医学虚拟仪器技术分析

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医学虚拟仪器技术分析:虚拟仪器技术在医学影像实验课程中的应用及研究

摘要： 在科学技术的不断发展的情况下，逐渐兴起的虚拟仪器技术在我国教育体系中的地位越来越高。本文探讨了该技术在医学影像实验教学中的应用，构建了一个仿真的医学影像技术实验环境，采取人机交互方式实施实验，具有创新性、交互性、智能性、仿真性、开放性和可扩展性等优点。在增强影像技术实验教学效果、提高学生学习兴趣、培养学生操作技能和思维能力等方面取得显著效果。

关键词： 虚拟仪器技术；医学影像技术；课程评价；虚拟实验

1 概述

随着现代医学实验课程的不断发展，传统的医学仪器实验由于场地、维护费用等现实条件的限制，大部分医学院校的实验教学资源都比较匮乏，使得医学实验教学不得不寻求更新的更符合时代要求的实验手段。虚拟仪器技术即在计算机技术、数据库技术与网络技术等支撑下，架构支持真实实验环境的虚拟实验平台。虚拟实验平台形成了一个虚拟环境，在这种环境中进行操作、控制、分析、观察和实验，同时控制真实的实验环境。这一技术有许多的优点，如交互性很灵活、对硬件资源要求不复杂，更简易，因此在实验教学中广泛应用，成为解决可视化知识学习的又一重要媒体技术。而信息技术与学科整合，正是立足于时代的高度。虚拟仪器技术与课程整合，与传统的教学模式不同，在丰富学科知识、优化学生认知、优化课堂教学结构等方面影响比较大。

近年来，在医学类高职院校实验实践教学中，非常强调学生的实际操作和动手能力，所以基于虚拟仪器的实验教学更突出了其优势，因而该技术在医学高职院校的实验教学中得到了进一步发展和完善。

2 医学影像技术传统教学的缺陷

板书教学是医学影像传统教学模式，学生在实验室动手操作实验。医学影像实验教学在学生获取专业知识时具有极大的重要性。它在使学生深入理解理论知识、形成职业岗位能力等方面起到许多积极的作用。传统的实验教学并不完善，还有不少的不足。由于大型影像设备昂贵，验耗材较多，综合性实验和开放性实验无法或很少实现。实验资源有限，不能做到人手一机，分组过大，难以反复训练，造成实验教学难以达到预期效果，严重阻碍了学生能动性和实践能力的培养。

3 医学影像虚拟实验的设计和优势

医学影像技术专业要求学生能够操作大型的影像设备，如CT、MRI等，这些设备价格昂贵，体积庞大，操作使用复杂，需要学生长时间练习操作。一般院校很难满足这些大型设备的教学使用需要，而虚拟仪器技术可以解决和克服这一难题。我们学院和徐州医学院合作，利用计算机仿真、数据库、图像处理、虚拟实现和三维重建等编程技术对现有的影像设备实验教学进行改革，开发了系列化大型医学影像设备CT、MRI、PET-CT仿真操作训练系统。仿真当今主流CT、MRI、PET-CT扫描工作站的常规操作，不需要设备主机，形成相应的仿真工作站，模仿真实CT、MRI、PET-CT扫描工作站的操作流程；从而实现不需要投入大型设备，就能做到学生人手一机进行操作训练，满足学生学习和掌握大型医疗设备扫描操作基本技术的需求。

3.1 虚拟实验的设计理念 在现代信息技术的协助下，将其与传统教学手段结合起来，创建一个模拟的、开放的学习环境，逐步添加新的学习内容。让学生能够自主开放地学习影像技术，可自由选择实验内容，反复操作演练，将个性化学习体现的淋漓尽致。医学影像虚拟实验在解决难以反复训练的困难中发挥了重要的作用。

3.2 虚拟实验的设计思路 利用计算机技术、数据库、图像处理、虚拟现实和三维重建技术，采用Dreamweaver、Flash、.asp, SQL Server完成影像设备医工综合学习网站的设计，形成大型医疗设备仿真训练系统。如仿真CT扫描工作站的常规操作，做到全真模拟当今主流CT扫描工作站的工作流程，定位图像的扫描采用动态出现的方式，与真实CT模式相似，扫描图像与CT机扫描出现方式一样，使用户如同使用真实CT。同时具有强大的图像显示与处理的功能，图像源于CT，界面设计采用与真实CT界面同样的方式，使用户身临其境，在真实CT与本系统之间转换变化感觉不大。

医学虚拟仪器技术分析:医学超声诊断虚拟仪器的探索与开发

摘 要：超声诊断虚拟仪器在设计原理中不断应用了多普勒相干波的测试原理，而且在标配程序中还采用了C++语言的编程代码以及较高配置的硬件设备，使其能够实现远端控制技术以及动态测试分析数据读取的过程。这种技术的发开以及应用在今后医学界有着广泛的应用，对病人的数据信息的读取更加准确。

关键词：超声诊断；多普勒；血液测试；C++语言；远端控制

前言

根据当前的虚拟仪器的测定标准，主要采用超声波回波反射的原理进行数据的读取、信息的采集。其中这种仪器的设定标准是根据电子仪器以及微型计算机的复合应用共同完成的，并且在相关硬件和软件的驱动下仪器的运行才能发挥出原本的功能，使其能够在有效时间内读取信息的有效值。在运行电路数据读取过程中主要完成A/D之间数据的转换，其中在终端设备处完成的是模拟信息的读取然后在传输设备中完成模拟信息向数字信号转化的过程。

1 虚拟仪器系统的相关配置

1.1 软件系统的设定标准

虚拟仪器在软件程序设定标准程序中主要采用了C++的编程模式，使得能有正确读取各种编程语言的操作程序。其中软件系统设定的原始代码如下所示，这种代码的编辑程序，不但能够读取数据在信息采集过程中传输的信令代码，而且还对传输设备中相关数据信息的处理以及分析过程都可以进行细致的分化，使得以不同子列的形式输出至交换设备。在软件运行过程中会根据编程语言代码设定的逻辑结构进行数据运算及数据分析，并且还会根据C++语言设定的交叉性信息的读取进行对上层信息的再次进行分析，使之完成上层信息与下层信息的一致性。其次该编程兼容性较强，打破了传统设备制造厂商专用的循环程序，使得对各种系统都能得到应用，并且读取的有效值失真现象发生的可能性小，确保数据信息的有效性，其次在编辑代码中还融合了检错系统查询能力，在运行过程中出现意外性故障，该程序会自动运行其纠错代码指令，分析其错误报告。

1.2 硬件设备的配置标准

在硬件配置过程中主要考虑数据信息的容量以及输入和输出信息的显示问题，其中在硬件配置过程中加大了对信道传输的容量，使之完成信息的扩增功能。其中在压缩空间上采用了频分和时分共同压缩的模式，使其压缩速度快且信息有效性能高。分为频分压缩和时分压缩，根据传输信息源中频率的不同进行信息代码之间的压缩；其次是时分压缩是根据传输数据信息代码中时隙间的间隔进行有效性的压缩，使之完成有效信息的交换功能。这种双模式结合的形式，能够有效性压缩信息量，增大其传输信道的容量。

不会因信息数据量大造成存储空间小，运转效率达不到预先设定的标准，使其读取信息片面性的丢失现象减少，其次处理器的运行速度每秒能达20万次，传统的处理器的处理数据运算的速度只能达到几万次，使得不能有效性的处理数据之间的运算程序，造成数据逻辑性的差错，使之这种处理运算的速度能够在短时间内完成数据信息交换功能。在信息读取分辨程度上进行了改进分析，显示器的分辨率能够显示出数据处理程度的操作过程，使其能够分析仪器测量的标准动态。

2 虚拟仪器在医学界中的应用

虚拟仪器在实际原理分析应用中主要采用了脉冲回波扫描的动态测试分析以及多普勒相干波的检测。其中在脉冲回波扫描中主要适用于当前的B超的使用，对人体的肝脏结构以及其他器官扫描其空间断面图形。在脉冲回波扫描过程中主要是超声波回波检测的动态分析，其中在数据分析过程中采用了C++设定的编辑程序，使得能够有效的读取人体各个部位相关信息的分析情况。以此检测人体部位是否有病变可能的发生，假设仪器在动态分析过程中分析某部位可能有病变的可能，这种分析的扫描程序会经过软件设备的处理程序进行综合分析，然后再根据编辑代码中的操作命令进行环回综合评定，最后将读取的信息结果显示在显示屏幕上。

其次便是在血液测量中的分析检测，利用多普勒超声波的测试分析原理。其中仪器的感应探头便是发出超声波的感应光源，在人体血液检测过程中，感应探头发出的超声波根据反馈的动态信息进行标准测定，主要是利用不同反馈的波长进行血液中各成分的测量。然后将这种动态分析的标准结果显示出来，最终完成其动态信息评定的标准，在超声检测回波过程中，仪器根据标准人体血液中各组成部分的结构设定光波的波长，然后进行人体内部有效信息的扫描，最终完成数据读取的过程。

3结束语

随着现代信息技术的不断发展，虚拟仪器在技术改进中有了较大的改进，其中在软件和硬件设备中都做出了相应的规划调整。使之能够满足信息评定标准的结果，这种动态测试分析程序的设定，使之确保数据信息的有效性。

作者简介：郑旋（1985，10，16-），女，江西（吉安峡江县），硕士研究生，研究方向：计算机技术。

医学虚拟仪器技术分析:基于虚拟仪器的医学模拟人在临床实验中的应用

摘 要：基于虚拟仪器的医学模拟人仿真系统可以根据用户需求进行模拟病例的诊断，通过模拟大型医学影像设备MRI、CT的临床实践，不仅能为学生提供生动、逼真的实践环境，让学生达到身临其境的效果，而且还可以用虚拟设备和模型替代价格昂贵的实验设备和材料。建构了一个基于虚拟仪器的医学模拟人仿真操作系统，并在相应的临床实验课程中进行了应用。

关键词：虚拟仪器 模拟人 临床实验

目前，在我国临床医学教育中，普遍存在以下几个问题：第一，医学教育对临床实践技能的基本要求，强调能及时、有效地诊断和处理病人。但是，临床实践技能的培养一直是医学教育过程中的薄弱环节；第二，传统的临床实践教学多是通过观察或是重复老师、高年资医生的操作来进行，学习者只能学习到接触过的病例，而对于无法接触到的病例只能通过书本教材去想象。第三，医学临床实验一般使用活体动物较为普遍，但是，随着近年来学生人数大幅增加，学生实际临床实验无法得到保证。

医学模拟人作为一种新的临床实践手段，基本上可以解决以上难题。

基于虚拟仪器的医学模拟人是计算机科学、信息科学和医学相结合的系统。通过云计算数据库技术在医院、学校、教室以及实验室之间建立一个可共享的病例数据库，在客户端实现医学教学、研究和实验的目的。

中国正式开始对模拟可视人的研究，是2001年在北京香山会议上提出的，很快被列入国家“863”启动项目――“数字化模拟人若干关键技术的研究”。由于可视人体研究在与人体形态结构有关的众多研究领域具有重要的理论意义及广阔的应用前景，国内不少学者一直关注着这一研究领域的进展，并利用美国的VHP 数据集进行了卓有成效的研究。如清华大学利用VHP数据集，在基于模拟人体的计算机医学研究方面， 对人体多个器官的结构与功能进行了可视化显示；中国科学院自动化研究所构建了开放的虚拟人体试验平台， 对于数据压缩、图像分割、配准与融合、三维重建与绘制等算法进行了研究。

1 基于虚拟仪器的医学模拟人的构建

在构建基于虚拟仪器的医学模拟人仿真操作系统的过程中，具体完成了如下工作：（1）参照国内主流医学影像设备的操作界面来确定系统的功能和模式，根据相关原理、成像参数、各参数之间的关系及参数的选择对影像质量、显示效果的影响，确定系统的具体功能。（2）根据主流设备的共性，采用模块化设计来确定仿真系统的整体框架，通过编写软件流程图，绘制结构方框图，以达到最优化的仿真效果。（3）确定人体各成像部位图片与软件操作界面及各成像参数之间的对应关系。（4）建立仿真操作系统的影像图片数据库，确定人体各部位影像图片的格式、适用范围、质量要求等。重点研究了图像显示、数据调用、运行速度、仿真效果等要素。

技术要求：确定了模拟软件平台的主界面与从属扫描界面之间的功能链接，数据的调用、显示、保存。探索软件操作过程中与理论知识的结合点或切入点，让学生在牢固掌握论知识的基础上，正确完成各N选项和各项参数的设定，并能顺利保存扫描协议，启动仿真扫描进程；功能模块的选项及参数的设定在符合临床实际的同时，依照常规扫描限定参数的选取范围。并且，各选项和参数之间按照实际情况进行准确的互动和链接。其模拟仿真操作界面如图1所示。

该模拟仿真系统建立后，不仅能为学生提供生动、逼真的实践环境，让学生达到身临其境的效果，而且还可以用虚拟设备和模型替代价格昂贵的实验设备和材料，把具体的实验操作转化为使用鼠标、键盘等对模型的交互操作，可有效降低实验的成本和风险。

2 基于虚拟仪器的医学模拟人在临床实验中的应用

自2013年以来，该校对原来的课程体系进行了优化重组，增加了开设的《医学影像原理与技术》实验课程的学时，在以培养学生的创新精神和实践能力为核心的素质教育方面进行了有益的探索和实践，取得了令人满意的效果。从技术角度提出了《医学影像原理与设备》实践教学中虚拟现实技术选择的应用方案，引进设计了系列化大型医学影像设备CT、MRI、超声等仿真操作训练系统，使得实验环境条件得到很大改善。

经过2年临床实践教学应用，该模拟仿真系统获得师生的肯定。在虚拟仪器的配套仿真软件基础上，实现了临床理论与临床实践教学的有效衔接与互补，拓展了临床实践教学的深度和广度、提高了学生进行仿真实验的实效，同时也尽可能地减少了实验成本和避免了对患者的侵扰。教师在课堂进行理论教学时，利用专业的模拟仿真平台，采用多媒体技术，构建了具有高度真实感、直观性和精确性模拟仿真实验平台，实现了临床理论教学与临床实践教学的有益补充和创新。基于虚拟仪器的模拟人仿真平台除了在模拟MRI、CT大型设备的界面、功能、操作过程上具有高仿真度外，系统还具有参数设定范围限制、必选项规定、智能纠错、自动判断并提示参数及选项错误等特点。在临床实验、实训的同时促进对理论知识的理解和掌握。

该文利用赣南医学院医学影像技术专业和生物医学工程专业的样本数据，分析了基于虚拟仪器的医学模拟人仿真软件在《医学影像原理与设备》临床实验教学的应用效果。结果表明，模拟仿真软件在《医学影像原理与设备》临床实验课的使用效果受到学生计算机操作技能、软件的仿真度、实验教学与理论教学是否能相互配合、学生的学习兴趣以及实验室的设备情况等多种因素的影响。为了能够更好地发挥模拟仿真系统在《医学影像原理与设备》临床实践的效果，针对调查中的问题提出如下建议。

第一，将临床实验和理论同等重视，科学合理地安排临床实验教学课程。赣南医学院医学影像技术专业和生物医学工程专业模拟软件的使用多是设置在课程的实验部分，而未单独设课。通过扩充该专业实验课的学时或单独设置实验课程，更能激发学生的学习兴趣，充分调动学生学习的主动性和积极性。

第二，任课教师应使学生重视临床实验，认识到通过模拟临床实践教学的训练能够有效地提升学生动手能力和创新能力，对学生今后实际工作也有所裨益。

第三，可以尝试校企联合开发模拟软件，来提高操作系统的仿真度。通过学校与软件公司携手开发，一方面，企业具有的软件设计和程序设计的专业性可以保证仿真软件平台的专业性；另一方面，学校任课教师能够更准确地表述模拟仿真软件的功能需求，从而使得理论课程与临床实践相匹配，从而保证了临床实践中教师与学生的需求。

第四，加强该学科实验室的规划和建设。实验室的建设应根据学科的办学规模、专业设置以及教学和科研的需求，对实验室的功能和预期效果进行准确定位和分析，让仅有的资源效益最大化。