高职院校虚拟仿真实验教学在“医学影像设备学”中的应用与探索
时间：2023-02-12 19:00:09 来源：千叶帆 本文已影响人
陆薇 王盼霞
石家庄医学高等专科学校 河北石家庄 050000
“医学影像设备学”作为医学影像技术专业的核心课程之一，主要讲述当今各种医学影像设备的分类形式、结构组成、使用方法、故障排查、维护保养等内容。只有掌握了该课程的具体内容，学生才能在以后的医院实习、就业中更好地去使用、操作医学影像设备，更高效地得到相应的诊断图像。当今医院、学校常见的医学影像设备技术含量高、结构复杂、价格昂贵、功率较大，在教学实施过程中容易出现一些问题，影响教学正常进行。在这种情况下，将虚拟仿真技术融入医学影像设备学的实验教学当中去，可以把抽象的理论知识更加具体化，而且减少了设备购买、维护费用，把现实中无法开展的实验课通过虚拟的方式形象展现出来，有助于学生对专业知识的深度掌握。2019年3月，《教育部关于公布2018年度国家虚拟仿真实验教学项目认定结果的通知》中，浙江、湖北等省份的高校均已建成完善的虚拟实验平台系统，高职院校也应积极加快虚拟仿真平台建设，促进影像专业实验教学水平和教学质量得到不断提升，增强学生的实际操作能力，提升高职院校在相关专业领域的影响力和竞争力。
1.1 设备数量较少，学生人数较多，围观式实验教学效果差
我校医学影像技术专业学生人数较多，大部分院校实验设备难以达到人均教学需求，另外医学影像设备结构复杂，大部分学生无法通过规定的授课时间掌握设备的组成、结构，在实验过程中，由于设备体积大，让学生动手拆装影像设备难以实现，学生实践操作机会少，只能围观式教学，学生无法真正了解设备的原理，学生参与度低，使得教学资源严重不足。另外，医学影像设备价格昂贵，学生的操作失误会引起设备相应部件的损坏，产生经济损失。
1.2 设备陈旧，无法展现当今最新影像技术
高职类院校教学资金投入相对薄弱，示教使用的影像设备较为陈旧，以我校为例，学校医学影像实验室有多台X线机、CT、核磁设备，但与当前市场和医院应用的主流设备相比相对落后，无法对接当今出现的新趋势、新技术、新材料、新理念。
1.3 实验过程中电离辐射较大，不利于师生健康
医学影像设备大多数功率较大，工作过程中管电压高达几百千伏，管电流大，生成的X线剂量也较大，有较强的电离辐射，而学校实验室的防辐射措施及设备相对落后，曝光运行易影响师生健康。
1.4 传统影像设备在线上实验课中无法正常开展
随着互联网技术和信息技术的高速发展，理论课线上授课越来越成熟，多种网络平台资源共享，可以不受地点、环境的约束。但线上实验课却缺乏实验场地、实验器械，学生无法正常操作，实验教学效果大幅降低，教学目标无法实现。
2.1 “医学影像设备学”教学模块设计
根据医学影像技术专业人才培养方案，结合高职院校学生的实际特点，以人民卫生出版社的《医学影像设备学》第4版教材为内容依据，课程知识体系架构如下表：
医学影像设备学实验教学模块设计表
2.2 虚拟仿真实验实施过程
虚拟仿真实验平台界面如下图所示。
虚拟仿真实验平台界面
虚拟实验仿真平台使用Web前端技术，开发过程结合Solidworks、3DMAX和VR-Platform等技术，实现实验室实验场景和设备结构的仿真，提前设定好的数据存储于服务器中，在需要时以高仿真式形式调用，实现逼真的互动实验授课。以数字X线摄影装置仿真实验内容为例，当前可以实现的具体内容包括以下方面。
2.2.1 设备结构的展示
在虚拟仿真实验操作过程中影像设备的组成部件都会以3D的形式进行展示，画面立体且直观。以数字X线机的基本构成为例，包括X线管装置、高压变压器、灯丝变压器、高压整流器、控制装置、X线管头支持装置、影像装置、记录装置等，最核心的部件为旋转阳极X线管装置，它的外部为管套，管套内壁衬有铅层，内部封装X线管，并且充满变压器油，X线管由旋转阳极靶面、转子、定子、阴极灯丝、玻璃外壳等几部分组成，这些结构都有文字进行标注，让学生对基本组成结构印象清晰。在实际X线机操作过程中，学生只能看到X线管装置的外部管套，内部组成不能直观显示，仿真实验使学生对X线管装置的组成、结构、原理有了更直观的理解。
2.2.2 设备工作过程的展示
以X线管装置中的灯丝加热实验环节为例，阴极灯丝常装有两根长短、粗细不同的螺旋管状灯丝，对应不同的焦点，选择合适的灯丝供电。灯丝变压器产生的灯丝电压(5～10V)经过高压电缆的传输，送到X线管阴极端相应的灯丝，灯丝在此电压的作用下开始升温，当灯丝温度增高达2100K后开始释放电子。此时学生可以通过仿真平台改变灯丝电压，灯丝电压升高，灯丝温度也随着升高，单位时间内发射的电子数量就越多，通过虚拟仿真实验可得，调节灯丝的加热电压，即可改变灯丝温度，改变单位时间灯丝发射电子的数量，而电子在管电压作用下形成管电流，由此可以得出管电流实际是由灯丝电压决定。在虚拟仿真的实验平台下，学生可以自主调整灯丝电压，还可以看到在实际实验中无法观测的电流流向、电子发射，在没有任何设备损耗的情况下多次重复进行实验，增加了学习的趣味性和实验教学的效果。
2.2.3 控制台面板参数调整
利用虚拟仿真平台上相应按钮进行透视、点片摄影、普通摄影、滤线器摄影、体层摄影等不同种工作模式的切换，还可以进行曝光电参数的设定和调整：最高管电压150kV，管电流25～500mA可调、曝光时间5～50000ms，共31档，mAs选择0.5～500mAs共31档。
以普通摄影实验为例，具体操作方法：选择普通摄影方式——选择合适的kV、mA、mAs、ms——按下手闸Ⅰ档，约1.5s左右——设备准备就绪——按下手闸Ⅱ档进行模拟曝光。在整个模拟操作过程中，电源指示灯、曝光指示灯会在适宜的时候点亮。
2.2.4 设备各单元电路逻辑关系
医学影像设备学中最生涩难懂的知识模块为电路结构分析，这些电路主要以实现透视和摄影过程中，管电压、管电流、曝光时间的调控以及方便X线检查为主要任务。用仿真技术模拟X线机主机电路中各单元电路流程图，包括电源电路、X线灯丝加热电路、高压初级电路、高压次级电路、操作控制电路之间的既相互联系又相互制约的关系，不用焊接，调试仪表不担心损坏，还可以演示电流在各个支路中的流向，模拟X线管加上管电压后产生X线的场景，快捷直观，大大提高了学习的趣味性，有助于学生对电路模块知识点的深度掌握。
2.2.5 基础知识考核
考核模块可以有效验证学生的学习效果，每个仿真实验模块都附带有考核。教师通过人才培养方案、教材、放射医学技师考试等内容为依据选取的试题导入考核模块数据库中，在学生每次操作之后可以针对性的进行练习，并把考试分数记录下，加深学生对理论基础知识的印象，让学习效果实现最大化。
3.1 扬长避短，突出学生优势
高职院校学生基础知识薄弱，自主学习能力差，但头脑灵活，熟练操作计算机和手机，对多个领域的知识感兴趣。虚拟实验教学平台可以让每位同学独立操作，增加了学生的动手机会，突出学生主体地位，使得枯燥的理论知识更加立体形象，学生在认知的同时可以进行虚拟环境下的实机操作，并能实时得到操作结果作为反馈，激发学生学习兴趣和动手操作能力，提高学生学习兴趣。
3.2 化繁为简，形象展示枯燥的知识点
“医学影像设备学”课程具体内容涵盖医学、电磁学、电路、计算机、机械学等多种学科知识，学生基础知识薄弱，面对如此广的知识领域，掌握起来难度较大。多种形式的虚拟环境中，将影像设备具体的结构用视频、动画、图片等形式重新展现，学生能够多角度、立体式地观察和了解影像设备内部详细结构，使基本原理更清晰易懂，学生对设备建立更加直观和感性的认识，改变了原有枯燥、抽象的情况，让学生更加容易接受，达到预期的学习效果。
3.3 转危为安，降低实验风险
医学影像设备尤其是X线设备在工作过程中使用高管电压，会产生大剂量X线，存在很强的电离辐射，在实验中即使防护措施到位，X线设备都会对学生、教师健康存在安全隐患。另外，医学影像设备发展迅速，新产品价格昂贵，结构复杂，学生在实验操作中拆卸安装设备需要技术高，且耗时较长，不当的手法有可能损坏设备。利用模拟仿真实验降低对大型实体设备的过度依赖，摆脱高管电压、X线辐射等安全隐患，降低设备购置经费的投入。
3.4 更进一步，开辟医学影像技术专业实验教学新模式
本虚拟仿真平台，在全部开发完成之后可支持“医学影像设备学”各个章节的实验项目，学生不用实际接触仪器设备就可以完成相关实验操作。医学影像技术专业的其他专业核心课程包括“医学影像诊断学”“医学影像检查技术”“医学影像超声诊断学”等也可以在此基础上全面开展虚拟仿真实验教学，通过实验教学逐渐建立以学促教、教学相长的学习过程，不断提高高职院校医学影像专业的教学水平和教学质量，为本专业的教学改革提供新方法、新手段。
“医学影像设备学”是一门将医学、工学相结合的学科，利用虚拟仿真技术将传统实验教学方式进行改变，使用互联网技术、软件技术、多媒体技术将枯燥的理论知识改装成有形有色的新模式，对增强学生素质，提高专业素养起着助力作用。虚拟仿真实验教学在本课程中的应用效果良好，尤其是在互联网和信息技术高速发展的今天，可以不受实验设备的限制，完成既定的实验教学任务，可以继续推广到其他各类医学专业教学当中，从而培养更多适应时代发展的应用型人才，为国家、社会输送更多专业技术人员。
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