虚拟仿真DR操作智能训练系统在医学影像学创新教育教学改革中的应用

李炯 吕秀玲 平学军 李鹏 贾晶 陈兵

随着现代科技和教育国际化的不断发展，网络信息化时代蔓延全球各领域，对于新形势下我国高等教育的发展水平及国际竞争力也提出了更高的要求。教育部陈宝生部长在2018年召开的新时代全国高等学校本科教育工作会议中强调，要深入学习贯彻习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神，全面贯彻落实习近平总书记5月2日在北京大学师生座谈会上重要讲话精神，坚持“以本为本”，推进“四个回归”，加快建设高水平本科教育、全面提高人才培养能力，造就堪当民族复兴大任的时代新人[1]。院校医学影像学实践教学基地搭建计算机情景模拟技术智能系统网络平台——虚拟仿真直接数字化摄影（direct digit radiography，DR）操作技术，创建和体验虚拟世界的计算机智能训练系统。具有计算机虚拟交互技术，可模拟仿真检查室环境以及真实的扫描过程，能充分锻炼操作者的临床应变能力。虚拟教学法是一种教育高科技的展示和体现，通过创造性方式的探索、发现，有利于对学生自主学习、创新能力的培养[2]。创新改革教学方法和提升教学质量，紧扣高校新契机，更好地培养一流医学影像专业人才。

医学影像学作为医学领域的一门特殊学科，实践教学是理论与实践相结合环节，是理论联系实践的纽带，近年来对医学影像学专业实践教学方面，教学形式和教学方法依然存在部分不足之处，因教学医院影像科室具有一定的特殊性，影像设备都是高精尖，技术要求高，操作流程多，患者检查时间久，“风险大”“禁区多”等特点，不利于学生亲自进行操作[3]。而且检查成像过程中，设置参数多，又是辐射高危环境，带教老师也无法直观地把复杂的检查过程、参数设置与影像之间关系清楚地描述出来。教学设备条件难以满足教学规模要求，对教学的实施存在诸多不便和限制，使用操作方面存在一定的弊端和不可逆等因素，难以给予学生充足时间的动手操作机会[4]。并且对专业知识和影像设备熟知度及规范的技术操作方面严格把控，没有经过规范化、科学化、常态化培训或不具有一定专业技能水平的学员，无法直接操控，也避免不必要的医疗事故风险。教学方法单一，学生缺乏灵活性和自主学习空间，无法满足学生个性化需求，浪费学生的学习时间[5]。为避免侵入性操作存在的医疗风险和医患纠纷的困扰，在实践教学中，以突破陈旧实践教学困惑，贴近医院环境实际情况，虚实结合智能训练系统，以学生为主体，提高学生实践能力[6]。如仅依靠教学医院有限的教学设备和相对传统的教学手段，明显滞后于以习近平新时代中国特色社会主义思想发展需求，远远不能满足当前医学院校学生数量快速增长以及培养实用型、创新型医学影像专业人才的需要。

医学影像创新教育为国际教育的研究前沿和发展方向提供新思路，与传统教学模式相互补充、相互促进，弥补以往实践教学的弊端，避免医疗设备的不足和辐射等负面影响[7]。虚实结合DR智能训练系统，采用3D建模等虚拟仿真技术，重构真实临床设施和环境，配合可移动仿真DR机架硬件系统，高度仿真影像科室医学成像过程和实践技能操作虚拟现实环境和成像领域，无辐射安全性高，具有一定的挑战性。再者可模拟仿真检查室场景以及真实的扫描过程，在无风险的环境下，采用虚实结合的手段进行DR检查操作。系统操作方便安全，无辐射伤害，可多次重复练习；
具有丰富的示教检查类型和病例；
操作简单可行，具备专业医学基础知识的即可上手试用；
操作过程、结果有记录、反馈，能够指导学生，操作后可重新调整设备参数；
操作习惯、扫描参数、知识点等符合中国国情。通过虚实结合，高效利用教学资源和科学化管理，进而推动医学影像学教学改革[8]。

2.1 系统型号

系统型号为虚实结合DR操作智能训练系统（MISMIT-DR）。

2.2 系统功能

2.2.1 动画术式引导

检查流程以动画术式进行；
内置智能导师，根据配音提示和纠错提示，能够教用户独立进行影像检查训练；
软件操作界面贴近临床操作，DR检查包括录入患者信息、扫描序列选择、扫描球管电流、曝光时间的参数设置。

2.2.2 多模态教学引导

图形、文字、声音、动画、触觉等全方位立体教学演示；
DR检查支持常规部位的检查训练；
具有展示影像后处理数据资源功能；
移动影像顺序和删除影像资源图像打印功能，建立临床操作习惯，培养临床意识。

2.3 系统配置

DR操作技术智能训练系统，虚实结合模拟DR检查操作设备，系统软件和硬件部分的配置，根据影像设备的实体外观、操作台，显示器、平板电脑、高性能主机等比建模，配合可移动仿真DR机架硬件操作，采用3D建模虚拟仿真技术，重构真实临床设施和环境，模拟真实临床环境中的DR检查过程。见图1和图2。

图1 高清显示屏

图2 可移动仿真操作平台和高性能主机

2.4 系统启动与关闭

为保证设备的正常运行，请按下列顺序正确启动、关闭设备。

2.4.1 系统启动

保证学校供电正常，插上电源；
打开主机，轻按主机电源开关，启动计算机，保证USB 与计算机连接正常；
确保平板电脑与主机连接在同一网络下，打开运行软件。

2.4.2 系统关闭

退出软件系统，将与主机相连的USB取下，并关闭电脑主机电源，拔下电脑开关。

3.1 常规检查部位

根据操作考核项目要求，选用DR检查临床典型病例数，包括头颅、胸部、腹部、脊柱、乳腺、上肢、下肢等常规检查体位，系统数据库支持增减上传病例，满足基础教学需要和训练要求。

3.2 操作技术流程

3.2.1 设备自检

设备自检步骤排序检测。

3.2.2 模块病例选择

完成模块选择后，进入病例选择界面。选定某一病例，点击“确定”按钮，进入场景，开始训练。

3.2.3 核对患者信息

查看检查申请单，点击确认进入选择、如下选择界面。点击“核对患者信息”按钮，开始核对患者信息。主要核对患者身份，检查部位和检查目的。

3.2.4 嘱咐患者准备

以对话形式展现，嘱咐患者准备，除去身上影响拍摄的物品。

3.2.4 选择患者体位

选择检查部位，将患者摄影体位调整在正确区域内，方可继续进入到下一步。

3.2.5 校准摄影范围

对准中心线，调整入射焦点，校准照射野范围，照射面积不应超过探测器面积。移动完毕后点击平板上的“调节完成”按钮，调节错误则重新调整，调节正确则进入下一步操作。

3.2.6 选定曝光条件、完成出片

根据摄片部位的位置、体厚、生理、病例情况和机器条件，选择调节曝光参数等。确认曝光条件后，完成曝光，出片。

3.2.7 设备关闭自检排序检测

点击“完成训练”按钮，结束本次训练。如继续训练，则点击“继续拍摄”，选择其他病例体位拍摄即可。

4.1 研究对象

选取医学影像学本科专业2019届和2021届学生作为研究对象，每届各16名分别采用智能训练系统进行毕业模拟实践技能操作考核和沿用传统影像设备考核。两种考核方案相比，采用智能训练系统，学生考前不受设备和时间限制，可以随时反复训练；
按操作手册流程，容易上手练习；
根据选择的体位，语音提示纠错，摆位准确性高；
调动学生积极性，提高学生技能操作思维能力；
考核评定成绩客观有效，充分体现了网络信息化时代的先创性，医学影像学实践教学教育改革的创新性，整体提高教育质量和教学效果。

4.2 研究方法

使用虚拟仿真DR操作智能训练系统模式，通过智能手机链接网络热点，根据系统设置的账号和密码登录进入。培训老师会提前让学生熟悉系统操作说明程序和操作流程，并告之操作前注意事项等。同时在学生操作中，根据系统设置配音提示和纠错，进行全方位立体教学演示，操作有误，无法继续进行后面步骤操作。多次反复操作训练，随时练习，保证每一环节顺利延续进行。训练结束后，只要返回系统主界面，直接选择指定检查部位重新练习，操作方便快捷、省时省力，满足学生好奇心，提高学生自信心，真正达到学生教学水平和实践考核的目的和效果。为教师示教、学生演练和实践技能考核等提供可行性的辅助手段[9]。

4.3 教学改革特色

主要“以学生为中心”的教学理念和岗位胜任力，虚拟仿真教学是教学与技术的最大化融合，本着以“虚实结合、能实不虚”的原则，将真实场景与虚拟场景结合起来，以虚拟实践的方式弥补学生综合实践能力的不足，提高学生的参与度[10]。这种虚拟仿真智能训练系统模式紧密模拟仿真，在虚拟场景中系统会实时读取学生对实物模型的操作步骤，其中包括查看检查申请单，嘱咐患者准备、摆放体位、录入患者信息、选择扫描序列、曝光出片、图像处理与胶片打印。系统能自动检测学生的操作，提供一个演示角色的扮演能力，学生在相对真实的环境下演练操作，显示操作效果，针对错误，提供智能纠错和即时反馈[11]。

结合强大后台数据库，系统支持自主创建病例智能训练。采用虚实结合的DR检查操作，能充分锻炼学生的临床应变能力，克服紧张的情绪，真实感觉到环境的变化，创造更真实的体验，从而建立更自信的状态。同时提高医学影像学专业人才培养质量和科教水平，为信息资源建设提供了战略性的技术支持，提高虚拟仿真利用率、关注空间建设、推进教学资源建设，使众多领域具有广泛发展前景[12]。虚拟仿真资源坚持以“虚实互为补充、教学结合科研、注重探索思考、方法融于技能”等建设理念，无损耗、无辐射、无医疗风险、无次数限制、可逆性操作等优势，真正体现实践教学改革创新，提高教育教学方法效果，值得对外推广和应用[13]。

综上，对于特殊性较强的专业实践教学，虚拟仿真DR技术智能训练系统强调以实践为基础，在培养学生实践能力方面占有很多优势，不仅在操作中有重复性、针对性，而且可量化评价操作结果[14]。学生创新实践操作能力上，推动医学界科研方法与教学手段，贯穿整个医学教育过程，取得最佳教学成效，创新教育教学模式，调动学生的学习兴趣[15]。同时突破时空限制启发式导引学生自身对操作步骤、技术要点了然于心，教学方法寓教于乐[16]。医学教育强化教育的基本要素中提到，技术丰富的学习将适当的创建动态和个性化环境，互动学习者练习自我调节的学习策略[17]。解决传统医学影像实践教学方式的局限性，学生接触设备的课时较少，几乎没有操作机会，学习内容较为抽象，不便识记等问题。因此建设虚拟仿真实践教学中心可以解决此类问题，引入先进的教学经验和优质资源，更新教育观念、改进教学方式、创新教学思路，运用新手段、制定新举措，促进新医学的不断创新，培养学生的探究能力[18]。同时医学虚拟仿真中心的建设完全符合国家教学改革方向，优化医学影像学新科技教育创新，以建设国内一流医学影像学实践教学中心为总体规划目标，符合实验教学改革的发展趋势和人才培养的实际需要，培养与国际标准接轨的高素质创新型医学影像专业人才[19-20]。将在不久的未来，依托目前5G网络及人工智能技术等沉浸式虚拟仿真手段，更利于促进创新型人才培养的发展趋势。

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