醫學虛擬儀器技術分析

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醫學虛擬儀器技術分析:虛擬儀器技術在醫學影像實驗課程中的應用及研究

摘要： 在科學技術的不斷發展的情況下，逐漸興起的虛擬儀器技術在我國教育體系中的地位越來越高。本文探討了該技術在醫學影像實驗教學中的應用，構建了一個仿真的醫學影像技術實驗環境，采取人機交互方式實施實驗，具有創新性、交互性、智能性、仿真性、開放性和可擴展性等優點。在增強影像技術實驗教學效果、提高學生學習興趣、培養學生操作技能和思維能力等方面取得顯著效果。

關鍵詞： 虛擬儀器技術；醫學影像技術；課程評價；虛擬實驗

1 概述

隨著現代醫學實驗課程的不斷發展，傳統的醫學儀器實驗由于場地、維護費用等現實條件的限制，大部分醫學院校的實驗教學資源都比較匱乏，使得醫學實驗教學不得不尋求更新的更符合時代要求的實驗手段。虛擬儀器技術即在計算機技術、數據庫技術與網絡技術等支撐下，架構支持真實實驗環境的虛擬實驗平臺。虛擬實驗平臺形成了一個虛擬環境，在這種環境中進行操作、控制、分析、觀察和實驗，同時控制真實的實驗環境。這一技術有許多的優點，如交互性很靈活、對硬件資源要求不復雜，更簡易，因此在實驗教學中廣泛應用，成為解決可視化知識學習的又一重要媒體技術。而信息技術與學科整合，正是立足于時代的高度。虛擬儀器技術與課程整合，與傳統的教學模式不同，在豐富學科知識、優化學生認知、優化課堂教學結構等方面影響比較大。

近年來，在醫學類高職院校實驗實踐教學中，非常強調學生的實際操作和動手能力，所以基于虛擬儀器的實驗教學更突出了其優勢，因而該技術在醫學高職院校的實驗教學中得到了進一步發展和完善。

2 醫學影像技術傳統教學的缺陷

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

3 醫學影像虛擬實驗的設計和優勢

醫學影像技術專業要求學生能夠操作大型的影像設備，如CT、MRI等，這些設備價格昂貴，體積龐大，操作使用復雜，需要學生長時間練習操作。一般院校很難滿足這些大型設備的教學使用需要，而虛擬儀器技術可以解決和克服這一難題。我們學院和徐州醫學院合作，利用計算機仿真、數據庫、圖像處理、虛擬實現和三維重建等編程技術對現有的影像設備實驗教學進行改革，開發了系列化大型醫學影像設備CT、MRI、PET-CT仿真操作訓練系統。仿真當今主流CT、MRI、PET-CT掃描工作站的常規操作，不需要設備主機，形成相應的仿真工作站，模仿真實CT、MRI、PET-CT掃描工作站的操作流程；從而實現不需要投入大型設備，就能做到學生人手一機進行操作訓練，滿足學生學習和掌握大型醫療設備掃描操作基本技術的需求。

3.1 虛擬實驗的設計理念 在現代信息技術的協助下，將其與傳統教學手段結合起來，創建一個模擬的、開放的學習環境，逐步添加新的學習內容。讓學生能夠自主開放地學習影像技術，可自由選擇實驗內容，反復操作演練，將個性化學習體現的淋漓盡致。醫學影像虛擬實驗在解決難以反復訓練的困難中發揮了重要的作用。

3.2 虛擬實驗的設計思路 利用計算機技術、數據庫、圖像處理、虛擬現實和三維重建技術，采用Dreamweaver、Flash、.asp, SQL Server完成影像設備醫工綜合學習網站的設計，形成大型醫療設備仿真訓練系統。如仿真CT掃描工作站的常規操作，做到全真模擬當今主流CT掃描工作站的工作流程，定位圖像的掃描采用動態出現的方式，與真實CT模式相似，掃描圖像與CT機掃描出現方式一樣，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與本系統之間轉換變化感覺不大。

醫學虛擬儀器技術分析:醫學超聲診斷虛擬儀器的探索與開發

摘 要：超聲診斷虛擬儀器在設計原理中不斷應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備，使其能夠實現遠端控制技術以及動態測試分析數據讀取的過程。這種技術的發開以及應用在今后醫學界有著廣泛的應用，對病人的數據信息的讀取更加準確。

關鍵詞：超聲診斷；多普勒；血液測試；C++語言；遠端控制

前言

根據當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據的讀取、信息的采集。其中這種儀器的設定標準是根據電子儀器以及微型計算機的復合應用共同完成的，并且在相關硬件和軟件的驅動下儀器的運行才能發揮出原本的功能，使其能夠在有效時間內讀取信息的有效值。在運行電路數據讀取過程中主要完成A/D之間數據的轉換，其中在終端設備處完成的是模擬信息的讀取然后在傳輸設備中完成模擬信息向數字信號轉化的過程。

1 虛擬儀器系統的相關配置

1.1 軟件系統的設定標準

虛擬儀器在軟件程序設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。其中軟件系統設定的原始代碼如下所示，這種代碼的編輯程序，不但能夠讀取數據在信息采集過程中傳輸的信令代碼，而且還對傳輸設備中相關數據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備。在軟件運行過程中會根據編程語言代碼設定的邏輯結構進行數據運算及數據分析，并且還會根據C++語言設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，打破了傳統設備制造廠商專用的循環程序，使得對各種系統都能得到應用，并且讀取的有效值失真現象發生的可能性小，確保數據信息的有效性，其次在編輯代碼中還融合了檢錯系統查詢能力，在運行過程中出現意外性故障，該程序會自動運行其糾錯代碼指令，分析其錯誤報告。

1.2 硬件設備的配置標準

在硬件配置過程中主要考慮數據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的容量，使之完成信息的擴增功能。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傳輸數據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。

不會因信息數據量大造成存儲空間小，運轉效率達不到預先設定的標準，使其讀取信息片面性的丟失現象減少，其次處理器的運行速度每秒能達20萬次，傳統的處理器的處理數據運算的速度只能達到幾萬次，使得不能有效性的處理數據之間的運算程序，造成數據邏輯性的差錯，使之這種處理運算的速度能夠在短時間內完成數據信息交換功能。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據處理程度的操作過程，使其能夠分析儀器測量的標準動態。

2 虛擬儀器在醫學界中的應用

虛擬儀器在實際原理分析應用中主要采用了脈沖回波掃描的動態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前的B超的使用，對人體的肝臟結構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分析，其中在數據分析過程中采用了C++設定的編輯程序，使得能夠有效的讀取人體各個部位相關信息的分析情況。以此檢測人體部位是否有病變可能的發生，假設儀器在動態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過軟件設備的處理程序進行綜合分析，然后再根據編輯代碼中的操作命令進行環回綜合評定，最后將讀取的信息結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。其中儀器的感應探頭便是發出超聲波的感應光源，在人體血液檢測過程中，感應探頭發出的超聲波根據反饋的動態信息進行標準測定，主要是利用不同反饋的波長進行血液中各成分的測量。然后將這種動態分析的標準結果顯示出來，最終完成其動態信息評定的標準，在超聲檢測回波過程中，儀器根據標準人體血液中各組成部分的結構設定光波的波長，然后進行人體內部有效信息的掃描，最終完成數據讀取的過程。

3結束語

隨著現代信息技術的不斷發展，虛擬儀器在技術改進中有了較大的改進，其中在軟件和硬件設備中都做出了相應的規劃調整。使之能夠滿足信息評定標準的結果，這種動態測試分析程序的設定，使之確保數據信息的有效性。

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。

醫學虛擬儀器技術分析:基于虛擬儀器的醫學模擬人在臨床實驗中的應用

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

關鍵詞：虛擬儀器 模擬人 臨床實驗

目前，在我國臨床醫學教育中，普遍存在以下幾個問題：第一，醫學教育對臨床實踐技能的基本要求，強調能及時、有效地診斷和處理病人。但是，臨床實踐技能的培養一直是醫學教育過程中的薄弱環節；第二，傳統的臨床實踐教學多是通過觀察或是重復老師、高年資醫生的操作來進行，學習者只能學習到接觸過的病例，而對于無法接觸到的病例只能通過書本教材去想象。第三，醫學臨床實驗一般使用活體動物較為普遍，但是，隨著近年來學生人數大幅增加，學生實際臨床實驗無法得到保證。

醫學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。

基于虛擬儀器的醫學模擬人是計算機科學、信息科學和醫學相結合的系統。通過云計算數據庫技術在醫院、學校、教室以及實驗室之間建立一個可共享的病例數據庫，在客戶端實現醫學教學、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――“數字化模擬人若干關鍵技術的研究”。由于可視人體研究在與人體形態結構有關的眾多研究領域具有重要的理論意義及廣闊的應用前景，國內不少學者一直關注著這一研究領域的進展，并利用美國的VHP 數據集進行了卓有成效的研究。如清華大學利用VHP數據集，在基于模擬人體的計算機醫學研究方面， 對人體多個器官的結構與功能進行了可視化顯示；中國科學院自動化研究所構建了開放的虛擬人體試驗平臺， 對于數據壓縮、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 基于虛擬儀器的醫學模擬人的構建

在構建基于虛擬儀器的醫學模擬人仿真操作系統的過程中，具體完成了如下工作：（1）參照國內主流醫學影像設備的操作界面來確定系統的功能和模式，根據相關原理、成像參數、各參數之間的關系及參數的選擇對影像質量、顯示效果的影響，確定系統的具體功能。（2）根據主流設備的共性，采用模塊化設計來確定仿真系統的整體框架，通過編寫軟件流程圖，繪制結構方框圖，以達到最優化的仿真效果。（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之間的對應關系。（4）建立仿真操作系統的影像圖片數據庫，確定人體各部位影像圖片的格式、適用范圍、質量要求等。重點研究了圖像顯示、數據調用、運行速度、仿真效果等要素。

技術要求：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，數據的調用、顯示、保存。探索軟件操作過程中與理論知識的結合點或切入點，讓學生在牢固掌握論知識的基礎上，正確完成各N選項和各項參數的設定，并能順利保存掃描協議，啟動仿真掃描進程；功能模塊的選項及參數的設定在符合臨床實際的同時，依照常規掃描限定參數的選取范圍。并且，各選項和參數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。

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

2 基于虛擬儀器的醫學模擬人在臨床實驗中的應用

自2013年以來，該校對原來的課程體系進行了優化重組，增加了開設的《醫學影像原理與技術》實驗課程的學時，在以培養學生的創新精神和實踐能力為核心的素質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。從技術角度提出了《醫學影像原理與設備》實踐教學中虛擬現實技術選擇的應用方案，引進設計了系列化大型醫學影像設備CT、MRI、超聲等仿真操作訓練系統，使得實驗環境條件得到很大改善。

經過2年臨床實踐教學應用，該模擬仿真系統獲得師生的肯定。在虛擬儀器的配套仿真軟件基礎上，實現了臨床理論與臨床實踐教學的有效銜接與互補，拓展了臨床實踐教學的深度和廣度、提高了學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時，利用專業的模擬仿真平臺，采用多媒體技術，構建了具有高度真實感、直觀性和精確性模擬仿真實驗平臺，實現了臨床理論教學與臨床實踐教學的有益補充和創新。基于虛擬儀器的模擬人仿真平臺除了在模擬MRI、CT大型設備的界面、功能、操作過程上具有高仿真度外，系統還具有參數設定范圍限制、必選項規定、智能糾錯、自動判斷并提示參數及選項錯誤等特點。在臨床實驗、實訓的同時促進對理論知識的理解和掌握。

該文利用贛南醫學院醫學影像技術專業和生物醫學工程專業的樣本數據，分析了基于虛擬儀器的醫學模擬人仿真軟件在《醫學影像原理與設備》臨床實驗教學的應用效果。結果表明，模擬仿真軟件在《醫學影像原理與設備》臨床實驗課的使用效果受到學生計算機操作技能、軟件的仿真度、實驗教學與理論教學是否能相互配合、學生的學習興趣以及實驗室的設備情況等多種因素的影響。為了能夠更好地發揮模擬仿真系統在《醫學影像原理與設備》臨床實踐的效果，針對調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，科學合理地安排臨床實驗教學課程。贛南醫學院醫學影像技術專業和生物醫學工程專業模擬軟件的使用多是設置在課程的實驗部分，而未單獨設課。通過擴充該專業實驗課的學時或單獨設置實驗課程，更能激發學生的學習興趣，充分調動學生學習的主動性和積極性。

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

第三，可以嘗試校企聯合開發模擬軟件，來提高操作系統的仿真度。通過學校與軟件公司攜手開發，一方面，企業具有的軟件設計和程序設計的專業性可以保證仿真軟件平臺的專業性；另一方面，學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生的需求。

第四，加強該學科實驗室的規劃和建設。實驗室的建設應根據學科的辦學規模、專業設置以及教學和科研的需求，對實驗室的功能和預期效果進行準確定位和分析，讓僅有的資源效益最大化。