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包头医学院学报２０１９年４月第３５卷第４期 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＢａｏｔｏｕＭｅｄｉｃａｌＣｏｌｌｅｇｅꎬＡｐｒꎬ２０１９ꎬＶｏｌ.３５ꎬＮｏ.４
【教学与管理】
ＣＴ原理展示与仿真操作与模拟诊断实验
教学系统的设计与实现∗
黄 磊１ꎬ胡慧娴１ꎬ徐晓燕２ꎬ张 云１ꎬ徐争元１ꎬ高春芳１ꎬ徐３ꎬ何玉萍３
２.皖南医学院医学影像学院影像学实验中心ꎻ３.皖南医学院医学影像学院生物医学工程专业)
[摘 要] 该文设计了一种既可直观展示计算机断层(ＣｏｍｐｕｔｅｒＴｏｍｏｇｒａｐｈｙＣＴ)成像的基本原理又可模仿其检查技术规范要点ꎬ同时帮助学生理解对应ＣＴ典型病例的影像诊断技巧的实验教学系统ꎮ其主要包含一个以ＭＳＰ４３０单片机为核心的硬件平台和一个以ＨＴＭＬ５编写安装在Ａｎｄｒｏｉｄ手机上的ＣＴ模拟诊断ＡＰＰꎮ具有价廉、高效、全面综合的特点ꎬ特别适用于ＣＴ医学影像有关多门课程的实验教学ꎬ具有广泛的市场应用前景ꎮ[关键词] ＣＴꎻ实验教学系统ꎻＡｎｄｒｏｉｄ平台ꎻＭＳＰ４３０ＤＯＩ:１０.１６８３３/ｊ.ｃｎｋｉ.ｊｂｍｃ.２０１９.０４.０５０
(１.皖南医学院医学影像学院医学工程学教研室ꎬ安徽芜湖２４１００２ꎻ
ＤｅｓｉｇｎａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆＣＴｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｔｅａｃｈｉｎｇｓｙｓｔｅｍｏｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅ
ｄｉｓｐｌａｙａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｐｅｒａｔｉｏｎａｎｄｉｍｉｔａｔｉｏｎｄｉａｇｎｏｓｉｓ
ＨＵＡＮＧＬｅｉ１ꎬＨＵＨｕｉｘｉａｎ１ꎬＸＵＸｉａｏｙａｎ２ꎬＺＨＡＮＧＹｕｎ１ꎬＸＵＺｈｅｎｇｙｕａｎ１ꎬＧＡＯＣｈｕｎｆａｎｇ１ꎬＸＵＷｅｎｑｉａｎ３ꎬＨＥＹｕｐｉｎｇ３
(１.ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＭｅｄｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｄｉｃａｌＩｍａｇｅꎬＷａｎｎａｎＭｅｄｉｃａｌＣｏｌｌｅｇｅꎬＷｕｈｕ２４１００２ꎬＣｈｉｎａꎻ
２.ＩｍａｇｉｎｇＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔＣｅｎｔｅｒꎬＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｄｉｃａｌＩｍａｇｅꎬＷａｎｎａｎＭｅｄｉｃａｌＣｏｌｌｅｇｅꎻ３.ＢｉｏｍｅｄｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｄｉｃａｌＩｍａｇｅꎬＷａｎｎａｎＭｅｄｉｃａｌＣｏｌｌｅｇｅ)
ＡＢＳＴＲＡＣＴ ＴｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｓａｄｅｓｉｇｎｏｆＣＴｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｔｅａｃｈｉｎｇｓｙｓｔｅｍꎬｗｈｉｃｈｃａｎｖｉｓｕａｌｌｙｄｉｓｐｌａｙｔｈｅｂａｓｉｃｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒＴｏｍｏ￣ｇｒａｐｈｙ(ＣＴ)ａｎｄｉｍｉｔａｔｅｉｔｓｓｉｍｐｌｅｃｈｅｃｋｔｅｃｈｎｉｃａｌｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓꎬａｎｄｈｅｌｐｓｔｕｄｅｎｔｓｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｔｈｅｉｍａｇｉｎｇｄｉａｇｎｏｓｔｉｃｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｏｆｔｙｐｉｃａｌＣＴｃａ￣Ａｎｄｒｏｉｄｍｏｂｉｌｅｐｈｏｎｅ.Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｈａｓｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｌｏｗｃｏｓｔꎬｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｓｙｎｔｈｅｓｉｓꎬｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｅｘｐｅｒｉ￣ＫＥＹＷＯＲＤＳ ＣＴꎻＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｔｅａｃｈｉｎｇｓｙｓｔｅｍꎻＡｎｄｒｏｉｄｓｙｓｔｅｍꎻＭＳＰ４３０
ｓｅｓ.ＩｔｍａｉｎｌｙｉｎｃｌｕｄｅｓａｈａｒｄｗａｒｅｐｌａｔｆｏｒｍｂａｓｅｄｏｎＭＳＰ４３０ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒａｎｄａｎＡＰＰｗｒｉｔｔｅｎｉｎＨＴＭＬ５ａｂｏｕｔＣＴａｎａｌｏｇｄｉａｇｎｏｓｔｉｃｉｎｓｔａｌｌｅｄｏｎｍｅｎｔａｌｔｅａｃｈｉｎｇｏｆｍｕｌｔｉｐｌｅｃｏｕｒｓｅｓａｂｏｕｔＣＴｍｅｄｉｃａｌｉｍａｇｉｎｇ.Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅꎬｉｔｈａｓｂｒｏａｄｍａｒｋｅｔａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｓｐｅｃｔｓ.
ＣＴ成像原理、检查技术要点及影像诊断等有关知识与技能是医学影像(甚至可以说所有医学)专业学生必备知识和基本技能ꎬ但缺乏实验教学一直是其痛点所在[１]ꎮ多年来为解决这个痛点问题ꎬ国内外同行做了很多探索和尝试:有利用改装医院临床ＣＴ设备及配套的ＰＡＣＳ系统[１－３]作为实验载体开展实验见习并配套讲解ꎬ其优点在于设备功能完善但缺点是试验次数及时间受限而无法推广ꎻ基于单片机自主研发的ＣＴ教学实验仪器为平台开展有关ＣＴ实验原理及简单图像处理类实验项目
[４－５]
述设备实验功能的基础上虽提高了其使用安全性ꎻ但仍无法开设ＣＴ检查技术要点及影像诊断类实验项目而了其在医学院校的使用推广ꎻ还有利用各类编程语言自编软件仿照真实临床ＣＴ设备的参数设置和工作流程的操作界面来开设有关实验项目[６－７]ꎬ其优点是可帮助成像原理及影像诊断类实验项目的开设ꎮ
本文研制了一个可将ＣＴ成像原理知识、检查技术操作要点、影像诊断三个既相互又相互关联的过程直观展示出来并可反复多次实验的综合性ＣＴ实验教学系统ꎮ其主要包含以ＭＳＰ４３０单片机为核心可用于演示ＣＴ成像原理与检查技术要点的ＣＴ教学硬件模型和以ＨＴＭＬ５编写可安装在Ａｎｄｒｏｉｄ手机上的ＣＴ仿真操作与模拟诊断软件ＡＰＰ或以网页版形式供个人电脑终端打开ꎮ具有价廉、无辐射、高效、全面综合等特点ꎬ特别适用于ＣＴ医学影像有关多门课程的实验教学ꎬ具有广泛的市场应用前景ꎮ１ 综合性ＣＴ实验教学系统总体结构
医学生熟悉ＣＴ设备参数及工作流程但缺点是无法演示
基础上大幅降低实验成本支出但缺点在于ＣＴ检查技术要点及影像诊断类实验项目无法开设ꎬ同时实验参与人员有受辐射风险ꎬ针对这类实验设备的缺点有研究人员开发出利用光学射线源的互动ＣＴ教学系统ꎬ在完成上
∗基金项目:２０１６年安徽省省级质量工程项目(２０１６ｘｎｚｘ０３７ꎬ
２０１６ｚｙ１３１).２０１７年度安徽省省级质量工程项目(２０１７ｊｙｘｍ０２７２)２０１７年度安徽省教育厅自然科学基金重点项目(ＫＪ２０１７Ａ２５９)
ꎬ其优点在于可完成ＣＴ成像原理类实验的
包头医学院学报２０１９年４月第３５卷第４期 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＢａｏｔｏｕＭｅｄｉｃａｌＣｏｌｌｅｇｅꎬＡｐｒꎬ２０１９ꎬＶｏｌ.３５ꎬＮｏ.４
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根据医学ＣＴ实验教学有关基本核心要求及国内外同行的有关成功经验ꎬ本文提出一种基于Ａｎｄｒｏｉｄ手机或者个人电脑的ＣＴ仿真操作与模拟诊断软件ＡＰＰ并通过ＮＲＦ２４Ｌ０１无线模块收发简单控制指令和基于ＭＳＰ４３０微处理器控制模块为核心的ＣＴ教学硬件模型相融合的综合性ＣＴ实验教学系统ꎬ其不仅可开设«医学影像物理»、«医学影像设备»、«医学影像技术»、«医学影像诊断»等单门课程所涉ＣＴ有关实验教学ꎬ更重要的是可开设以典型病例为导向的ＣＴ有关综合类实验项目ꎮ其系统总体设计框图如图１ꎮ
览、简单标定及模拟诊断报告的撰写－０７对应专家诊断报告抓取及下载－学生用户通过对比０６及０７报告差别ꎬ找出差距及原因ꎬ逐步提高自己的ＣＴ影像诊断思路及技巧”ꎮ其中学生用户在０２步骤选择的扫描部位除了在软件页面激发后续０３模拟操作的同时会通过无线模块收发指令去控制ＣＴ教学硬件模型中的扫描床及其上的模拟人做出与被选部位对应的进动距离及对应正确检查体位(比如选择颅脑部和胸部时二者的进动距离及检查体位肯定不同)ꎻ０４步骤除了在软件页面激发后续０５被选典型病例图像抓取模拟操作的同时会通过图１ 系统总体设计框图
２ 用服务器 ＣＴ图仿真操作与模拟诊断软件１中所示ＡＰＰ功能与设计
ＩＯＳ＋手机客户端及ＣＴ仿真操作与模拟诊断软件Ｂ/Ｓ双架构实现ＡＰＰ采技术架构的分别开发的手机２００８为移动Ｒ２ＡＰＰ作为数据服务端ＷＥＢ应用程序ＡＰＰꎬ以及ＨＴＭＬ５ꎬ应用提供数据下载及上传服使用基于ꎬ后端采用并提供基于ꎬＨＴＭＬ５为安卓和为ＩＩＳＭＳ的ＨＴＴＰＳＱＬＳｅｒｖｅｒ
服务务ꎬ其软件工作流程如图２所示:
图２ 仿真操作ＡＰＰ工作流程图
扫描设备操作界面布局及按钮排版 ＡＰＰ软件所有界面全真模拟西门子公司ꎬ学生用户通过上述３２排ＣＴ
模拟操作ＣＴ检查的六个主要工作流程“０１新病人信息录入－０２扫描部位按钮选择－０３数据库中被选部位定位片抓取－０４被选部位正式扫描参数选择及确定－０５数据库中被选部位典型病例图像抓取－０６图像显示浏
无线模块收发指令去控制安装在扫描机架上与被选部位扫描参数设置对应的可见激光灯组(比如被选部位是颅脑部时是红色激光灯带转动而被选部位时则是黄色激光灯带转动)按序围绕扫描床上模拟人的被选检查部位作ＣＴ０°、４５°、９０°、１３５°规典型病例数据库的调取能和后续硬件模型系统的有成像原理ꎮ本研究为了仿真教学系统内附的四个角度的灯光闪烁来直观演示ＣＴ常关控制动作能很好的对应且相对容易实现ꎬ将０２操作步骤中ＣＴ常规典型病例检查扫描部位限定为颅脑部、
头颈部、胸部、上腹部、下腹部、脊柱、四肢七个部位ꎬ所以内附的常规典型病例ＣＴ影像及专家诊断报告也是按这七个部位进行分类和整理的ꎮ从而可以保证学生用户可以通过仿真操作ＡＰＰ对应界面及按钮来熟悉临床医院ＣＴ检查的主要工作流程及检查技术要点ꎬ并综合考虑对应病例的ＣＴ成像原理辅以ＣＴ诊断专家撰写的诊断报告让学生通过多次实验来反复比对、反思自己所写模拟诊断报告和专家诊断报告之间的差异来逐步提高自己的ＣＴ诊断思路ꎮ
３ ＣＴ原理与检查技术要点展示硬件模型功能与设计３.１ ＣＴ基本核心原理概述 与临床ＣＴ医学成像有关的最基本核心原理可概括为以下三点Ｘ(射线透过不同组织器官(:１.理想单能窄束法后对应多用衰减系数ＣＴ图像的亮暗差异μ值大小表示介质()ꎬ)对比度经过特定图像处理算时其衰减程度有差异)ꎻ２.衰减系数μ值既是组织种类的函数又是ＣＴＸ射线能量的函数ꎻ因为与可能含有不定数目的人体组织影像中最小像素对应的是患者被检层面中的体素中ꎬ所以实际ＣＴ图像像素对应衰减系数μ值其实是体素内所有组织成分衰减系
数μ值的平均值ꎬ要想拍出最利于诊断的ＣＴ影像必须针对患者患病部位的断面解剖ꎬ患病部位的生理、病理改变选择最合适Ｘ射线能量强度(与产生ｘ射线的管电压ꎬ管电流等参数关联紧密)及投射角度(拍摄时的体位选择()才能做到ꎻ３.ＣＴ图像重建的反投影法例其示意图如图设μꎬ以四体素１＝１ꎬμ２＝２ꎬμ３所示３＝３ꎬμꎮ
４＝４)矩阵的反投影重建为１１４
包头医学院学报２０１９年４月第３５卷第４期 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＢａｏｔｏｕＭｅｄｉｃａｌＣｏｌｌｅｇｅꎬＡｐｒꎬ２０１９ꎬＶｏｌ.３５ꎬＮｏ.４
块给ＣＴ实验教学系统硬件平台的控制器ＭＳＰ４３０发出对应控制指令ꎮ使硬件平台能做出与上述被检部位对应的扫描床进动距离ꎬ驱动对应颜色的发光二极管发光ꎬ围绕模拟人做前述四个角度的对应扫描原理展示动作ꎮ其无线通信程序流程图如图４所示ꎮ
图３ 四体素矩阵的反投影法示意图
３.２ ＣＴ硬件模型功能与设计 如何才能将３.１中ＣＴ医学成像的三个最核心基本原理与ＣＴ有关课程实验教学需要的直观演示、无辐射、价廉、可综合等实际需求结合起来是该ＣＴ硬件模型设计时必须考虑的重中之重ꎮ本课题组结合自身ＣＴ有关课程实验教学体会及前述最主要需求最终确定ＣＴ硬件模型应具有下列基本特点与功能才能取得理想的实验教学效果 :
即应有 １.必须有和真实“定子”和“转子ＣＴ”两部分组成的扫描机架和能设备基本类似的外部构型ꎬ自由进动和转动的扫描床ꎬ给学生最佳的仿真操作体验和实验代入感 ꎻ
操作软件中扫描参数设置同步对应并精准运动 ２.扫描床的进动距离和转动的方式必须能和仿真ꎬ其控制指令的收发对应软件操作中的０２步骤ꎮ只有这样才能让学生将不同检查部位的检查技术要点和对应临床工作流程结合起来ꎬ帮助理解不同体位选择对ＣＴ图像的影响 射可见激光的灯带 ３.“转子ꎻ
”中必须含能模拟ꎻ因患者有颅脑部Ｘ射线发射源的可发、头颈部、胸部、上腹部、下腹部、脊柱、四肢七个检查部位待选ꎬ而且不同的检查部位其所对应照射的Ｘ射线源能量也对应有差异ꎮ所以“转子”中应该包含“红、橙、黄、绿、青、蓝、紫”七种可见激光灯带与之对应直观演示ＣＴ核心成像的前两个核心原理ꎬ其控制指令的收发对应软件操作中的０４步骤ꎮ从而帮助学生理解上述成像原理及患病部位的病理 、生理改变对ＣＴ查部位作 ４.“转子０°、４５°、９０°、１３５°”部分应围绕扫描床上模拟人的被选检图像灰度的影响ꎻ四个角度的对应颜色激光闪烁来直观演示ＣＴ图像重建的反投影算法ꎬ帮助学生理解ＣＴ图像重建的方法及焦平面是否对准对ＣＴ图像的对比度有非常大的影响ꎻ
４ 件平台和硬件平台的连接 综合性控制器ＣＴＭＳＰ４３０实验教学系统的无线通信平台外接ｎＲＦ２４Ｌ０１ꎮ仿真软件操作软件无线模块实现软ＡＰＰ在选择具体扫描部位时除了给软件本身内嵌的典型病例数据库发出指令准备调出对应被检部位的典型病例图片及专家诊断报告的同时会通过ｎＲＦ２４Ｌ０１无线模
图４ 无线通信中断控制程序流程图
５ 核心的 结论
本研究设计了一种包含一个以ＣＴ原理与检查技术要点展示硬件平台和一个ＭＳＰ４３０单片机为以Ｊａｖａ语言编写安装在Ａｎｄｒｏｉｄ手机上的ＣＴ模拟诊断ＡＰＰ组成的ＣＴ仿真实验教学系统ꎬ其既可满足ＣＴ有关单门实验课程教学所需又可开设将ＣＴ成像原理知识、检查技术操作要点、影像诊断三个既相互又相互关联的过程直观展示出来的开放性、综合性实验课程ＣＴꎮ具有价廉场应用前景医学影像有关多门课程的实验教学、高效、全面综合的特点ꎮꎬ具有广泛的市ꎬ特别适用于参考文献
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(收稿日期:２０１８￣１２￣２０)