摘 要：為克服CT(電子計算機斷層掃描)實驗教學(xué)受設(shè)備、場地的限制，促進學(xué)生理解CT的實驗原理與操作步驟，本文采用Unity3D軟件與交互式技術(shù)，開發(fā)適用于多平臺的CT虛擬仿真實驗系統(tǒng)。其具有以下突出特點：一是交互性好;二是可以立體、動態(tài)地呈現(xiàn)實驗過程;三是可以記錄操作過程與參數(shù)設(shè)置，并自動生成實驗過程記錄。實踐表明，在本系統(tǒng)中，實驗者僅需要通過鼠標、鍵盤即可完成實驗，然后由實驗過程記錄反饋實驗成績。這有利于學(xué)生實踐能力的提高，便于學(xué)生自查，便于教師分析教學(xué)情況，最終可提高實驗教學(xué)質(zhì)量。

　　關(guān)鍵詞：CT;實驗教學(xué);實驗過程記錄

　　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)對其操作規(guī)范有一定了解。因而，國內(nèi)很多高校開設(shè)了相關(guān)實驗與見習(xí)課程。但受限于設(shè)備昂貴且龐大、高危險性、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]，實驗教學(xué)往往側(cè)重于工作原理與圖像的分析處理，而實地見習(xí)往往是以“圍觀式”開展教學(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題，進而影響實驗教學(xué)效果。

　　為克服上述問題，國內(nèi)很多高校已開展了關(guān)于醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的虛擬仿真實驗的研究與應(yīng)用[2-5]。仿真實驗主要有軟硬件結(jié)合與純軟件兩種形式。軟硬件結(jié)合包括硬件、軟件兩個部分，其中一部分作為控制，另一部分作為仿真對象，優(yōu)點在于虛實結(jié)合，有效地降低了成本。例如，齊現(xiàn)英等[2]采用上位機軟件控制單片機系統(tǒng)，以硬件形式模擬了X線機的旋轉(zhuǎn)陽極啟動、燈絲預(yù)熱和曝光過程;費杰等[3]采用單片機系統(tǒng)控制上位機，以軟件形式模擬了DR虛擬模型的動作，如各軸的平移、旋轉(zhuǎn)運動、燈絲預(yù)熱、曝光等。但該方法的缺點在于，實驗系統(tǒng)的升級換代往往需要配備新的硬件設(shè)備，需要額外的開銷。因而，有研究者就純軟件的虛擬仿真實驗進行了設(shè)計，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)計的信息化CT虛擬仿真平臺就以純軟件的形式，在虛擬場景中將設(shè)備結(jié)構(gòu)、掃描過程、圖像形成過程等動態(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驗條件，提高了教學(xué)效果，但大多針對設(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)計了一種新的CT虛擬仿真實驗系統(tǒng)，一方面為學(xué)生提供了實驗條件，觀察與控制CT;另一方面通過實驗過程記錄，用于其操作規(guī)范考核與成績評定。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計

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

　　2 開發(fā)流程

　　2.1 3D模型建模

　　Unity3D僅支持簡單的、規(guī)則的模型，如長方體、球體、圓柱體等，但針對復(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對所需模型建模、上色、貼圖、修正坐標系等，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)建虛擬場景后，以模塊化思想編寫腳本，以實現(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。為將鼠標的功能復(fù)用，即漫游與設(shè)備控制均由鼠標完成，將鼠標設(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。

　　通過上述交互操作，將CT設(shè)備的結(jié)構(gòu)、細節(jié)特征與控制過程向?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)置鼠標功能，控制主相機的位置與旋轉(zhuǎn)角度。具體為：鼠標左鍵設(shè)置相機旋轉(zhuǎn)角度;鼠標滾輪設(shè)置相機深度位置;鼠標右鍵切換工作模式。具體流程如圖3所示。其間通過Input.GetMouseButtonDown判別鼠標左、右鍵單擊事件;利用左鍵調(diào)整視角的角度，保持左鍵按下狀態(tài)下移動鼠標改變主相機的旋轉(zhuǎn)角度(若鼠標前后拖動，則相機繞X軸上下旋轉(zhuǎn);若鼠標左右拖動，則繞Y軸左右旋轉(zhuǎn));利用右鍵實現(xiàn)模式切換，比如，切換為設(shè)備控制模式，調(diào)制好視角后，保持當前視角狀態(tài)，鼠標功能用作控制;利用Input.GetAxis("Mouse ScrollWheel")判別鼠標滾輪調(diào)整方向(正、負)，將上述方向乘以一個預(yù)設(shè)的步長從而改變相機在Z軸上的位置，即深度。

　　2.2.2 CT展示。CT展示的內(nèi)容主要包括兩個方面：設(shè)備內(nèi)部工作過程與關(guān)鍵組件結(jié)構(gòu)細節(jié)。為觀察內(nèi)部工作過程，利用GetComponent().materials[1].color修改CT主機外殼透明度，效果如圖4所示。此外，為將關(guān)鍵組件(X線管、探測器、滑環(huán))展示出來，利用動畫將關(guān)鍵組件從CT中拆解出來，效果如圖5所示。

　　2.2.3 CT操作。CT操作包括兩個部分：調(diào)整床位;調(diào)整CT主機倒角。在本實驗系統(tǒng)中，利用鼠標模擬操作者，單擊CT的控制按鍵進而實現(xiàn)CT操作。其原理是用鼠標發(fā)出射線(Ray)檢測設(shè)備的控制按鍵對象(需要添加碰撞體屬性)，利用對象名稱執(zhí)行相應(yīng)的操作。其中，CT操作是將移動與旋轉(zhuǎn)相結(jié)合，以實現(xiàn)調(diào)整床位的位置與CT主機倒角，具體情況如圖6所示。

　　2.3 實驗過程數(shù)據(jù)管理

　　SQLite是一種輕型數(shù)據(jù)庫，其具有如下特點：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))，同時支持多種編程語言(如C、C+++、C#、Python等)。因而，本系統(tǒng)采用SQLite記錄用戶的實驗過程。

　　具體過程為：數(shù)據(jù)庫為每個用戶創(chuàng)建一個表，表中記錄其實驗過程;定義表的字段，包括DateTime(時間戳)、CurrentAction(指當前操作內(nèi)容，比如，START是啟動設(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(指當前設(shè)備信息，如{(110.02，15.12，13.0)，(0)}，第1個括號內(nèi)容是CT床三維坐標，第2個括號內(nèi)容是CT主機倒角角度);將每次操作的時間、當前操作內(nèi)容、設(shè)備信息插入當前表內(nèi)，比如，顱腦平掃的CT定位實驗過程記錄如表1所示;當完成操作后，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)的準確度對學(xué)生的操作規(guī)范進行考核評價。

　　3 結(jié)語

　　本文采用Unity3D構(gòu)建交互式的虛擬場景，克服了以往CT實驗教學(xué)問題——CT操作內(nèi)容的缺失與學(xué)生實驗參與度低。此外，本系統(tǒng)具有以下突出特點：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)細節(jié)與實驗過程直觀呈現(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，相比于軟硬件結(jié)合的系統(tǒng)在優(yōu)化與升級上具有一定優(yōu)勢;可以進行實驗過程數(shù)據(jù)管理，應(yīng)用效果較好。根據(jù)實驗過程記錄結(jié)果及具體分析，該系統(tǒng)可自動對照操作規(guī)范進行考核，有助于教師分析學(xué)情，有助于學(xué)生自主總結(jié)。因而，本實驗系統(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)，為實踐性實驗提供了新方法。

　　參考文獻：

　　[1]于毅，楊楠，任瓊瓊，等.醫(yī)學(xué)影像虛擬仿真實驗平臺建設(shè)探索[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2018(12)：193.

　　[2]齊現(xiàn)英，魯雯，韓豐談，等.虛擬仿真教學(xué)在《醫(yī)學(xué)影像設(shè)備學(xué)》教學(xué)中的研究與應(yīng)用[J].中國醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志，2012(1)：3208-3210.

　　[3]費杰，魯博洋，唐鶴云，等.基于Unity與單片機的DR可交互仿真教學(xué)工作站的設(shè)計與應(yīng)用[J].實驗室研究與探索，2019(8)：110-113.

　　[4]胡智慧，朱錢成，胡俊峰.仿真數(shù)字胃腸機的設(shè)計與實現(xiàn)[J].中國醫(yī)療設(shè)備，2016(1)：45-47.

　　[5]許海兵，沈孝翠，李偉，等.基于信息化CT虛擬仿真平臺的設(shè)計與實現(xiàn)[J].醫(yī)療裝備，2018(17)：24-27.

　　[6]丁毓峰，徐鑫，閔新普，等.基于Unity3D的機電產(chǎn)品虛擬拆裝實驗系統(tǒng)[J].實驗室研究與探索，2020(3)：118-122.

　　推薦閱讀：虛擬仿真實驗論文發(fā)表什么期刊