基于Unity3D的CT虚拟仿真实验系统

　　摘 要：为克服CT(电子计算机断层扫描)实验教学受设备、场地的限制，促进学生理解CT的实验原理与操作步骤，本文采用Unity3D软件与交互式技术，开发适用于多平台的CT虚拟仿真实验系统。其具有以下突出特点：一是交互性好;二是可以立体、动态地呈现实验过程;三是可以记录操作过程与参数设置，并自动生成实验过程记录。实践表明，在本系统中，实验者仅需要通过鼠标、键盘即可完成实验，然后由实验过程记录反馈实验成绩。这有利于学生实践能力的提高，便于学生自查，便于教师分析教学情况，最终可提高实验教学质量。

　　关键词：CT;实验教学;实验过程记录

　　医学影像设备是医学影像技术相关专业的重要教学内容，学生不仅应掌握医学影像设备的工作原理，还应对其操作规范有一定了解。因而，国内很多高校开设了相关实验与见习课程。但受限于设备昂贵且庞大、高危险性、高消耗性、极端环境需求性、不可逆转性、不可替代性等因素[1]，实验教学往往侧重于工作原理与图像的分析处理，而实地见习往往是以“围观式”开展教学——指导教师演示，学生观察的。这使得学生参与度不高，且存在难以观察和记录操作流程的问题，进而影响实验教学效果。

　　为克服上述问题，国内很多高校已开展了关于医学影像设备的虚拟仿真实验的研究与应用[2-5]。仿真实验主要有软硬件结合与纯软件两种形式。软硬件结合包括硬件、软件两个部分，其中一部分作为控制，另一部分作为仿真对象，优点在于虚实结合，有效地降低了成本。例如，齐现英等[2]采用上位机软件控制单片机系统，以硬件形式模拟了X线机的旋转阳极启动、灯丝预热和曝光过程;费杰等[3]采用单片机系统控制上位机，以软件形式模拟了DR虚拟模型的动作，如各轴的平移、旋转运动、灯丝预热、曝光等。但该方法的缺点在于，实验系统的升级换代往往需要配备新的硬件设备，需要额外的开销。因而，有研究者就纯软件的虚拟仿真实验进行了设计，在保证仿真效果的前提下增加了靈活性。例如，许海兵等[5]设计的信息化CT虚拟仿真平台就以纯软件的形式，在虚拟场景中将设备结构、扫描过程、图像形成过程等动态呈现。综上所述，上述虚拟仿真系统在一定程度上改善了实验条件，提高了教学效果，但大多针对设备控制与拆解，而较少涉及操作规范。

　　为此，本文采用虚拟仿真技术设计了一种新的CT虚拟仿真实验系统，一方面为学生提供了实验条件，观察与控制CT;另一方面通过实验过程记录，用于其操作规范考核与成绩评定。

　　1 系统设计

　　基于Unity3D的CT虚拟仿真实验系统包括虚拟场景、操作仿真、交互操作、过程管理等环节，总体结构可分为三大模块，即信息展示模块、交互与过程管理模块、场景仿真与漫游模块[6]，如图1所示。具体实施如下：通过3D建模技术构建系统所需的虚拟场景，如CT设备、核心组件及操作间等;通过脚本控制实现交互操作与第一视角漫游，如响应鼠标的指令;采用SQLite数据库管理实验过程数据，用于存储实验过程数据与用户信息，为实验考核提供依据。

　　2 开发流程

　　2.1 3D模型建模

　　Unity3D仅支持简单的、规则的模型，如长方体、球体、圆柱体等，但针对复杂形态的模型，人们需要使用其他3D建模软件(Maya、3D Max、Solidworks等)。本文具体的做法是，使用Maya对所需模型建模、上色、贴图、修正坐标系等，并导出FBX文件格式的模型。其中，CT设备模型如图2所示。

　　2.2 交互

　　在小节2.1的基础上构建虚拟场景后，以模块化思想编写脚本，以实现用户与虚拟仿真系统间的交互，具体包括第一人称视角、CT外壳透明化、CT控制等。为将鼠标的功能复用，即漫游与设备控制均由鼠标完成，将鼠标设置为2种工作模式，即第一人称视角模式、设备控制模式，初始化为第一人称视角模式。

　　通过上述交互操作，将CT设备的结构、细节特征与控制过程向学生展示。

　　2.2.1 第一人称视角。第一人称视角模式下，设置鼠标功能，控制主相机的位置与旋转角度。具体为：鼠标左键设置相机旋转角度;鼠标滚轮设置相机深度位置;鼠标右键切换工作模式。具体流程如图3所示。其间通过Input.GetMouseButtonDown判别鼠标左、右键单击事件;利用左键调整视角的角度，保持左键按下状态下移动鼠标改变主相机的旋转角度(若鼠标前后拖动，则相机绕X轴上下旋转;若鼠标左右拖动，则绕Y轴左右旋转);利用右键实现模式切换，比如，切换为设备控制模式，调制好视角后，保持当前视角状态，鼠标功能用作控制;利用Input.GetAxis("Mouse ScrollWheel")判别鼠标滚轮调整方向(正、负)，将上述方向乘以一个预设的步长从而改变相机在Z轴上的位置，即深度。

　　2.2.2 CT展示。CT展示的内容主要包括两个方面：设备内部工作过程与关键组件结构细节。为观察内部工作过程，利用GetComponent().materials[1].color修改CT主机外壳透明度，效果如图4所示。此外，为将关键组件(X线管、探测器、滑环)展示出来，利用动画将关键组件从CT中拆解出来，效果如图5所示。

　　2.2.3 CT操作。CT操作包括两个部分：调整床位;调整CT主机倒角。在本实验系统中，利用鼠标模拟操作者，单击CT的控制按键进而实现CT操作。其原理是用鼠标发出射线(Ray)检测设备的控制按键对象(需要添加碰撞体属性)，利用对象名称执行相应的操作。其中，CT操作是将移动与旋转相结合，以实现调整床位的位置与CT主机倒角，具体情况如图6所示。

　　2.3 实验过程数据管理

　　SQLite是一种轻型数据库，其具有如下特点：所占资源少，兼容性好(不仅支持嵌入式设备，还支持Windows、Linux、Unix等主流操作系统)，同时支持多种编程语言(如C、C+++、C#、Python等)。因而，本系统采用SQLite记录用户的实验过程。

　　具体过程为：数据库为每个用户创建一个表，表中记录其实验过程;定义表的字段，包括DateTime(时间戳)、CurrentAction(指当前操作内容，比如，START是启动设备，END是关闭设备，BED_UP\BED_DOWN是调节CT床高度等)、DeviceInfo(指当前设备信息，如{(110.02，15.12，13.0)，(0)}，第1个括号内容是CT床三维坐标，第2个括号内容是CT主机倒角角度);将每次操作的时间、当前操作内容、设备信息插入当前表内，比如，颅脑平扫的CT定位实验过程记录如表1所示;当完成操作后，读取表中数据，依据操作的顺序正确性、设备参数的准确度对学生的操作规范进行考核评价。

　　3 结语

　　本文采用Unity3D构建交互式的虚拟场景，克服了以往CT实验教学问题——CT操作内容的缺失与学生实验参与度低。此外，本系统具有以下突出特点：兼容性好，支持Windows、Linux、Mac等桌面操作系统，便于教师教学与学生自主学习;交互性友好，将设备结构细节与实验过程直观呈现，提高了学生参与度和学习兴趣;灵活性高，本系统采用的是纯软件设计，相比于软硬件结合的系统在优化与升级上具有一定优势;可以进行实验过程数据管理，应用效果较好。根据实验过程记录结果及具体分析，该系统可自动对照操作规范进行考核，有助于教师分析学情，有助于学生自主总结。因而，本实验系统的应用有利于高校医学影像技术人才的培养，为实践性实验提供了新方法。

　　参考文献：

　　[1]于毅，楊楠，任琼琼，等.医学影像虚拟仿真实验平台建设探索[J].数字技术与应用，2018(12)：193.

　　[2]齐现英，鲁雯，韩丰谈，等.虚拟仿真教学在《医学影像设备学》教学中的研究与应用[J].中国医学物理学杂志，2012(1)：3208-3210.

　　[3]费杰，鲁博洋，唐鹤云，等.基于Unity与单片机的DR可交互仿真教学工作站的设计与应用[J].实验室研究与探索，2019(8)：110-113.

　　[4]胡智慧，朱钱成，胡俊峰.仿真数字胃肠机的设计与实现[J].中国医疗设备，2016(1)：45-47.

　　[5]许海兵，沈孝翠，李伟，等.基于信息化CT虚拟仿真平台的设计与实现[J].医疗装备，2018(17)：24-27.

　　[6]丁毓峰，徐鑫，闵新普，等.基于Unity3D的机电产品虚拟拆装实验系统[J].实验室研究与探索，2020(3)：118-122.

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文章名称： 基于Unity3D的CT虚拟仿真实验系统

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