计算机体层成像虚拟仿真教学平台的设计与开发

郁仁强 ，张志伟 ，吕发金 *，彭 刚 ，周 旸 ，曾勇明 ，庄 俊

（1.重庆医科大学附属第一医院，重庆 400016；2.锐珂（上海）医疗器材有限公司，上海 201206）

虚拟仿真教学平台是将软、硬件技术集成的一个具有高度仿真实验教学环境的操作平台。在高校中建设多功能的虚拟仿真实验室，有利于学生培训的标准化和一致性。早在20世纪70年代，基于仿真的教学模式开始应用于医疗卫生教育领域[1]。近几年，得益于计算机技术和虚拟仿真技术的发展，虚拟仿真教学作为一种新兴的教学方式，可以克服时间和空间的限制，摆脱设备的依赖性，模拟真实环境，在临床教学中取得了良好效果[2-3]。

传统的计算机体层成像（CT）检查技术教学模式为理论课和实验教学“围观式”的临床见习。由于其理论知识比较抽象，技术要点及扫描参数较多，不易掌握；“围观式”的临床见习，学生比较集中、学习时间相对固定，通常实验教学与繁重的临床工作同时进行，不可能无限制地将设备用于学生学习和培训。

为改善CT检查技术实验教学现状，探讨一种新型的实验教学模式，我们引入虚拟仿真教学模式，设计与开发一种新型的教学工具——CT检查技能培训虚拟仿真教学平台。笔者将本团队在建设该平台中的相关工作汇报如下。

1 设计与开发思路

构建高度仿真的虚拟实验教学环境和对象，让学生在虚拟的环境中进行训练，不再受设备数量、检查时间和操作次数的限制，使实验教学达到教学大纲所要求的教学效果。为达到实验教学大纲的要求，开发一种不依赖硬件设备的CT检查技能教学软件，该软件可以在一般的计算机上运行，高度虚拟仿真CT检查环境和对象，让学生自由进行CT技能训练，可以解决设备不足、时间限制及医学伦理学相关问题。先设计一个常见、简单的检查部位——颅脑CT平扫检查的虚拟仿真教学平台，由一般推广到特殊，由个体推广到整体。先由多名CT检查技能培训专家/技师根据实验教学大纲，规划符合要求的病例，并制定颅脑CT平扫检查的标准流程，包括选择符合教学大纲要求的病例，受检者检查前的准备，体位摆放、定位，扫描序列，扫描基线，扫描参数，优质图像标准/实例等。将流程的每一步细化，采集相应的文字、图片、音频和视频，每一步均设置一定的干扰项，便于培训考核，流程完结后，附加相关的专业理论知识解释，便于实现扩展学习。这样，基于虚拟仿真教学平台的使用，以最经济、最便利的设备，实现对学生基本CT检查技能的培训和考核。

2 设计与开发步骤

2.1 分工及过程

根据虚拟仿真教学平台的总体设计思路，采用分阶段、分工作小组方式进行设计和研发。第一阶段，由CT检查技能培训专家/技师根据教学大纲要求设计病例，并将颅脑CT平扫检查的流程细化，每一个检查步骤都是以图片、文字、音频或视频的形式表现出来，将相关的专业理论知识穿插在相应的检查流程中。第二阶段，IT小组根据CT检查技能培训专家/技师的要求，结合临床CT检查的标准流程，将相关的资料整合成一个可操作的软件平台，实现CT检查虚拟化。第三阶段，由CT检查技能培训专家/技师和IT小组一起完善虚拟仿真教学平台，进行演示及调试；并由部分医学影像技术专业学生试用，根据试用效果及反馈，CT检查技能培训专家/技师和IT小组进一步改进虚拟仿真教学平台的设计。

2.2 构建虚拟仿真设备和环境

在实践教学中，要求教师将抽象的原理、重点和难点等知识点在示教中形象生动地表现出来，传统的“围观式”示教模式存在设备不足，学生过多、动手机会少、无法重复学习等问题，加上CT检查过程及参数不易讲解，对于医学影像技术专业学生而言，虚拟仿真教学可以给其创造“真实”的学习环境，使其更好地学习。

构建CT检查技能培训虚拟仿真教学平台，重中之重是将真实的CT检查过程用软件还原，因此需要提前采集文字、图片、音频及视频等比较容易实现的资料，然后将资料整合到CT检查技能培训虚拟仿真教学平台中。在虚拟仿真实验室中，构建虚拟仿真的CT检查设备、CT检查环境和CT检查病例。虚拟仿真的CT检查设备可以由简单的外形类似真实的CT设备实现；虚拟仿真的CT检查环境可以由标准化的检查室实现；CT检查病例是临床真实的、典型的病例，扫描参数设置等训练由虚拟仿真平台的软件资源实现，CT图像由真实的CT图像来展示。整合后的CT检查技能培训虚拟仿真教学平台可以不再依赖CT设备，不再占用珍贵的医疗资源和临床工作时间，可真实还原CT检查过程。学生使用CT检查技能培训虚拟仿真教学平台时，既可以保证随时练习，又可以反复练习，并实时有相关的专业理论知识要点作为CT检查技术选择的依据。

2.3 实验教学培训及考核

医学实验教学应将学生的学习兴趣与教学目标有机结合，激发学生学习兴趣。在实验教学中引入虚拟教学手段，实验教学不再采用传统的“围观式”示教模式，而是将特定病例放在虚拟平台中，实现实验教学培训的标准化及一致性，这种实验教学模式，可以保证学生的学习效果，有效激发学生学习兴趣和热情。

虚拟仿真教学平台用于培训后，学生自由在平台上进行预实验，进行课后练习，还可以随时在平台上与教师互动交流。课前的预实验为实验教学打下良好基础，课后练习实验操作，平台互动交流便于解惑答疑，提高了实验教学效果和学生学习兴趣。平台中文字、图像、音频和视频等与临床实际紧密结合，有利于培养学生综合思维能力。考核模块可以考核实验操作，也可以考核与实验相关的基本理论知识，以便学生全面掌握实验操作和相关基本理论知识。这种考核方式，既不占用数量稀少的大型医疗设备资源和紧张的临床工作时间，又不会违背医学伦理学基本原则，同时可以保证考核的公平性和便利性。使用虚拟仿真教学平台，可最大限度提高实验教学效果，保证技能操作考核的高度仿真和一致性，形成一套标准化的培训和考核模式。

2.4 虚拟仿真教学平台的用户管理功能

在虚拟仿真教学平台的使用中，为了便于对学生的考核和教师教学工作量的评估，必须要有用户管理功能模块。一方面，让学生有权限随时登录平台进行实训和学习，教师对学生考核给予量化评分；另一方面，让教师有权限管理平台用户、编辑平台病例、对学生的考核进行评分和与学生互动交流等，辅助教师更好地教学，有效管理学生的学习，并及时给学生答疑解惑。

虚拟仿真实验教学中心建设的核心是共享优质实验教学资源，推动高等教育信息化和实验室智能化建设。以虚拟仿真实验教学资源的开放共享和便利使用为目标，制定并实施有效保障虚拟仿真实验教学的学生培训与考核、教师工作绩效考核，实验教学中心维护与平台病例的更新等措施，建立有利于激励学生学习和提高学生创新能力的考核、评价和反馈机制。

3 平台应用前景

《教育部卫生部关于加强医学教育工作 提高医学教育质量的若干意见》（教高[2009]4号）文件提出，高等医学院校“要积极创新医学实践教学体系，加强实践能力培养平台的建设，积极推进实验内容和实验模式的改革，提高学生分析问题和解决问题的能力”。根据文件精神，很多医学院校开始建设虚拟仿真实验室，积极推进实验教学模式的创新。医学影像技术专业技能培训的特殊性，传统的“围观式”示教模式的缺陷越来越突出，已不能满足时代进步和专业学科发展的要求，积极推进医学影像技术学科的虚拟仿真技能培训教学平台建设，可以满足日益增加的医学影像技术教学需求。采用虚拟仿真教学平台后，技能培训可以不占用宝贵的临床患者检查时间，同时也可以避免因学生操作带来的临床上的隐患和医疗纠纷。虚拟仿真教学平台的建立和使用，弥补了传统实验教学的不足，有利于培养学生的综合能力，是对传统课堂实验教学的有益补充和延伸[4]。

CT机属于医院高端昂贵设备，数量有限，以CT设备和患者为实验对象存在实验操作地点、时间受限和医学伦理学方面的相关问题，限制了学生上机操作机会，因此很难保证教学效果。如果是分时分段由不同教师来培训，会产生教学是否标准化及一致性的问题。由于CT检查技术实验教学中设备的稀缺性和检查的特殊性，传统的实验教学模式已不能满足医学影像技术专业学生的实习需求。

设计和开发虚拟仿真教学平台不但可以解决以上问题，而且可实现常规CT检查技能实验教学中“不具备或难以完成的教学功能”[5]。将虚拟仿真教学平台应用于医学影像技术专业的CT检查技能培训中，充分体现了虚实结合、相互补充、能实不虚的原则，可开展可靠、安全和经济的实验教学。