费 杰， 鲁博洋， 唐鹤云， 胡俊峰

(徐州医科大学 医学影像学院，江苏 徐州 221004)

0 引 言

目前，直接数字平板X线成像系统(digital radiography，DR)成为广泛使用的医学影像检查手段之一[1]，国内大多数医学院校都将医学影像设备相关课程作为教学重点。由于医院影像设备机房工作负荷普遍较重，加之机器设备学生单独操作存在设备损坏及辐射风险，因此医学生在医学影像设备相关课程见习时存在资源短缺、难以操作等缺陷。现有仿真教学设备普遍存在体积庞大、造价昂贵、实际操作性不大等弊端。因此，仿真教学设备的小型化、网络化、多功能化的发展具有非常重要的意义。

根据仿真医学影像设备的发展现状和实际要求[2-3]，利用3D-max软件制作DR的三维模型并导入Unity软件中，单片机组成的外部操作装置与计算机Unity软件进行串口通信，能够实时控制DR设备模型做出相应动作，完全复制设备的基本结构、工作与操作原理，进行规范的操作、摆位等操作训练。同时，利用VB6.0模拟设计的DR操作界面，模拟病人信息录入、拍摄部位、参数选择、图像拍摄、影像处理等全过程的操作训练，既可以完全呈现设备教学内容，同时能够进行实时模拟操作训练，达到省时高效、无任何辐射风险、可重复多次仿真训练的目的。

1 总体结构

仿真教学工作站由硬件与软件两部分组成，总体结构如图1所示。硬件部分为单片机最小系统(STC89S52)、旋转电位器、开关按键、数模转换器(ADC0809)等组成的外部操作装置。软件部分包括显示DR三维演示模型的上位机Unity软件、DR设备操作系统。外部操作装置与上位机Unity软件通过串口通信模块(MAX232)实现通信，从而控制DR三维模型作出响应，进行互动式仿真教学训练操作。

图1 总体结构图

2 工作站硬件设计

仿真教学工作站硬件部分主要由单片机控制[4]、模拟输入、模数转换、串口通信和电源等模块组成,电路如图2所示。

图2 最小单片机系统与采集部分

STC89S52[5]是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8KB系统可编程Flash存储器。与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

模拟输入模块由多个按键开关和电位器组成， 主要功能是通过操纵按键开关与旋转电位器来控制Unity软件中的DR模型做出相应动作，包括控制DR照射野开启、关闭及照射野范围，控制DR多轴运动、工作状态演示等功能。同时，模数转换模块[6]将多路模拟输入进行转换，并把转换的数字数据通过端口传送给单片机控制模块。

MAX232芯片是专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5 V单电源供电。串口通信模块能够满足RS-232串口电压，使得单片机与上位机可以正常通信[7]。单片机控制模块对数据进行分析处理后，通过串口通信模块实现与上位机演示模型通信,串口通信模块电路如图3所示。

图3 串口通信模块

3 工作站软件设计

3.1 上位机设备演示模型

本仿真教学工作站的设计参数3临床一线标准的DR实体，利用3D-max软件制作三维模型，如图4所示。将三维模型按照功能结构进行模块化分割后转换为FBX格式导入至Unity软件中。在Unity环境中[8]，通过编写Scripts代码驱动3D模型显示DR的基本运动工作流程，主要包括机架运动、机头旋转、旋转阳极启动、灯丝预热、曝光[9]以及人体摆位、照射野开关、大小及角度调节[10-11]等功能。

其中，Head脚本通过射线检测机头距离扫描床、人体模型的距离和区域，从而控制照射野的开关与缩放以及辐射头的运动。同时，通过动作函数实现DR各轴的平移、旋转运动、灯丝预热、曝光等动作。部分代码如下：

public void SetHengZhouXPos(float Value)

{

HengZhou.position = new Vector3(Value, HengZhou.position.y, HengZhou.position.z);

} //横轴左右移动

public void SetHeadRotation(float Value)

{

Head.eulerAngles = new

Vector3(Head.eulerAngles.x, Head.eulerAngles.y, Value);

RotationYText.text = Value.ToString("f0");

} //机头旋转

public void OpenCircle()

{

GameObject parent = Circle.transform.parent.gameObject; parent.SetActive(!parent.activeSelf);

} //照射野开关

public void SetCircleX(float Value)

{

Circle.localScale = new Vector3(Value, Circle.localScale.y, Circle.localScale.z);

} //照射野x缩放

串口通信部分，SerialThreadBinaryDelimited脚本封装了从串口读取数据的方法，利用update语句实时读取从串口接受到的相关数据，调用函数驱动模型动作。部分代码如下：

void Update()

{

byte[] message = serialController.ReadSerialMessage();

if (message == null)

return;

string msg = Encoding.Default.GetString(message);

GetData(msg);

}

3.2 DR设备操作系统

DR设备操作系统部分以VB6.0及Access2012作为开发工具，通过对医院临床真实的DR操作流程及设备操作界面进行1∶1全步骤模拟仿真[12-14]，如图5所示。

整个DR设备操作系统包括患者选择、部位选择、操作界面、以及拍摄图像处理4大部分组成，主要实现的功能有：

(1) 患者信息的选择与录入。能够模拟选择信息库中的患者或手动添加病人信息，包括Date、Time、Name、ID、Accession、Physician、Modality、Desciption、Status等。

(2) 扫描部位选择。精确模拟选择人体各部位及组织(头部、颈椎、肩部、胸椎、腹部、腰椎、盆腔、膝盖、足部等)进行DR扫描。

(3) 操作界面参数设置。包括Patient size、Receptor、Reset Technique、FOV、Auto Position、Current、Ion Chamber、Focal Spot、Cu Fitter、Patient Side、Patient Position等参数的模拟设置或调整。

(4) 拍摄结果处理。拍摄图像的模拟预览、添加标注、图像处理等。

实现以上主要功能的需求与程序的关系：

(1) 患者信息的选择与录入。Adodc控件、调用Access数据库等。

(2) 患者拍摄部位的选择。treeview控件及if函数的组合等。

(3) 操作界面的参数设置。下拉菜单、复选框等控件及相关代码等。

(4) 图像的预览与处理。直接调用Access数据库中的图像、图像处理代码等。

工作站中所有影像设备资料、图像数据均来自于临床一线，依靠医学院校丰富的资源，不仅可以及时更新系统、扩充资源，而且真实的设备资料、影像数据有利于学生在使用时建立正确的认知，有效提高工作站的科学性和有效性。

4 实际应用与效果评价

仿真教学工作站设计、建设完成后，向相关专业学生进行推广。同时以2017～2018学年第1学期2015级生物医学工程专业的两个班级共计100名学生作为样本进行分析，班级1(普通组)采用正常教学方式，班级2(综合组)采用仿真工作站与正常教学结合的方式，在时间利用率及考核成绩等方面进行对比分析，验证工作站的实际效果。

(1) 安装与运行成功率。工作站主要利用Unity与VB6.0软件进行开发，安装情况调查，结果显示在实验室机房及学生个人电脑的安装与运行的成功率为100%。

(2) 时间利用率与考核成绩对比分析。见表1按照正常实验课时长为120 min，考虑到乘车来回时间、医院等待时间等影响因素，取7次实验课的实际时间分配的平均值计算时间利用率。同时，计算两个班级相关课程的3次操作考核成绩与期末总成绩平均分进行对比。

表1 时间利用率与考核成绩对比结果

注：等待时间包括等待设备冷却、机房空闲时间等。

由对比结果可见，采用仿真工作站的综合教学模式在实验课的的时间利用率大幅提高，多元化考核成绩反映出的教学效果良好。在医学影像设备相关课程的实验课中使用本工作站，能够有效缓解见习医院的压力，弥补资源不足；作为实验课程中积极有效的课程工具，工作站将实验课程的多个教学目标进行整合统一，有利于教师对学生进行模块化或整体化的DR教学、训练和考核；工作站具有小型化、上手容易等优势，学生可以不限时间空间地随学随练。作为理论课程的补充，学生针对于DR设备的学习目的更加鲜明突出，特色的软硬结合交互式教学训练模式，学生参与度高，学习兴趣更加浓厚，知识掌握更加牢固。

5 结 语

仿真教学实验系统已经成为高校教学、考核、训练辅助的重要途径[15]。本文以DR等医学影像设备实验课教学为研究对象，分析了现有仿真教学设备的劣势，并利用软硬结合的思路，设计了一套基于Unity与单片机的可交互DR仿真教学工作站，该工作站包含了从DR的结构认知、功能原理、实际互动操作训练到DR操作系统的全过程模拟，实现了DR一站式全过程仿真，通过分析工作站使用效果的对比数据，在有效提高实验课时间利用率的同时，对学生理论实践知识的掌握具有积极作用，能够满足正常的教学实验要求。在其他影像学设备及医疗设备中可同原理建立一套完整的仿真训练系统，供类似实验课程仿真平台借鉴。