计算机断层扫描的虚拟仿真软件开发

作者:未知

  摘要:本文系统描述了计算机断层扫描设备和检查过程的虚拟仿真软件的开发步骤,详细叙述了相关素材的准备,模型建立,界面设计,CT室场景布置,检查过程的动画制作,仿真软件的集成。介紹了开发过程中帧和图层的优化方法,提高了开发效率。
  关键词:计算机断层扫描;虚拟仿真;软件开发
  中图分类号:TP311.52;R445 文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2020)09-0106-03
  0 引言
  电子计算机断层扫描(Computed Tomography,CT) 可以为医生提供清晰的人体解剖形态图像,极大地丰富了疾病的诊查信息,已成为当今使用最为广泛的疾病诊断和筛查的一种重要手段[1-2],因此,CT设备是临床医学特别是医学影像学专业学生必须掌握的一门技能[3]。然而,由于CT设备价格昂贵,使得不少学校实验室难以配齐CT仪器设备。安排学生到医院实习,又因CT设备数量有限,多以单台设备下的演示和参观为主,实验教学与繁重的临床工作同时进行,不可能无限制地将设备用于学生学习和培训,使得学生很难对CT设备操作与检查方法有较好掌握。如何寻找一种教学模式来解决这一矛盾是值得探索的问题。
  近年来随着计算机和虚拟仿真技术的飞速发展,虚拟仿真实验教学成为一种新兴的教学方式[4-5],有效地克服了时间和空间的限制,一定程度上弥补了实验设备的不足。要使虚拟仿真技术能够在教学中真正发挥作用,关键是要有切合教学实际的应用软件,这促使我们根据教学需要开发该CT虚拟仿真软件。
  1 开发工具
  在该虚拟仿真软件的开发中选用Adobe Animate CC为主开发工具[6],Autodesk 3DS MAX制作患者及其运动,用Adobe Photoshop CC处理图片,用Adobe Premiere CC对动画和声音进行合成和后期处理,整个过程中注意合理运用开发工具完成CT虚拟仿真软件的制作。
  2 素材准备
  对于素材的采集,为构建CT设备模型和场景,首先拍摄CT仪各角度和CT室环境照片,并记录CT检查操作过程,截取或录制操作流程中的计算机屏幕图像。一些较通用的素材可以通过网络搜索免费资源下载。
  3 模型建立
  CT检查虚拟仿真软件中最主要的模型为CT仪、扫描床、监控器和患者,实地拍照和网上下载的素材或多或少会存在一些瑕疵,需要用Photoshop进行处理。用Photoshop打开图片素材,运用快速选择工具、磁性套索工具、多边形套索工具和魔棒工具等将它们细致的框选出来分别剪切到新文档里,因为所拍摄的仪器或部件有些是重叠的,所以提取出来的图像是不完整的,利用填充工具、仿制印章工具等将剪切出来的图像补充完全。最后用图层上的曲线、色阶、减淡工具对图像进行调色调亮,得到最终合适的模型。患者及其运动用3DS MAX制作。
  除上述模型外,还有电脑显示器、桌子、读卡器、键盘、诊疗卡、窗户、扫描架控件等模型,这些模型在制作中同样重要。
  4 主界面设计
  软件启动后,首先进入主界面,中间显示欢迎语和CT虚拟仿真软件简介。右侧从上到下排列“CT仪结构介绍”“CT仪工作原理”“软件使用教程”“进入CT室”和“退出”五个选项。选择前三项可查看具体内容,其中文本框右下角三角形是翻页按钮,点击“进入CT室”即可进入CT检查虚拟仿真流程。
  5 CT室场景设计
  CT检查过程的虚拟仿真主要涉及两个场景,CT控制室和CT仪器室。CT控制室内有一台竖屏电脑和三台普通电脑,自左向右命名为电脑1、电脑2、电脑3、电脑4,将4台电脑以适当位置摆放在桌子上,按实际情况连接读卡器、键盘等设备,并添加CT仪遥控器。电脑后方为防辐射玻璃窗,以供医生在CT控制室随时观察CT仪器室内的情况,为了显示透过玻璃窗观察到CT仪器室内部的效果,在Photoshop中使用矩形框选工具选出玻璃,剪切后放入新的图层,改变图层的透明度,使玻璃成为半透明的图像,再将其拼接到窗户框中,将CT仪器室内部图像与窗户图像叠加,擦去CT仪器室内部超出窗户边框的部分,得到透过窗户观察CT仪器室内部的视觉效果。右后方墙壁上安装有进出CT仪器室的防辐射金属门,构建出CT控制室场景,布置好的CT控制室如图1。
  CT检查室主要是CT仪、扫描床、透过玻璃窗可以观察到CT控制室部分、墙面和金属门。CT仪及其操作通过CT仪模型实现,扫描床的移动通过扫描床模型实现。将显示器背面和部分白色桌面图像通过图层蒙版加到窗户图像的合适位置,实现从CT检查室透过玻璃窗看到CT控制室的效果,墙壁上添加金属门,整合得到所需视角的CT检查室场景如图2。
  两个场景的切换是通过图片的切换实现的,为了使切换更加自然,在以上两个主要场景之间加入了金属门的开启、CT仪视角切换等中间转换过程,营造出从CT控制室进入CT仪器室的效果。
  6 CT检查过程的仿真
  在布置完CT室场景后,开始制作CT检查过程的动画,主要是CT控制室中四个显示器的配合使用、CT仪的操作与变化、扫描床的移动、患者的行走与上下床以及CT控制室和CT检查室场景的切换等环节。其中,患者进入CT检查室、调整扫描床和患者位置、患者离开CT检查室是在CT检查室中进行,其余部分在CT控制室中进行。
  在CT控制室中点击电脑3屏幕放大,点击屏幕上“日常维护”按钮进入维护程序,点击“球管预热”按钮弹出确认预热对话框,点击“接受并运行球管预热”按钮开始预热,完成预热后点击“退出”按钮回到CT控制室场景,接下来进入CT检查操作流程。
  点击电脑2屏幕放大,单击屏幕上的检查系统图标启动程序,输入登录名和密码后登录,点击“检查登记”按钮进入录入信息界面,点击“新增”按钮,弹出“设备选择”对话框,选择“CT”并确定,点击读卡器,读取患者诊疗卡信息并保存,系统提示“保存成功”,点击“确定”按钮后退出。   点击电脑3屏幕放大,点击“新患者”按钮,从“患者列表”中选择要进行CT检查的患者,点击“患者添加”按钮,添加患者个人信息,显示“扫描程序选择”,根据患者检查需求,选择检查部位,進入默认协议参数界面,查看参数设置无误后,点击“确定”按钮后返回。
  从CT控制室一侧点击CT检查室金属门,场景转至CT检查室后首先播放CT仪全景动画。从CT检查室一侧点击CT检查室门,打开金属门,患者进入和离开CT室的动画是将3DS MAX制作的人物直接导入。患者进入动画将其起点和终点分别设置为CT检查室门和CT仪前;在患者走到CT仪前时,点击患者即可使其躺在CT检查床上;制作检查床和支架的移动及升降,在患者躺下后与患者合并为调整位置动画;使用制作的扫描架控件图片按照实际操作顺序制作按钮动画并使其与调整位置动画配合。由于按照正常比例的视图观察不到扫描架控件的细节操作流程,所以对其进行了适当的放大处理。将扫描架控件导入到Animate之后,转换为影片剪辑,在影片剪辑中,将其转换为图形元件,在适当位置插入关键帧并将图形元件放大到合适比例,通过按钮和动作图层代码的配合实现点击扫描架控件移动扫描床的效果。点击CT检查室门后,返回CT控制室。
  点击电脑3核实扫描信息无误后点击“确定”按钮,播放遥控器动画,点击“移至扫描位置”按钮将病人向CT仪内移动,点击“开始扫描”按钮开始扫描,在此分别制作了指示灯效果,显示扫描进行情况,扫描完成后,点击“结束检查”按钮结束。
  点击金属门进入CT检查室,点击脚踏板后,CT检查床和患者移回原位,点击患者,播放患者下床和离开CT检查室动画,再次点击金属门回到CT控制室。
  CT影像和患者病历使用搜集和制作的图片素材导入Animate,并按照对应扫描部位和协议调出影像和显示病历。点击电脑4显示影像系统,点击影像即可逐张查看扫描获得的CT影像,查看完毕,点击“退出”。
  点击电脑2,选择进行检查的部位,可生成对应的病历。
  CT检查结束后可在电脑1上进一步查看和处理CT影像。
  由于CT控制室内的流程均是在电脑上完成,四个显示器的配合使用动画涉及到了大量的桌面显示图片,为了使显示屏上的桌面最大程度的接近真实,对实际操作过程的每一步进行了录屏和拍照,图片用Photoshop处理后导入到Animate中,使用自由变换工具调整到合适大小放在显示器的屏幕中作为桌面,通过交互按钮对图片的切换控制实现显示器配合使用的动画效果。
  7 优化设计
  制作过程中对部分场景的帧数进行了优化。在Animate中影片剪辑具有独立的时间轴,可以用代码片段进行独立交互,根据这一特性,通过在场景同一帧放置多种影片剪辑可以做到一帧的纵向播放,达到大大节省场景中占用帧数的目的,同时因为帧数的减少使得该场景变得清晰明了,在之后的编辑中更加方便。例如,将病人躺到床上的动画放入影片剪辑,本来138帧的大帧数动画放在了场景的一帧中,实现了对场景中帧的优化。
  与帧数优化有异曲同工之处的还有在动画制作过程中把繁多的图形、按钮、动作糅合在一起放入影片剪辑来尽可能减少场景的图层数量,使该场景的图层看起来一目了然,便于图层的查找和修改即对场景的处理。例如,将扫描床的分步移动动画放入影片剪辑,扫描床的分布移动动画需要的图层繁杂,包含了扫描床的主体、床的支撑部位、条状传感器带、床的底座、病人的移动及其遮盖层等图层。
  8 仿真软件的集成
  全部动画制作完成后,将日常维护、选择患者、CT检查动画嵌入电脑3,患者登记、查看病历动画嵌入电脑2、查看影像动画嵌入电脑4和电脑1。并且按照欢迎界面—CT控制室—日常维护—登录系统—患者登记—选择患者—选择检查部位和协议—CT检查室—患者进入检查室—调整检查床和患者位置—CT检查—患者离开CT检查室——查看影像和生成病历的顺序,使用适当的Action Script代码将各个动画与场景连接起来,在金属门上添加按钮和代码以切换CT控制室和CT检查室场景。
  制作和调试完成后,通过Animate 发布为swf格式的文件。
  9 结语
  CT虚拟仿真软件解决了CT仪器设备的不足和辐射等负面影响,减少占用宝贵的临床患者检查时间,学生可以反复进行CT设备模拟操作,而不受时间和空间的限制。通过计算机技术营造的虚拟仿真实验环境,产生出如同真实场景的感受和体验,将CT仪器设备、检测原理、仪器操作流程、检查过程等通过形象、直观的图形和动画来表现,使以前静态的、平面式的教学变为动态的、三维立体的教学过程,避免了授课过程中仅用文字和图片讲授带来的枯燥问题,激发学生的学习兴趣,提高其学习的自主性和实际动手能力,弥补了传统实验教学的不足,有利于教学质量和水平的提高。
  参考文献
  [1] 傅菲,刘筠.方舱CT技术进展与临床应急使用现状[J].国际医学放射学杂志,2020,43(3):335-337.
  [2] 黎宇,覃洪取.西门子Definition Flash双源数字CT图像技术应用研究[J].数字技术与应用,2020,38(2):83-84.
  [3] 徐克,龚启勇,韩萍.医学影像学(第8版)[M].北京:人民卫生出版社,2018.
  [4] 杨江涛.探究计算机虚拟仿真技术分析及其应用[J].数字技术与应用,2019,37(10):54.
  [5] 崔乐乐,杨玉萍,郭艳等.临床技能虚拟仿真实验教学训练系统建设与研究[J].电子元器件与信息技术,2019,(3):47-50.
  [6] 杨根福.Adobe Animate CC中文版基础教程[M].上海:上海交通大学出版社,2017.
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