基于網絡的超聲影像學虛擬學習系統的設計

袁藝標+葉新華+黃華興+李奧

（1.南京醫科大學 基礎醫學國家級虛擬仿真中心，江蘇 南京 210029；2.南京醫科大學 第一臨床醫學院，江蘇 南京 211166）

摘要：本文分析了超聲影像學教學的特點與現狀，介紹了當前國內外超聲教學系統的特點；提出采用工程學的理念進行構建，以自主學習理論為指導，將系統設計分為超聲室三維漫游、超聲儀器虛擬操作、虛擬人體超聲檢查、超聲虛擬病人庫、在線考核及超聲資源庫等功能模塊，闡述了系統構建的意義。

關鍵詞：超聲影像學；虛擬現實；自主學習

中圖分類號：G423 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）52-0094-03

一、現狀

超聲診斷作為三大醫學影像技術之一，在臨床診治疾病中發揮著重要的作用。在超聲影像學教學中，由于超聲診斷的基礎知識涵蓋范圍廣，知識點涉及物理學、聲學、數學、工程學等多門學科，公式繁雜且相互交叉，教師授課難度較大，學生理解比較困難；另一方面，由于超聲診斷疾病時強調實時、連續、多切面、多角度、多模式、多參數動態觀察病變的特征，而目前超聲影像學的教學模式仍是基于書本式的教學模式，內容抽象、形式單調，雖然在課堂教學時采用幻燈片，里面包含一些典型的疾病影像圖片，但學生課后的學習主要還是通過書本上的文字進行學習的，針對超聲教學內容的考試，也還是主要依賴的是文字內容的考試。因此，如何將枯燥的教學過程變得生動形象，調動師生雙方的積極性是目前超聲影像學教學面臨的重要問題。

隨著計算機和信息技術的快速發展以及高等教育的逐步完善，計算機在教育領域的應用日益廣泛而深入，引起醫學教育的傳統觀念和教學模式發生了前所未有的變革，極大地促進了醫學教育事業的發展[1]。在超聲影像學的教學改革中，國內外諸多影像專業教育工作者積極探索，將現代的多媒體技術應用于超聲影像學的教學中，成功研發出一些超聲多媒體教學軟件，并通過實踐取得了較好的應用效果。但是，大部分超聲教學軟件是局限在局域網內，甚至于單機版，功能較為單一，而且，目前國內外在超聲教學系統的研發中尚沒有加入超聲仿真操作部分，即借助于多媒體仿真和虛擬現實等技術，使實驗者可像在真實環境中一樣進行各系統超聲檢查，所以，構建一個網絡化的虛擬超聲影像學教學系統很有必要。

二、系統設計

1.系統架構。超聲影像學虛擬學習系統是一個基于網絡的醫學專業虛擬仿真學習軟件，系統研究思路是結合所涉及的醫學專業特點，采用軟件工程的理念進行構建，首先進行需求分析，明確系統功能定位與結構模塊，再進行詳細設計與開發。超聲影像學虛擬學習系統是網絡化學習平臺，可用于超聲影像學的虛擬自主學習與教學，系統的總體架構采用服務器/客戶機模式，服務器主要用于存儲數據庫及其相關資源，進行授權認證、數據管理，客戶機通過網絡及其通訊協議與服務器進行數據交互和各模塊功能顯示。超聲影像學虛擬學習系統既可以在校園網上獨立運行，又可以與學校E-Learning平臺整合，融入課程學習，并且可以在校外公共網絡上通過合法認證后，登錄學習（圖1）。

2.開發平臺。超聲影像學虛擬學習系統中涉及大量三維場景、三維模型，并需要在三維環境中，進行角色控制、三維交互，依據需求選擇Unity3D游戲開發引擎作為三維模塊的開發工具。Unity3D降低了開發的難度，提高了開發效率，是目前最受熱捧的游戲開發引擎之一，近來被廣泛應用于虛擬平臺開發中[2]。Unity3D能夠導入3dMax中的場景、模型、貼圖、動畫等資源，與3dMax實現完美融合。Unity3D擁有可視直觀的游戲編輯環境，支持JavaScript、C#等腳本語言，Unity3D降低了開發的難度，提高了開發效率，配合圖文、音視頻及動畫可實現較強的三維體驗感，極大激發學生的學習興趣。超聲影像學虛擬學習系統中非三維模塊主要采用Microsoft.NET平臺進行整合開發，系統開發從需求分析到詳細設計，再到功能分解、接口定義，再到功能開發；在虛擬實驗的設計時先制定稿本流程，再制作相關3D模型，制作分步動畫，再到程序編寫；再系統整合測試運行，之后根據反饋再對系統進行微調，最后發布運行。

3.模塊設計。超聲影像學虛擬學習系統從自主學習理論出發，以學習者為中心，進行系統構建，能激發學生學習的主觀能動性[3]。超聲影像學虛擬學習系統將課程學習過程中，學生感興趣、迫切需求的知識面進行提取梳理，并以此進行系統的模塊劃分，同時配套拓展相關臨床學習資源，以滿足更高要求學生的學習需求，系統包含超聲室三維漫游、超聲儀器虛擬操作、虛擬人體超聲檢查、超聲虛擬病人庫、在線考核及超聲資源庫等模塊（圖2）。

超聲室三維漫游模塊是按照醫院超聲科的真實布局，進行數字化的三維超聲室場景構建，熱區設置，三維交互程序設計。本系統構建的三維場景包含超聲預約登記臺、候診大廳、超聲檢查室、診室外等候區（室外走廊）、醫生辦公室等，每個場景均參考醫院真實工作環境布置。三維漫游模塊可以讓學生在三維空間里，熟悉科室結構分布，功能分區。每個場景中所需傳授的知識點，通過構建熱區的方式，讓學生進行自主漫游式學習。三維漫游模塊可以讓學生在進入實習前，提前熟悉醫院超聲科真實環境、了解工作設備及相關注意事項等情況，在傳授相關知識同時，也滿足學生的早接觸臨床實習的需求、激發學生學習興趣。三維漫游模塊亦可服務于患者，患者在進行三維空間漫游時，通過三維空間的熱區，了解超聲診斷的就診流程、注意事項，解除了患者的就診困擾。

超聲儀器虛擬操作模塊通過構建超聲儀器的三維模型，設計交互式的虛擬操作程序，虛擬使用超聲儀。該模塊用于虛擬訓練超聲儀器的模擬參數變化、規范標準的超聲圖像獲取、測量、分析等方面的操作及相關注意事項的處理。解決實踐教學中，學生多而超聲儀器資源相對不足，學生難以滿足操作訓練需求的問題，學生可以不受時間、場所、設備等限制，隨時隨地進行反復練習。

虛擬人體超聲檢查模塊通過三維人體進行模擬檢查，當檢測探頭移動到人體相關檢查部位時，檢查儀器屏幕即顯示該部位的檢查結果，并可分析檢查結果。系統的虛擬人體超聲檢查包含產科、婦科、肝膽胰脾、腎輸膀、腹腔腫塊及血流、胸水定位、甲狀腺、乳腺、淺表腫塊、睪丸血流、陰囊、頸動脈、椎動脈、上肢動脈、上肢靜脈、下肢動脈、下肢靜脈、腹部血流顱內血管等，基本能做到與臨床一致，滿足學生的學習需求。

超聲虛擬病人庫模塊以虛擬病人為中心，構建超聲病例庫，拓展學生學習的寬度與深度。每一個虛擬病人包含病人基本信息、病例摘要、超聲檢查影像資料、超聲檢查報告及檢查分析等部分，學生可以通過虛擬病人庫進行大量案例學習，積累臨床經驗。

在線考核模塊是超聲學在線考核系統，在線考核模塊功能結構包含個人事務、成績查詢、賬號管理、題庫管理、試卷管理、過程管理、成績管理、系統設置等部分，主要用于理論考核。超聲資源庫模塊為學生提供超聲教學視頻、PPT等學習資源，該模塊同時可以與課程中心相互連接，通過教學門戶或數字化校園進行賬號認證。

三、結語

眾所周知，超聲影像學的學生畢業后，不僅需要具備超聲圖像識別的能力，更重要的是需要具備規范標準的超聲圖像獲取、測量和分析的能力，而不是只會背出疾病的影像學表現的文字背誦能力，因此，建立完善網絡化的超聲影像學教學軟件，激發學生對超聲的學習興趣，加深學生對超聲圖像的理解，訓練學生超聲操作技能，不僅是提高教學效果、深化教學改革的需求，更是培養高素質影像醫學人才的重要需求。構建集圖、文、動畫、視頻和聲音為一體的交互式超聲影像學學習系統，并引入仿真操作模塊，將枯燥的教學過程變成生動活潑的教學方式，極大地調動了師生雙方的積極性；將此教學系統整合入學校網絡平臺，學生可在校園網部署內的任何地點進行學習，極大地方便了學生的自主學習。

超聲影像學教學系統未來可以與醫院超聲工作站相連，使學生更好地理解和掌握超聲知識，最大化發揮超聲影像學虛擬自主學習平臺的作用，激發學生的學習興趣，提升學生學習效率，推動實踐教學改革。隨著教育部對虛擬仿真實驗教學中心的建設深入推動，虛擬仿真實驗教學建設是高校實驗教學改革的必然發展方向[4]。

參考文獻：

[1]黃海林，莊文獻，周玉霞，程丕顯.美英教育信息化評估標準對建立我國高等醫學教育信息化評價體系的啟發[J].中國高等醫學教育，2010，（11）：1-2+5.

[2]袁藝標，吳曉燕，戚曉紅，等.基于網絡的虛擬人體機能實驗教學系統研究[J].實驗技術與管理，2016，33（8）：115-118.

[3]王曉靜，宋曉煥.論以學習者為主體的自主學習理論[J].西北大學學報（哲學社會科學版），2012，（05）：183-184.

[4]李平，毛昌杰，徐進，等.開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設提高高校實驗教學信息化水平[J].實驗室研究與探索，2013，32（11）：5-8