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;胡慧娴;徐晓燕;张云;徐争元;高春芳;徐;何玉萍
【摘 要】该文设计了一种既可直观展示计算机断层(Computer Tomography CT)成像的基本原理又可模仿其检查技术规范要点,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.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APP.具有价廉、高效、全面综合的特点,特别适用于CT医学影像有关多门课程的实验教学,具有广泛的市场应用前景.
【期刊名称】《包头医学院学报》 【年(卷),期】2019(035)004 【总页数】3页(P112-114)
【关键词】CT;实验教学系统;Android平台;MSP430
【作 者】黄磊;胡慧娴;徐晓燕;张云;徐争元;高春芳;徐;何玉萍
【作者单位】皖南医学院医学影像学院医学工程学教研室,安徽芜湖241002;皖南医学院医学影像学院医学工程学教研室,安徽芜湖241002;皖南医学院医学影像学院影像学实验中心;皖南医学院医学影像学院医学工程学教研室,安徽芜湖241002;皖南医学院医学影像学院医学工程学教研室,安徽芜湖241002;皖南医学院医学影像学院医学工程学教研室,安徽芜湖241002;皖南医学院医学影像学院生物医学工程专业;皖南医学院医学影像学院生物医学工程专业
【正文语种】中 文
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，但缺乏实验教学一直是其痛点所在[1]。多年来为解决这个痛点问题，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，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；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]，其优点在于可完成CT成像原理类实验的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，同时实验参与人员有受辐射风险，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 ，在完成上述设备实验功能的基础上虽提高了其使用安全性；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；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]，其优点是可帮助医学生熟悉CT设备参数及工作流程但缺点是无法演示成像原理及影像诊断类实验项目的开设。
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。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。具有价廉、无辐射、高效、全面综合等特点，特别适用于CT医学影像有关多门课程的实验教学，具有广泛的市场应用前景。
1 综合性CT实验教学系统总体结构
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，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，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，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。其系统总体设计框图如图1。 图1 系统总体设计框图
2 CT仿真操作与模拟诊断软件APP功能与设计
图1中所示CT仿真操作与模拟诊断软件APP采用服务器+手机客户端及B/S双架构实现，为安卓和IOS分别开发的手机APP，并提供基于HTML5为技术架构的WEB应用程序，后端采用MS SQL Server 2008 R2作为数据服务端，使用基于IIS的HTTP服务为移动APP以及HTML5应用提供数据下载及上传服务，其软件工作流程如图2所示： 图2 仿真操作APP工作流程图
APP软件所有界面全真模拟西门子公司32排CT扫描设备操作界面布局及按钮排版，学生用户通过上述模拟操作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，找出差距及原因，逐步提高自己的CT影像诊断思路及技巧”。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)；04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0°、45°、90°、135°四个角度的灯光闪烁来直观演示CT成像原理。本研究为了仿真教学系统内附的CT常规典型病例数据库的调取能和后续硬件模型系统的有关控制动作能很好的对应且相对容易实现，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，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。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，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。
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：1.理想单能窄束X射线透过不同组织器官(介质)时其衰减程度有差异(多用衰减系数μ值大小表示)，经过特定图像处理算法后对应CT图像的亮暗差异(对比度)；2.衰减系数μ值既是组织种类的函数又是X射线能量的函数；因为与CT影像中最小像素对应的是患者被检层面中的体素中可能含有不定数目的人体组织，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，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，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，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；3.CT图像重建的反
投影法，以四体素(设μ1=1，μ2=2，μ3=3，μ4=4)矩阵的反投影重建为例其示意图如图3所示。
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。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：
1.必须有和真实CT设备基本类似的外部构型，即应有“定子”和“转子”两部分组成的扫描机架和能自由进动和转动的扫描床，给学生最佳的仿真操作体验和实验代入感；
2.扫描床的进动距离和转动的方式必须能和仿真操作软件中扫描参数设置同步对应并精准运动，其控制指令的收发对应软件操作中的02步骤。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，帮助理解不同体位选择对CT图像的影响；
3.“转子”中必须含能模拟X射线发射源的可发射可见激光的灯带；因患者有颅脑部、头颈部、胸部、上腹部、下腹部、脊柱、四肢七个检查部位待选，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。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，其控制指令的收发对应软件操作中的04步骤。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图像灰度的影响； 4.“转子”部分应围绕扫描床上模拟人的被选检查部位作0°、45°、90°、135°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，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；
4 综合性CT实验教学系统的无线通信平台
控制器MSP430外接nRF24L01无线模块实现软件平台和硬件平台的连接。仿真软件操作软件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。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，驱动对应颜色的发光二极管发光，围绕模拟人做前述四个角度的对应扫描原理展示动作。其无线通信程序流程图如图4所示。 图4 无线通信中断控制程序流程图 5 结论
本研究设计了一种包含一个以MSP430单片机为核心的CT原理与检查技术要点展示硬件平台和一个以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，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。具有价廉、高效、全面综合的特点，特别适用于CT医学影像有关多门课程的实验教学，具有广泛的市场应用前景。 参考文献
【相关文献】
[1] 庄天戈. Desk CAT互动CT教学实验系统剖析--兼谈CT的实验教学[J].生物医学工程学进展，2016, 37(1):22-29.
[2] 王佳丽. 教学PACS系统在医学影像诊断学教学中的应用[J].影像技术，2018, 4:53-54. [3] 程瑾,王屹,陈雷. 基于PACS的互动式教学在胸部影像读片培训中的应用[J].中国高等医学教育，2018, 5: 81-83.
[4] 程森林,罗文广.基于单片机的 CT教学实验仪设计与实现[J]. 核电子学与探测技术，2009，29(5):1218-1221.
[5] 桑斌,项金根,阮存军,等. CT实验仪的研制及其在物理教学中的应用[J]. 大学物理，2003，22(2):33-37.
[6] 胡俊峰,钱建生. CT扫描工作站仿真系统的设计与实现[J]. 微计算机信息，2007，23(10):224-226.
[7] 汪百真，俞曼华，张俊祥,等. CT、MRI仿真操作系统的研发及在实验教学中的应用[J]. 蚌埠医学院学报，2013，38(2):219-220.
