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醫(yī)學(xué)虛擬儀器技術(shù)分析:虛擬儀器技術(shù)在醫(yī)學(xué)影像實驗課程中的應(yīng)用及研究

摘要： 在科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展的情況下，逐漸興起的虛擬儀器技術(shù)在我國教育體系中的地位越來越高。本文探討了該技術(shù)在醫(yī)學(xué)影像實驗教學(xué)中的應(yīng)用，構(gòu)建了一個仿真的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)實驗環(huán)境，采取人機交互方式實施實驗，具有創(chuàng)新性、交互性、智能性、仿真性、開放性和可擴展性等優(yōu)點。在增強影像技術(shù)實驗教學(xué)效果、提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生操作技能和思維能力等方面取得顯著效果。

關(guān)鍵詞： 虛擬儀器技術(shù)；醫(yī)學(xué)影像技術(shù)；課程評價；虛擬實驗

1 概述

隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)實驗課程的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)儀器實驗由于場地、維護費用等現(xiàn)實條件的限制，大部分醫(yī)學(xué)院校的實驗教學(xué)資源都比較匱乏，使得醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)不得不尋求更新的更符合時代要求的實驗手段。虛擬儀器技術(shù)即在計算機技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等支撐下，架構(gòu)支持真實實驗環(huán)境的虛擬實驗平臺。虛擬實驗平臺形成了一個虛擬環(huán)境，在這種環(huán)境中進行操作、控制、分析、觀察和實驗，同時控制真實的實驗環(huán)境。這一技術(shù)有許多的優(yōu)點，如交互性很靈活、對硬件資源要求不復(fù)雜，更簡易，因此在實驗教學(xué)中廣泛應(yīng)用，成為解決可視化知識學(xué)習(xí)的又一重要媒體技術(shù)。而信息技術(shù)與學(xué)科整合，正是立足于時代的高度。虛擬儀器技術(shù)與課程整合，與傳統(tǒng)的教學(xué)模式不同，在豐富學(xué)科知識、優(yōu)化學(xué)生認知、優(yōu)化課堂教學(xué)結(jié)構(gòu)等方面影響比較大。

近年來，在醫(yī)學(xué)類高職院校實驗實踐教學(xué)中，非常強調(diào)學(xué)生的實際操作和動手能力，所以基于虛擬儀器的實驗教學(xué)更突出了其優(yōu)勢，因而該技術(shù)在醫(yī)學(xué)高職院校的實驗教學(xué)中得到了進一步發(fā)展和完善。

2 醫(yī)學(xué)影像技術(shù)傳統(tǒng)教學(xué)的缺陷

板書教學(xué)是醫(yī)學(xué)影像傳統(tǒng)教學(xué)模式，學(xué)生在實驗室動手操作實驗。醫(yī)學(xué)影像實驗教學(xué)在學(xué)生獲取專業(yè)知識時具有極大的重要性。它在使學(xué)生深入理解理論知識、形成職業(yè)崗位能力等方面起到許多積極的作用。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)并不完善，還有不少的不足。由于大型影像設(shè)備昂貴，驗耗材較多，綜合性實驗和開放性實驗無法或很少實現(xiàn)。實驗資源有限，不能做到人手一機，分組過大，難以反復(fù)訓(xùn)練，造成實驗教學(xué)難以達到預(yù)期效果，嚴重阻礙了學(xué)生能動性和實踐能力的培養(yǎng)。

3 醫(yī)學(xué)影像虛擬實驗的設(shè)計和優(yōu)勢

醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)要求學(xué)生能夠操作大型的影像設(shè)備，如CT、MRI等，這些設(shè)備價格昂貴，體積龐大，操作使用復(fù)雜，需要學(xué)生長時間練習(xí)操作。一般院校很難滿足這些大型設(shè)備的教學(xué)使用需要，而虛擬儀器技術(shù)可以解決和克服這一難題。我們學(xué)院和徐州醫(yī)學(xué)院合作，利用計算機仿真、數(shù)據(jù)庫、圖像處理、虛擬實現(xiàn)和三維重建等編程技術(shù)對現(xiàn)有的影像設(shè)備實驗教學(xué)進行改革，開發(fā)了系列化大型醫(yī)學(xué)影像設(shè)備CT、MRI、PET-CT仿真操作訓(xùn)練系統(tǒng)。仿真當(dāng)今主流CT、MRI、PET-CT掃描工作站的常規(guī)操作，不需要設(shè)備主機，形成相應(yīng)的仿真工作站，模仿真實CT、MRI、PET-CT掃描工作站的操作流程；從而實現(xiàn)不需要投入大型設(shè)備，就能做到學(xué)生人手一機進行操作訓(xùn)練，滿足學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握大型醫(yī)療設(shè)備掃描操作基本技術(shù)的需求。

3.1 虛擬實驗的設(shè)計理念 在現(xiàn)代信息技術(shù)的協(xié)助下，將其與傳統(tǒng)教學(xué)手段結(jié)合起來，創(chuàng)建一個模擬的、開放的學(xué)習(xí)環(huán)境，逐步添加新的學(xué)習(xí)內(nèi)容。讓學(xué)生能夠自主開放地學(xué)習(xí)影像技術(shù)，可自由選擇實驗內(nèi)容，反復(fù)操作演練，將個性化學(xué)習(xí)體現(xiàn)的淋漓盡致。醫(yī)學(xué)影像虛擬實驗在解決難以反復(fù)訓(xùn)練的困難中發(fā)揮了重要的作用。

3.2 虛擬實驗的設(shè)計思路 利用計算機技術(shù)、數(shù)據(jù)庫、圖像處理、虛擬現(xiàn)實和三維重建技術(shù)，采用Dreamweaver、Flash、.asp, SQL Server完成影像設(shè)備醫(yī)工綜合學(xué)習(xí)網(wǎng)站的設(shè)計，形成大型醫(yī)療設(shè)備仿真訓(xùn)練系統(tǒng)。如仿真CT掃描工作站的常規(guī)操作，做到全真模擬當(dāng)今主流CT掃描工作站的工作流程，定位圖像的掃描采用動態(tài)出現(xiàn)的方式，與真實CT模式相似，掃描圖像與CT機掃描出現(xiàn)方式一樣，使用戶如同使用真實CT。同時具有強大的圖像顯示與處理的功能，圖像源于CT，界面設(shè)計采用與真實CT界面同樣的方式，使用戶身臨其境，在真實CT與本系統(tǒng)之間轉(zhuǎn)換變化感覺不大。

醫(yī)學(xué)虛擬儀器技術(shù)分析:醫(yī)學(xué)超聲診斷虛擬儀器的探索與開發(fā)

摘 要：超聲診斷虛擬儀器在設(shè)計原理中不斷應(yīng)用了多普勒相干波的測試原理，而且在標配程序中還采用了C++語言的編程代碼以及較高配置的硬件設(shè)備，使其能夠?qū)崿F(xiàn)遠端控制技術(shù)以及動態(tài)測試分析數(shù)據(jù)讀取的過程。這種技術(shù)的發(fā)開以及應(yīng)用在今后醫(yī)學(xué)界有著廣泛的應(yīng)用，對病人的數(shù)據(jù)信息的讀取更加準確。

關(guān)鍵詞：超聲診斷；多普勒；血液測試；C++語言；遠端控制

前言

根據(jù)當(dāng)前的虛擬儀器的測定標準，主要采用超聲波回波反射的原理進行數(shù)據(jù)的讀取、信息的采集。其中這種儀器的設(shè)定標準是根據(jù)電子儀器以及微型計算機的復(fù)合應(yīng)用共同完成的，并且在相關(guān)硬件和軟件的驅(qū)動下儀器的運行才能發(fā)揮出原本的功能，使其能夠在有效時間內(nèi)讀取信息的有效值。在運行電路數(shù)據(jù)讀取過程中主要完成A/D之間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，其中在終端設(shè)備處完成的是模擬信息的讀取然后在傳輸設(shè)備中完成模擬信息向數(shù)字信號轉(zhuǎn)化的過程。

1 虛擬儀器系統(tǒng)的相關(guān)配置

1.1 軟件系統(tǒng)的設(shè)定標準

虛擬儀器在軟件程序設(shè)定標準程序中主要采用了C++的編程模式，使得能有正確讀取各種編程語言的操作程序。其中軟件系統(tǒng)設(shè)定的原始代碼如下所示，這種代碼的編輯程序，不但能夠讀取數(shù)據(jù)在信息采集過程中傳輸?shù)男帕畲a，而且還對傳輸設(shè)備中相關(guān)數(shù)據(jù)信息的處理以及分析過程都可以進行細致的分化，使得以不同子列的形式輸出至交換設(shè)備。在軟件運行過程中會根據(jù)編程語言代碼設(shè)定的邏輯結(jié)構(gòu)進行數(shù)據(jù)運算及數(shù)據(jù)分析，并且還會根據(jù)C++語言設(shè)定的交叉性信息的讀取進行對上層信息的再次進行分析，使之完成上層信息與下層信息的一致性。其次該編程兼容性較強，打破了傳統(tǒng)設(shè)備制造廠商專用的循環(huán)程序，使得對各種系統(tǒng)都能得到應(yīng)用，并且讀取的有效值失真現(xiàn)象發(fā)生的可能性小，確保數(shù)據(jù)信息的有效性，其次在編輯代碼中還融合了檢錯系統(tǒng)查詢能力，在運行過程中出現(xiàn)意外性故障，該程序會自動運行其糾錯代碼指令，分析其錯誤報告。

1.2 硬件設(shè)備的配置標準

在硬件配置過程中主要考慮數(shù)據(jù)信息的容量以及輸入和輸出信息的顯示問題，其中在硬件配置過程中加大了對信道傳輸?shù)娜萘浚怪瓿尚畔⒌臄U增功能。其中在壓縮空間上采用了頻分和時分共同壓縮的模式，使其壓縮速度快且信息有效性能高。分為頻分壓縮和時分壓縮，根據(jù)傳輸信息源中頻率的不同進行信息代碼之間的壓縮；其次是時分壓縮是根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)信息代碼中時隙間的間隔進行有效性的壓縮，使之完成有效信息的交換功能。這種雙模式結(jié)合的形式，能夠有效性壓縮信息量，增大其傳輸信道的容量。

不會因信息數(shù)據(jù)量大造成存儲空間小，運轉(zhuǎn)效率達不到預(yù)先設(shè)定的標準，使其讀取信息片面性的丟失現(xiàn)象減少，其次處理器的運行速度每秒能達20萬次，傳統(tǒng)的處理器的處理數(shù)據(jù)運算的速度只能達到幾萬次，使得不能有效性的處理數(shù)據(jù)之間的運算程序，造成數(shù)據(jù)邏輯性的差錯，使之這種處理運算的速度能夠在短時間內(nèi)完成數(shù)據(jù)信息交換功能。在信息讀取分辨程度上進行了改進分析，顯示器的分辨率能夠顯示出數(shù)據(jù)處理程度的操作過程，使其能夠分析儀器測量的標準動態(tài)。

2 虛擬儀器在醫(yī)學(xué)界中的應(yīng)用

虛擬儀器在實際原理分析應(yīng)用中主要采用了脈沖回波掃描的動態(tài)測試分析以及多普勒相干波的檢測。其中在脈沖回波掃描中主要適用于當(dāng)前的B超的使用，對人體的肝臟結(jié)構(gòu)以及其他器官掃描其空間斷面圖形。在脈沖回波掃描過程中主要是超聲波回波檢測的動態(tài)分析，其中在數(shù)據(jù)分析過程中采用了C++設(shè)定的編輯程序，使得能夠有效的讀取人體各個部位相關(guān)信息的分析情況。以此檢測人體部位是否有病變可能的發(fā)生，假設(shè)儀器在動態(tài)分析過程中分析某部位可能有病變的可能，這種分析的掃描程序會經(jīng)過軟件設(shè)備的處理程序進行綜合分析，然后再根據(jù)編輯代碼中的操作命令進行環(huán)回綜合評定，最后將讀取的信息結(jié)果顯示在顯示屏幕上。

其次便是在血液測量中的分析檢測，利用多普勒超聲波的測試分析原理。其中儀器的感應(yīng)探頭便是發(fā)出超聲波的感應(yīng)光源，在人體血液檢測過程中，感應(yīng)探頭發(fā)出的超聲波根據(jù)反饋的動態(tài)信息進行標準測定，主要是利用不同反饋的波長進行血液中各成分的測量。然后將這種動態(tài)分析的標準結(jié)果顯示出來，最終完成其動態(tài)信息評定的標準，在超聲檢測回波過程中，儀器根據(jù)標準人體血液中各組成部分的結(jié)構(gòu)設(shè)定光波的波長，然后進行人體內(nèi)部有效信息的掃描，最終完成數(shù)據(jù)讀取的過程。

3結(jié)束語

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬儀器在技術(shù)改進中有了較大的改進，其中在軟件和硬件設(shè)備中都做出了相應(yīng)的規(guī)劃調(diào)整。使之能夠滿足信息評定標準的結(jié)果，這種動態(tài)測試分析程序的設(shè)定，使之確保數(shù)據(jù)信息的有效性。

作者簡介：鄭旋（1985，10，16-），女，江西（吉安峽江縣），碩士研究生，研究方向：計算機技術(shù)。

醫(yī)學(xué)虛擬儀器技術(shù)分析:基于虛擬儀器的醫(yī)學(xué)模擬人在臨床實驗中的應(yīng)用

摘 要：基于虛擬儀器的醫(yī)學(xué)模擬人仿真系統(tǒng)可以根據(jù)用戶需求進行模擬病例的診斷，通過模擬大型醫(yī)學(xué)影像設(shè)備MRI、CT的臨床實踐，不僅能為學(xué)生提供生動、逼真的實踐環(huán)境，讓學(xué)生達到身臨其境的效果，而且還可以用虛擬設(shè)備和模型替代價格昂貴的實驗設(shè)備和材料。建構(gòu)了一個基于虛擬儀器的醫(yī)學(xué)模擬人仿真操作系統(tǒng)，并在相應(yīng)的臨床實驗課程中進行了應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器 模擬人 臨床實驗

目前，在我國臨床醫(yī)學(xué)教育中，普遍存在以下幾個問題：第一，醫(yī)學(xué)教育對臨床實踐技能的基本要求，強調(diào)能及時、有效地診斷和處理病人。但是，臨床實踐技能的培養(yǎng)一直是醫(yī)學(xué)教育過程中的薄弱環(huán)節(jié)；第二，傳統(tǒng)的臨床實踐教學(xué)多是通過觀察或是重復(fù)老師、高年資醫(yī)生的操作來進行，學(xué)習(xí)者只能學(xué)習(xí)到接觸過的病例，而對于無法接觸到的病例只能通過書本教材去想象。第三，醫(yī)學(xué)臨床實驗一般使用活體動物較為普遍，但是，隨著近年來學(xué)生人數(shù)大幅增加，學(xué)生實際臨床實驗無法得到保證。

醫(yī)學(xué)模擬人作為一種新的臨床實踐手段，基本上可以解決以上難題。

基于虛擬儀器的醫(yī)學(xué)模擬人是計算機科學(xué)、信息科學(xué)和醫(yī)學(xué)相結(jié)合的系統(tǒng)。通過云計算數(shù)據(jù)庫技術(shù)在醫(yī)院、學(xué)校、教室以及實驗室之間建立一個可共享的病例數(shù)據(jù)庫，在客戶端實現(xiàn)醫(yī)學(xué)教學(xué)、研究和實驗的目的。

中國正式開始對模擬可視人的研究，是2001年在北京香山會議上提出的，很快被列入國家“863”啟動項目――“數(shù)字化模擬人若干關(guān)鍵技術(shù)的研究”。由于可視人體研究在與人體形態(tài)結(jié)構(gòu)有關(guān)的眾多研究領(lǐng)域具有重要的理論意義及廣闊的應(yīng)用前景，國內(nèi)不少學(xué)者一直關(guān)注著這一研究領(lǐng)域的進展，并利用美國的VHP 數(shù)據(jù)集進行了卓有成效的研究。如清華大學(xué)利用VHP數(shù)據(jù)集，在基于模擬人體的計算機醫(yī)學(xué)研究方面， 對人體多個器官的結(jié)構(gòu)與功能進行了可視化顯示；中國科學(xué)院自動化研究所構(gòu)建了開放的虛擬人體試驗平臺， 對于數(shù)據(jù)壓縮、圖像分割、配準與融合、三維重建與繪制等算法進行了研究。

1 基于虛擬儀器的醫(yī)學(xué)模擬人的構(gòu)建

在構(gòu)建基于虛擬儀器的醫(yī)學(xué)模擬人仿真操作系統(tǒng)的過程中，具體完成了如下工作：（1）參照國內(nèi)主流醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的操作界面來確定系統(tǒng)的功能和模式，根據(jù)相關(guān)原理、成像參數(shù)、各參數(shù)之間的關(guān)系及參數(shù)的選擇對影像質(zhì)量、顯示效果的影響，確定系統(tǒng)的具體功能。（2）根據(jù)主流設(shè)備的共性，采用模塊化設(shè)計來確定仿真系統(tǒng)的整體框架，通過編寫軟件流程圖，繪制結(jié)構(gòu)方框圖，以達到最優(yōu)化的仿真效果。（3）確定人體各成像部位圖片與軟件操作界面及各成像參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系。（4）建立仿真操作系統(tǒng)的影像圖片數(shù)據(jù)庫，確定人體各部位影像圖片的格式、適用范圍、質(zhì)量要求等。重點研究了圖像顯示、數(shù)據(jù)調(diào)用、運行速度、仿真效果等要素。

技術(shù)要求：確定了模擬軟件平臺的主界面與從屬掃描界面之間的功能鏈接，數(shù)據(jù)的調(diào)用、顯示、保存。探索軟件操作過程中與理論知識的結(jié)合點或切入點，讓學(xué)生在牢固掌握論知識的基礎(chǔ)上，正確完成各N選項和各項參數(shù)的設(shè)定，并能順利保存掃描協(xié)議，啟動仿真掃描進程；功能模塊的選項及參數(shù)的設(shè)定在符合臨床實際的同時，依照常規(guī)掃描限定參數(shù)的選取范圍。并且，各選項和參數(shù)之間按照實際情況進行準確的互動和鏈接。其模擬仿真操作界面如圖1所示。

該模擬仿真系統(tǒng)建立后，不僅能為學(xué)生提供生動、逼真的實踐環(huán)境，讓學(xué)生達到身臨其境的效果，而且還可以用虛擬設(shè)備和模型替代價格昂貴的實驗設(shè)備和材料，把具體的實驗操作轉(zhuǎn)化為使用鼠標、鍵盤等對模型的交互操作，可有效降低實驗的成本和風(fēng)險。

2 基于虛擬儀器的醫(yī)學(xué)模擬人在臨床實驗中的應(yīng)用

自2013年以來，該校對原來的課程體系進行了優(yōu)化重組，增加了開設(shè)的《醫(yī)學(xué)影像原理與技術(shù)》實驗課程的學(xué)時，在以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力為核心的素質(zhì)教育方面進行了有益的探索和實踐，取得了令人滿意的效果。從技術(shù)角度提出了《醫(yī)學(xué)影像原理與設(shè)備》實踐教學(xué)中虛擬現(xiàn)實技術(shù)選擇的應(yīng)用方案，引進設(shè)計了系列化大型醫(yī)學(xué)影像設(shè)備CT、MRI、超聲等仿真操作訓(xùn)練系統(tǒng)，使得實驗環(huán)境條件得到很大改善。

經(jīng)過2年臨床實踐教學(xué)應(yīng)用，該模擬仿真系統(tǒng)獲得師生的肯定。在虛擬儀器的配套仿真軟件基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了臨床理論與臨床實踐教學(xué)的有效銜接與互補，拓展了臨床實踐教學(xué)的深度和廣度、提高了學(xué)生進行仿真實驗的實效，同時也盡可能地減少了實驗成本和避免了對患者的侵擾。教師在課堂進行理論教學(xué)時，利用專業(yè)的模擬仿真平臺，采用多媒體技術(shù)，構(gòu)建了具有高度真實感、直觀性和精確性模擬仿真實驗平臺，實現(xiàn)了臨床理論教學(xué)與臨床實踐教學(xué)的有益補充和創(chuàng)新。基于虛擬儀器的模擬人仿真平臺除了在模擬MRI、CT大型設(shè)備的界面、功能、操作過程上具有高仿真度外，系統(tǒng)還具有參數(shù)設(shè)定范圍限制、必選項規(guī)定、智能糾錯、自動判斷并提示參數(shù)及選項錯誤等特點。在臨床實驗、實訓(xùn)的同時促進對理論知識的理解和掌握。

該文利用贛南醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)和生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的樣本數(shù)據(jù)，分析了基于虛擬儀器的醫(yī)學(xué)模擬人仿真軟件在《醫(yī)學(xué)影像原理與設(shè)備》臨床實驗教學(xué)的應(yīng)用效果。結(jié)果表明，模擬仿真軟件在《醫(yī)學(xué)影像原理與設(shè)備》臨床實驗課的使用效果受到學(xué)生計算機操作技能、軟件的仿真度、實驗教學(xué)與理論教學(xué)是否能相互配合、學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣以及實驗室的設(shè)備情況等多種因素的影響。為了能夠更好地發(fā)揮模擬仿真系統(tǒng)在《醫(yī)學(xué)影像原理與設(shè)備》臨床實踐的效果，針對調(diào)查中的問題提出如下建議。

第一，將臨床實驗和理論同等重視，科學(xué)合理地安排臨床實驗教學(xué)課程。贛南醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)和生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)模擬軟件的使用多是設(shè)置在課程的實驗部分，而未單獨設(shè)課。通過擴充該專業(yè)實驗課的學(xué)時或單獨設(shè)置實驗課程，更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性。

第二，任課教師應(yīng)使學(xué)生重視臨床實驗，認識到通過模擬臨床實踐教學(xué)的訓(xùn)練能夠有效地提升學(xué)生動手能力和創(chuàng)新能力，對學(xué)生今后實際工作也有所裨益。

第三，可以嘗試校企聯(lián)合開發(fā)模擬軟件，來提高操作系統(tǒng)的仿真度。通過學(xué)校與軟件公司攜手開發(fā)，一方面，企業(yè)具有的軟件設(shè)計和程序設(shè)計的專業(yè)性可以保證仿真軟件平臺的專業(yè)性；另一方面，學(xué)校任課教師能夠更準確地表述模擬仿真軟件的功能需求，從而使得理論課程與臨床實踐相匹配，從而保證了臨床實踐中教師與學(xué)生的需求。

第四，加強該學(xué)科實驗室的規(guī)劃和建設(shè)。實驗室的建設(shè)應(yīng)根據(jù)學(xué)科的辦學(xué)規(guī)模、專業(yè)設(shè)置以及教學(xué)和科研的需求，對實驗室的功能和預(yù)期效果進行準確定位和分析，讓僅有的資源效益最大化。