摘 要：為克服CT(電子計(jì)算機(jī)斷層掃描)實(shí)驗(yàn)教學(xué)受設(shè)備、場(chǎng)地的限制，促進(jìn)學(xué)生理解CT的實(shí)驗(yàn)原理與操作步驟，本文采用Unity3D軟件與交互式技術(shù)，開(kāi)發(fā)適用于多平臺(tái)的CT虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。其具有以下突出特點(diǎn)：一是交互性好;二是可以立體、動(dòng)態(tài)地呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程;三是可以記錄操作過(guò)程與參數(shù)設(shè)置，并自動(dòng)生成實(shí)驗(yàn)過(guò)程記錄。實(shí)踐表明，在本系統(tǒng)中，實(shí)驗(yàn)者僅需要通過(guò)鼠標(biāo)、鍵盤(pán)即可完成實(shí)驗(yàn)，然后由實(shí)驗(yàn)過(guò)程記錄反饋實(shí)驗(yàn)成績(jī)。這有利于學(xué)生實(shí)踐能力的提高，便于學(xué)生自查，便于教師分析教學(xué)情況，最終可提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

　　關(guān)鍵詞：CT;實(shí)驗(yàn)教學(xué);實(shí)驗(yàn)過(guò)程記錄

　　醫(yī)學(xué)影像設(shè)備是醫(yī)學(xué)影像技術(shù)相關(guān)專業(yè)的重要教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生不僅應(yīng)掌握醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的工作原理，還應(yīng)對(duì)其操作規(guī)范有一定了解。因而，國(guó)內(nèi)很多高校開(kāi)設(shè)了相關(guān)實(shí)驗(yàn)與見(jiàn)習(xí)課程。但受限于設(shè)備昂貴且龐大、高危險(xiǎn)性、高消耗性、極端環(huán)境需求性、不可逆轉(zhuǎn)性、不可替代性等因素[1]，實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往側(cè)重于工作原理與圖像的分析處理，而實(shí)地見(jiàn)習(xí)往往是以“圍觀式”開(kāi)展教學(xué)——指導(dǎo)教師演示，學(xué)生觀察的。這使得學(xué)生參與度不高，且存在難以觀察和記錄操作流程的問(wèn)題，進(jìn)而影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

　　為克服上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)很多高校已開(kāi)展了關(guān)于醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的研究與應(yīng)用[2-5]。仿真實(shí)驗(yàn)主要有軟硬件結(jié)合與純軟件兩種形式。軟硬件結(jié)合包括硬件、軟件兩個(gè)部分，其中一部分作為控制，另一部分作為仿真對(duì)象，優(yōu)點(diǎn)在于虛實(shí)結(jié)合，有效地降低了成本。例如，齊現(xiàn)英等[2]采用上位機(jī)軟件控制單片機(jī)系統(tǒng)，以硬件形式模擬了X線機(jī)的旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極啟動(dòng)、燈絲預(yù)熱和曝光過(guò)程;費(fèi)杰等[3]采用單片機(jī)系統(tǒng)控制上位機(jī)，以軟件形式模擬了DR虛擬模型的動(dòng)作，如各軸的平移、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、燈絲預(yù)熱、曝光等。但該方法的缺點(diǎn)在于，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的升級(jí)換代往往需要配備新的硬件設(shè)備，需要額外的開(kāi)銷(xiāo)。因而，有研究者就純軟件的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，在保證仿真效果的前提下增加了靈活性。例如，許海兵等[5]設(shè)計(jì)的信息化CT虛擬仿真平臺(tái)就以純軟件的形式，在虛擬場(chǎng)景中將設(shè)備結(jié)構(gòu)、掃描過(guò)程、圖像形成過(guò)程等動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)。綜上所述，上述虛擬仿真系統(tǒng)在一定程度上改善了實(shí)驗(yàn)條件，提高了教學(xué)效果，但大多針對(duì)設(shè)備控制與拆解，而較少涉及操作規(guī)范。

　　為此，本文采用虛擬仿真技術(shù)設(shè)計(jì)了一種新的CT虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，一方面為學(xué)生提供了實(shí)驗(yàn)條件，觀察與控制CT;另一方面通過(guò)實(shí)驗(yàn)過(guò)程記錄，用于其操作規(guī)范考核與成績(jī)?cè)u(píng)定。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　基于Unity3D的CT虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括虛擬場(chǎng)景、操作仿真、交互操作、過(guò)程管理等環(huán)節(jié)，總體結(jié)構(gòu)可分為三大模塊，即信息展示模塊、交互與過(guò)程管理模塊、場(chǎng)景仿真與漫游模塊[6]，如圖1所示。具體實(shí)施如下：通過(guò)3D建模技術(shù)構(gòu)建系統(tǒng)所需的虛擬場(chǎng)景，如CT設(shè)備、核心組件及操作間等;通過(guò)腳本控制實(shí)現(xiàn)交互操作與第一視角漫游，如響應(yīng)鼠標(biāo)的指令;采用SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)管理實(shí)驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)，用于存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)與用戶信息，為實(shí)驗(yàn)考核提供依據(jù)。

　　2 開(kāi)發(fā)流程

　　2.1 3D模型建模

　　Unity3D僅支持簡(jiǎn)單的、規(guī)則的模型，如長(zhǎng)方體、球體、圓柱體等，但針對(duì)復(fù)雜形態(tài)的模型，人們需要使用其他3D建模軟件(Maya、3D Max、Solidworks等)。本文具體的做法是，使用Maya對(duì)所需模型建模、上色、貼圖、修正坐標(biāo)系等，并導(dǎo)出FBX文件格式的模型。其中，CT設(shè)備模型如圖2所示。

　　2.2 交互

　　在小節(jié)2.1的基礎(chǔ)上構(gòu)建虛擬場(chǎng)景后，以模塊化思想編寫(xiě)腳本，以實(shí)現(xiàn)用戶與虛擬仿真系統(tǒng)間的交互，具體包括第一人稱視角、CT外殼透明化、CT控制等。為將鼠標(biāo)的功能復(fù)用，即漫游與設(shè)備控制均由鼠標(biāo)完成，將鼠標(biāo)設(shè)置為2種工作模式，即第一人稱視角模式、設(shè)備控制模式，初始化為第一人稱視角模式。

　　通過(guò)上述交互操作，將CT設(shè)備的結(jié)構(gòu)、細(xì)節(jié)特征與控制過(guò)程向?qū)W生展示。

　　2.2.1 第一人稱視角。第一人稱視角模式下，設(shè)置鼠標(biāo)功能，控制主相機(jī)的位置與旋轉(zhuǎn)角度。具體為：鼠標(biāo)左鍵設(shè)置相機(jī)旋轉(zhuǎn)角度;鼠標(biāo)滾輪設(shè)置相機(jī)深度位置;鼠標(biāo)右鍵切換工作模式。具體流程如圖3所示。其間通過(guò)Input.GetMouseButtonDown判別鼠標(biāo)左、右鍵單擊事件;利用左鍵調(diào)整視角的角度，保持左鍵按下?tīng)顟B(tài)下移動(dòng)鼠標(biāo)改變主相機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度(若鼠標(biāo)前后拖動(dòng)，則相機(jī)繞X軸上下旋轉(zhuǎn);若鼠標(biāo)左右拖動(dòng)，則繞Y軸左右旋轉(zhuǎn));利用右鍵實(shí)現(xiàn)模式切換，比如，切換為設(shè)備控制模式，調(diào)制好視角后，保持當(dāng)前視角狀態(tài)，鼠標(biāo)功能用作控制;利用Input.GetAxis("Mouse ScrollWheel")判別鼠標(biāo)滾輪調(diào)整方向(正、負(fù))，將上述方向乘以一個(gè)預(yù)設(shè)的步長(zhǎng)從而改變相機(jī)在Z軸上的位置，即深度。

　　2.2.2 CT展示。CT展示的內(nèi)容主要包括兩個(gè)方面：設(shè)備內(nèi)部工作過(guò)程與關(guān)鍵組件結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。為觀察內(nèi)部工作過(guò)程，利用GetComponent().materials[1].color修改CT主機(jī)外殼透明度，效果如圖4所示。此外，為將關(guān)鍵組件(X線管、探測(cè)器、滑環(huán))展示出來(lái)，利用動(dòng)畫(huà)將關(guān)鍵組件從CT中拆解出來(lái)，效果如圖5所示。

　　2.2.3 CT操作。CT操作包括兩個(gè)部分：調(diào)整床位;調(diào)整CT主機(jī)倒角。在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，利用鼠標(biāo)模擬操作者，單擊CT的控制按鍵進(jìn)而實(shí)現(xiàn)CT操作。其原理是用鼠標(biāo)發(fā)出射線(Ray)檢測(cè)設(shè)備的控制按鍵對(duì)象(需要添加碰撞體屬性)，利用對(duì)象名稱執(zhí)行相應(yīng)的操作。其中，CT操作是將移動(dòng)與旋轉(zhuǎn)相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)調(diào)整床位的位置與CT主機(jī)倒角，具體情況如圖6所示。

　　2.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)管理

　　SQLite是一種輕型數(shù)據(jù)庫(kù)，其具有如下特點(diǎn)：所占資源少，兼容性好(不僅支持嵌入式設(shè)備，還支持Windows、Linux、Unix等主流操作系統(tǒng))，同時(shí)支持多種編程語(yǔ)言(如C、C+++、C#、Python等)。因而，本系統(tǒng)采用SQLite記錄用戶的實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

　　具體過(guò)程為：數(shù)據(jù)庫(kù)為每個(gè)用戶創(chuàng)建一個(gè)表，表中記錄其實(shí)驗(yàn)過(guò)程;定義表的字段，包括DateTime(時(shí)間戳)、CurrentAction(指當(dāng)前操作內(nèi)容，比如，START是啟動(dòng)設(shè)備，END是關(guān)閉設(shè)備，BED_UP\BED_DOWN是調(diào)節(jié)CT床高度等)、DeviceInfo(指當(dāng)前設(shè)備信息，如{(110.02，15.12，13.0)，(0)}，第1個(gè)括號(hào)內(nèi)容是CT床三維坐標(biāo)，第2個(gè)括號(hào)內(nèi)容是CT主機(jī)倒角角度);將每次操作的時(shí)間、當(dāng)前操作內(nèi)容、設(shè)備信息插入當(dāng)前表內(nèi)，比如，顱腦平掃的CT定位實(shí)驗(yàn)過(guò)程記錄如表1所示;當(dāng)完成操作后，讀取表中數(shù)據(jù)，依據(jù)操作的順序正確性、設(shè)備參數(shù)的準(zhǔn)確度對(duì)學(xué)生的操作規(guī)范進(jìn)行考核評(píng)價(jià)。

　　3 結(jié)語(yǔ)

　　本文采用Unity3D構(gòu)建交互式的虛擬場(chǎng)景，克服了以往CT實(shí)驗(yàn)教學(xué)問(wèn)題——CT操作內(nèi)容的缺失與學(xué)生實(shí)驗(yàn)參與度低。此外，本系統(tǒng)具有以下突出特點(diǎn)：兼容性好，支持Windows、Linux、Mac等桌面操作系統(tǒng)，便于教師教學(xué)與學(xué)生自主學(xué)習(xí);交互性友好，將設(shè)備結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)與實(shí)驗(yàn)過(guò)程直觀呈現(xiàn)，提高了學(xué)生參與度和學(xué)習(xí)興趣;靈活性高，本系統(tǒng)采用的是純軟件設(shè)計(jì)，相比于軟硬件結(jié)合的系統(tǒng)在優(yōu)化與升級(jí)上具有一定優(yōu)勢(shì);可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)管理，應(yīng)用效果較好。根據(jù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程記錄結(jié)果及具體分析，該系統(tǒng)可自動(dòng)對(duì)照操作規(guī)范進(jìn)行考核，有助于教師分析學(xué)情，有助于學(xué)生自主總結(jié)。因而，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用有利于高校醫(yī)學(xué)影像技術(shù)人才的培養(yǎng)，為實(shí)踐性實(shí)驗(yàn)提供了新方法。

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