武杰，任怡洁，刘乐，汪红志

1.上海理工大学健康科学与工程学院（上海，200093）

2.华东师范大学上海市磁共振重点实验室（上海，200241）

0 引言

医学影像技术是医学技术重要的二级学科，具有很强的实践性、交叉性，是理论更新与知识迭代较快的一个专业，也是理、工、医深度交叉融合的前沿学科。医学影像技术的课堂理论教学与临床实践需要有机融合，理论指导实践，在实践中夯实理论。因此，影像技术本科教育亟须提高学生理论联系实际的能力、分析和解决问题的能力、实践操作的能力、创新及科研能力。因此，医学影像技术实验教学也应该充分利用远程网络和虚拟仿真等现代工具，积极探索课堂理论教学与医院临床实践有机结合的未来教学新模式。

1 基于数值仿真的医学影像技术实验教学建设的必要性

随着国民经济发展与时代进步，对高素质医学影像技术人员的需求越来越高。医学影像设备越来越集成化、智能化，影像设备的操作虽然越来越简单，但对图像质量的控制要求越来越高，这需要操作与维护人员能够及时、准确判断影响图像质量的本质原因，从而保证设备的正常运行，这显然需要相关人才必须对医学成像技术原理有深刻理解。

目前，应用于医学影像技术专业的实验教学软件主要是传统的网络资源库形式，即集成大量的教学资料，主要是以PPT 教学资源、在线测试、动画展示设备结构等，其仿真实验仪具有部分交互功能，但此种交互只是通过调用预存在服务器中的临床影像图片，所显示的是最终结果，无法实现实时动态的展示影像设备数据采集与图像重建过程。所以有必要开发一种基于数值计算的仿真技术，即完全仿真大型影像设备的整个图像产生过程，从最初的原理出发，每一步的采集过程都能可视化，并可进行实时交互，结合设计的实验教程，可以潜移默化将原来晦涩的成像原理以图像、数据等形式予以展示出来。

而基于数值仿真的虚拟模拟技术，仿真的不是表象，而是原理本质，这就需要从基础理论本质上去深刻理解医学影像成像技术的成像原理，也就是说完全用数学公式来阐述各种图像信号的产生过程、数据采集过程以及图像重建过程。如在磁共振实验项目开发中首先需要将各种序列实验的数据采集和处理过程全部用数学公式进行表达，再程序化实现。由于医学影像理论复杂，所涉参数很多，用数学公式来描述全部的成像实验过程，这是数值仿真实验的核心技术之一。

2 医学影像技术数值仿真实验平台搭建

医学影像技术数值仿真实验平台搭建就是模拟真实医学影像教学实验仪器和临床大型影像设备的实际数据采集和图像重建过程，且整个过程做到可视化，其数据量与真实设备数据量基本相同；应用该仿真实验仪进行实操实验教学无需庞大的硬件配套，可获得与小型实验仪和大型临床影像设备相似的实验效果；避免硬件实验仪的高成本和高条件要求；去除了运行成本、电离辐射或者使用条件等的限制，以允许学生自由开放地学习医学影像技术原理以及参数对图像的影响规律；从本质上理解和掌握医学成像原理，为后续的图像质量控制、维修故障判断以及设计开发奠定坚实的理论基础.

采用的是数值仿真模式的医学影像技术实验平台，应该包括DR、CT、小型教学MRI、临床MRI、临床磁共振模型和CT 仿真模型，可支撑硬件实验仪所有的成像原理实训项目，也可支撑影像质量控制相应课程，对影像技术实训课程可部分支撑，该系列仿真实验仪可规避硬件实训平台的不足，运用医学影像成像原理与技术实验平台可实现真正的批量化、规范化的教学实验。

根据医学成像理论采用虚拟扫描技术扫描样本数据，真实再现图像采集过程，相当于真机图像采集过程的仿真再现，从而实现了全参数可调、全过程可视，可以采集任意断面、任意角度的图像数据，从而把枯燥乏味的原理公式转换为生动可视的图像数据，操作者可以任意调节参数来观察各参数对成像效果的影响，再结合相关原理，从而实现从感性认识到理性认识的提升。

3 实验教学项目

在整个医学影像技术数值仿真实验平台下，可以开展很多具体的和医学影像技术相关的实验项目，所有实验项目可以集中在一个系统界面上展开，本文仅以目前已开展的DR 和CT 设备相关的实验项目来举例说明。

与DR 相关的实验项目具体包括：①X 线能谱特性；②DR 场景摆位训练；③X 线剂量与半价层测量；④X 线球管热容量与散热特性测量；⑤成像流程及操作介绍；⑥曝光参数对图像的影响;⑦病人摆位及投影角度对图像的影响；⑧仰卧位腹部与胸部摄影；⑨头部摄影；⑩脚踝部位摄影；⑾可用线对模板开展空间分辨率实验；模拟不同曝光参数、不同源像距（SID）、不同源物距（SOD）对分辨率的影响。整个数值仿真实验界面如图1 所示。

图1 DR 数值仿真实验系统界面Fig.1 Interface of DR numerical simulation experiment system

与CT 相关的实验项目具体包括：①探测器和球管的扫描运动过程，数据动态采集过程；②滤波反投影过程和最终的重建图像效果；③选择使用不同加窗函数滤波器进行反投影重建，观察重建图像效果；④常见伪影等模拟功能；⑤空间分辨率和密度分辨率测试；⑥扫描参数调节以及螺旋/ 常规扫描的设置；⑦针对数字人模版不同倾斜角度的单幅或多幅CT 数据采集和图像重建效果等。整个数值仿真实验界面如图2 所示。

图2 CT 数值仿真实验系统界面Fig.2 Interface of CT numerical simulation experiment system

4 总结与展望

医学影像是当前医生进行诊断的主要依据，高素质医学影像技术人才可以为临床提供更加快速与准确的图像数据，为疾病的早发现早治疗，提供必要的诊断基础。以往仅依靠设备真机或模型仅能满足设备结构或操作的实训教学，很难帮助学生理解抽象的原理，通过动画等固定模式的教学资源讲解又缺乏互动性，基于数值仿真的医学影像技术实验教学模式，可实现清晰、精确、科学定量的教学，将教学设计与互动还给教师和学生，可以根据学生学习情况更自主地进行调整和设计，体现了教学的交互性和自主性。