医学影像相关专业的学生进行动态交互和反馈虚拟现实仿真，有利于提高学生在临床和技能实践方面的能力[12]。在放射治疗技术领域，前期的研究也表明VR技术与放疗技术的人才培养相结合，进行线上及线下课程的理论和实践教学，具有高效便捷的优点，值得大力推广[13]。本文基于图像引导放疗误差分析的重要性和现有放射治疗专业学生和工作人员见习、实习、培训困难的问题，探讨利用VR技术开发线上教学培训考核系统的必要性、可行性及应用价值，以期能提升使用者对放射治疗图像引导放疗误差分析的能力，进一步提高放疗的精准性。

1 材料与方法

1.1 系统架构

本系统针对图像引导放疗误差分析中关键技术点以及国家放疗质量控制标准进行脚本设计，分为教学模式和考核模式，内容主要包括：① 放射治疗体位验证过程中摆位注意点；② 图像获取方式的选择；③ 图像质量影响因素；④ 图像配准误差分析；⑤ 精准放射治疗的实施等模块。系统分为应用构架和平台构架，详见图1。应用架构包括应用层及通用层，应用层包括建模和可视化，用于场景和人物构建并可视化输出虚拟设备和虚拟环境；通用层涵括理论知识学习、实验教学管理、试验资源管理、教学互动交流、智能纠错指导、实验结果批改、实验报告管理和教学效果评估。平台通过网络层、支撑层和数据层，采取线上模式，引入三维建模、虚拟现实、增强现实、人工智能、大数据等技术手段，坚持能实不虚的原则，建设图像引导放疗误差分析优质数字资源和共建共享环境。

图1 系统构架图

1.2 教学模式

教学模式以“教”为主，重在对学生思维的引导，利用计算机屏幕画面展示虚拟现实技术，开发过程首先进行教学内容分析与设计（图2a），进一步对课程素材收集分类，通过3D Studio Max或cinema 4D构建三种图像获取设备、直线加速器、治疗床、医生、患者等三维模型，形成FBX文件；利用Photoshop制备答题页面、知识点学习页面、设备成像等二维图形图像，形成PSD/PNG文件；采用Adobe Audition处理预设的远程会诊讨论、系统提示等音频文件，形成MP3文件。将三类文件导入unity 3D工程文件进行三维场景建造和图形用户界面的编制，进一步的利用C#、JavaScript语言编写交互功能脚本，最后导出apk可执行文件，实现利用VR技术实现教学模式中虚拟人物及场景设计远程会诊动画、体位校正判断触发、图像配准及误差分析等关键教学内容。

图2 教学模式及考核模式实现内容逻辑图

1.3 考核模式

考核模式重在对学习模式学习效果的检测，VR技术结合考核模式的建设方法技术类似教学模式，但不设计知识点提示，需使用者根据所学知识自己做出判断进行选择（图2b）。考核题库建立及答案识别方法：系统通过预留题库，包括选择题和填空题，涉及图像引导过程中容易出错和遗漏的知识点。选择题利用题库录入和答案实时判断的方法，当输入答案，系统会自动判断对错并在评分系统上记录得分。填空题采用在空格填入文字，通过判断文字是否与预留文字统一进行条件语句输出正确答案，并在评分系统记录得分。

1.4 系统评价方法

系统测试评价方法包括内部测试、互联网测试和问卷调查。

1.4.1 内部测试

由开发团队及小范围专业领域专家测试，具体流程包括下载安装包、本地安装、启动软件、输入预留账号密码。

1.4.2 互联网测试

借助VR实验教学平台——实验空间进行面向全国的正式投入前测试反馈，具体流程包括电脑端进入实验空间网站、点击网站右上角注册入口、填写手机号码等信息完成注册并登录、登录后在首页点击实验中心、点击专业大类中的医学技术类、输入关键词“精准放射治疗误差分析”找到本研究项目、点击“我要做实验”按照提示进行操作，即可开始实验进行测试，并且可以在评价处反馈测试意见，项目运行后台也能获取每位测试者的测试情况，根据测试结果和出现的问题进行完善。

1.4.3 问卷调查

经过平台研发小组和部分放射治疗技术专业老师及学生讨论拟定问卷内容，采用问卷星制作问卷，通过微信链接针对前期测试过该平台的福建医科大学医学影像技术本科生及福建医科大学附属协和医院放疗科放射治疗物理技术人员进行问卷调查。调查前先向受调查者说明本研究的目的，并要求受调查者如实回答、独立完成，问卷结束后利用问卷星数据统计结果进行描述性分析。

2 结果

2.1 整体完成情况

依照实验内容逻辑设计流程和框架，结合VR技术手段，基本完成系统的设计开发、测试及完善。其中，实验仪器选择页面采用实际图片展示形式（图3a）；具体实验空间采用unity 3D构建VR场景模型（图3b）；实验操作界面采用全仿真UI设计界面（图3c）；知识点模块采用点击出现方式；答题考核采用预设题库，自动判断答案并用不同颜色文字给出判断结果（图3d），软件采用C#语言和vs2017编译器进行编程。系统运行环境要求CPU 16核、内存32 GB、磁盘4096 GB、GPU型号为板载，操作系统为Windows Server，数据库存储使用SQL Server。系统品质单场景模型总面数大于100000、贴图分辨率大于2048×2048、每帧渲染次数大于100、动作反馈时间小于5 ms、显示刷新率大于60 fps，分辨率大于1920×1080。

图3 实验结果举例

2.2 教学模式

① 设置菜单栏、学习栏、提示栏；② 由5G远程指导案例导入到选择正确体架，利用判断程序，选择正确进入下一步，选择错误给出提示后继续选择达到学习效果；③ 纠正患者体位：参考定位时体位，利用点击触发系统判断程序，选出所有不正确体位进入下一步，选择不完全继续选择；④ 校对患者X、Y、Z治疗中心位置，利用虚拟激光灯，将虚拟治疗激光灯照射的位置与虚拟患者身上定位时的标记重合，三个方向均重合进入下一步，否则继续对位；⑤ 图像获取方式选择：此为该实验项目核心内容，分别有EPID、IGPS、CBCT三种方式，根据实验者的选择进入不同的实验模拟流程；⑥ 选择不同的图像获取方式后再根据实际操作界面设计的虚拟UI界面进行图像配准，图像配准采用系统提前设置的中心点，会根据实验者不同的配准结果给出配准数据并让实验者判断是否实施治疗，系统会根据不同的匹配结果和选择出现虚拟治疗动画，将看不见的肿瘤和看不见的射线虚拟出来，直观地展示给实验者，突出VR教学的优势。

2.3 考核模式

考核模式针对学习模式的知识点隐藏相关提示并增加考核点设计，考核形式包括填空题、逻辑题、二维三维图像配准题等，系统会根据预留题库和答题情况实时判断并给出正确答案，但考核题目只能完成一次，不能重复完成。实验项目最终结果以实验报告形式展示（图3e）。实验包括总成绩和教学模式及考核模式下各模块的成绩，系统还根据实验者不同的成绩分类给出相应的学习指导，让实验者可以根据自己的情况加强薄弱点、巩固掌握点并根据需求多次重复练习。

2.4 系统评价结果

内部测试结果以修改建议反馈到具体平台修改形式展示，互联网测试结果根据实验空间系统统计显示。从2019年11月上线截至2020年7月，实验浏览量为14985人次，实验测试人数489人次，实验通过率为86.7%（图3f）。实验应用价值问卷结果：发放问卷84份，回收有效问卷84份。其中学生52人（61.9%）、老师3人（3.57%）、放疗相关工作人员29人（34.52%），男性36人（42.86%）、女性48人（57.14%）。84人中，60人（71.43%）为第一次接触放射治疗相关的虚拟仿真实验，其他具体问题统计结果如图4所示。

图4 问卷结果统计

3 讨论

随着精准医学的发展[14]，精准放射治疗也逐渐受到重视，图像引导误差分析是精准放疗中的重要环节[15]，主要是由放射治疗技师承担相关工作，但现有的放射治疗技师教学培训模式欠佳，教学培训效果不良[16]，导致相关放射治疗技师知识基础不牢固、实践操作能力较差等问题，不能紧跟精准放射治疗的发展。本实验项目基于此背景，结合图像引导放疗误差分析对精准放疗的重要性，以及放射治疗师和相关专业学生的实际需求而设计。

通过对图像引导误差分析系统的设计，搭建了具有教学模式和考核模式的教学培训系统，搭建过程中以三种图像验证方式为核心注重知识点的教与考。系统搭建后进行内部测试后对界面和评价系统进行完善，进一步通过互联网测试数据反馈系统的使用情况和教学成果，上线半年来浏览量达到14985人次，实验人数489人次，实验通过率达到86.7%，表明该系统的教学效果良好，大部分使用者能达到教学的要求，掌握相应的知识和操作技能。为了更深入验证系统的使用价值，针对试点学校和医院设计相应调查问卷。在收回的84份有效问卷中，90%以上的人认为该系统是有必要并且有帮助的，进一步证明系统开发的必要性和应用价值。在针对虚拟仿真教学实验的优点上，可以随时随地进行学习、可以操作到平时因为危险性高而缺少练习的技能以及情景真实有趣能够激发学习兴趣三个方面选择最多，这也是虚拟仿真的突出优势。此外虚拟仿真和放射治疗技术人才的培养和培训相结合，还能减少学校和教学医院的临床教学压力以及减少不必要的医患矛盾等问题，有利于学生自主探究学习和培养“三创”精神。

自新冠肺炎疫情暴发以来[17]，疫情逐步得到缓解，但还未被完全控制，线下培训指导存在风险且传统指导方式不能很好的满足实际需求，线上教学和培训系统的开展有利于高校和医院人才的培养[18-20]。将来的教学和培训模式也会逐渐朝着传统课程和虚拟仿真平台结合或逐步过渡的形式发展，新医科下的人才少不了新的信息技术的应用。

4 结论

总之，对将来或者刚进入放射治疗岗位的本科生或者技师来说，利用VR教学实验具有必要性和应用价值，未来将对实验的互动性、实验种类和系统更新计划做进一步的完善和改进，让系统具有良好的可扩展和共享性，为广大师生和放疗工作人员服务，提高整体精准放射治疗水平。