A型超声诊断虚拟仿真实验需求

A型超声诊断虚拟仿真实验需求一、技术要求1项目设计思路A型超声（Amplitude-modeUltrasound）诊断仪属幅度调制显示型,是最早应用于临床诊断的一种诊断仪。超声在人体内传播时,遇到声特性阻抗不同的界面,便产生反射,探头接收到反射回波,将其转换为电信号,经处理后送显示器显示。显示器屏幕的纵坐标显示的是反射回波的幅度波形,横坐标代表回波波源的深度。根据回波出现的位置,回波幅度的高低、形状、多少和有无可确定被检体病变或解剖部位的有关信息。虽然A型回波对某些病变反映的特异性不突出,又缺乏解剖学特性,随着实时B型断层显像技术的广泛应用,A型超声已退居次要地位，但是，在原理上，A型超声是理解B型超声成像原理的重要基础，是帮助初学医学课程学生学习并掌握B型诊断仪的切入点。所以本实验的设计紧紧围绕着A型超声诊断仪的测试原理展开。考虑本实验的学习对象是本校临床医学专业，医学检验技术专业大一学生，对于初步掌握《医用物理学》相关知识的大一学生，学生实际的物理基础较为薄弱，加上学生尚未进入临床,对影像仪器和设备缺乏基本的感性知识,所以单纯的理论讲授远不能满足教学要求,必须把实验见习放在同等重要的位置上。该实验在原理上较为简单易懂，但又能很好的联系物理学与医学的相关知识，整个实验设计内容及步骤对于超声临床诊断的原理进行了简化模拟，让学生在学以致用的体验中增加学习兴趣，从而激发学生的学习动力，并为学习理解后续课程,为掌握现代医学诊断手段打下基础。本项目概况本实验分为六个实验项目，分别为学习A型超声诊断仪的使用，学习用A超测量在均匀媒质中的声速,利用A型超声诊断仪测距，研究影响超声回波强度的因素，学习A型超声探测纵向分辨力的测量以及模拟A型超声诊断在眼科检查中的应用。整个实验项目较为全面地涵盖了A型超声诊断仪的应用特点，具有鲜明的医用物理教学特点。并且，利用虚拟仿真实验，可以更为灵活的设计实验测试的对象，为学生后续的临床实验开辟一个相对“感性”的前期了解与研究，激发学生的学习兴趣。2项目基本实施内容超声波的产生与接收利用压电式换能器的压电效应进行超声波与电能之间的相互转换，实现超声波的产生与接收。超声波测不同介质中声速声速是介质中微弱压强扰动的传播速度，其大小因媒质的性质和状态而异。相应的计算公式：，其中k为介质的体积弹性模量，为介质的密度。利用超声波经介质前后两个回波所对应的时间间隔t以及介质的厚度x，可得所测介质的声速。若已知介质的密度，进而可得介质的体积弹性模量。学习用A型超声诊断仪测量在均匀媒质（例：水、铝棒、铜棒、生物液体材料等）中的声速,了解用A型超声诊断仪探测生物组织结构原理。利用A型超声诊断仪测距。（例：测水槽的长度与宽度；测量水中物体的位置；测定水中有机玻璃的厚度，金属材料探伤等）利用A型超声诊断仪的进行病变诊断。病变程度的诊断。超声波具有频率高，波长短，方向性强等特点。当它从一种介质进入另一种介质时，在介质的交界面上要发生折射与反射现象。并且其反射波的强度与两介质的声阻抗有关。并且两界面处的声阻抗相差越大，分界面上的反射就越强烈。根据现有的理论证明结果，在垂直入射的条件下，反射系数，其中与分别为反射波强度与入射波强度，，分别表示第一介质与第二介质的声阻抗。根据人体内部不同组织具有不同的声阻抗，病变组织与正常组织的的声阻抗也不同。根据超声波在不同界面处的反射波强度就可诊断出组织病变情况。病变位置的诊断。根据超声测距原理，设超声波在介质中的传播速度为v，反射面与超声探头的距离为s，则超声波从起点到反射界面间的往返时间为。测得往返时间间隔t，即可得反射面的离开探头的距离，即可判断病变的位置。学习A型超声探测纵向分辨力的测量在水盘中移动玻片A或B,逐渐减少两玻片之间的距离,同时目视诊断仪荧屏,观察显示A,B两界面位置的回波。当两回波的尖窄脉冲发生局部重叠,以重叠部分的高度约为回波脉冲全高的一半时为尚可分辨为两回波的极限,此时在水盘中量出界面A,B之间的实际距离即作为该探头辐射频率的最小纵向分辨距离（实验结果参考:2.5MHz探头为2.0mm;5.0MHz探头为1.0mm）模拟A型超声诊断在眼科检查中的应用。以人眼眼球的基本结构为测量对象，模拟医患就医情形，规范诊疗过程，进行超声检测。3产品功能要求1.软件要求为网络在线版本，用户可通过账号注册的方式进入实验环境进行相关实验操作，不受时间、空间限制。2.利用软件设计虚拟仪器，建立虚拟实验环境，学生在环境中主动操作仪器模拟真实的实验过程。可定制实验方案，实验中仪器可灵活组合，亦可自行设定测量对象的相关参数，具有扩展性，使教师可根据教学目标制定不同层次的实验方案；学生自主选择不同的实验对象完成相同的实验内容，实验针对性强。例如：对A型超声诊断仪要从实际物理原理出发建立相关模型，调节相关参数展示与原理相符的实际效果。可调节的参数：样品缺陷的位置（随机）、样品的声阻抗系数、样品的厚度、超声的振幅等。3.科学性。按照设备、实验的基本原理出发对实验建立数学物理模型，实时显示测量数据；实验结果体现不同实验操作导致的实验误差，正确操作得到正确结果，错误操作得到合理的错误结果。实验真实度高，支持实验过程不唯一。4.界面友好、人机交互便利，通用性好。包含实验原理、仪器、内容、步骤等实验指导性说明。实验现象的图像、文字显示，实验操作图像、文字表现形式要能与实际实验匹配实时显示现操作结果和现象。5.预习演示平台：含实验操作项目演示录像进行操作指导，易于使用。6.支持师生在线实时互动讨论。学生在实验研究过程中，遇到问题可以通过师生在线实时互动进行讨论。7.支持教师查看学生实验操作情况，可通过网站对查看学生的实验时长，方便了解学生虚拟实验完成情况。系统会记录学生每次操作的实验数据，用户可以通过分析数据了解学生对实验的掌握情况。8.虚拟仿真实验支持现有仿真实验教学系统的对接。9.实验现象要求3D效果以及动画展示，不同参数时实验现象不同，用户可以从不同角度观察实验现象。特别是对于超声遇到声特性阻抗不同的界面产生反射，关键的原理使用动画展示原理。10.支持学生在线评价实验功能。11.提供软件操作说明书。12.提供国家虚拟仿真申报视频与引导视频，配合该虚拟仿真实验的进一步申报工作。4项目技术路线要求1.系统使用3D虚拟仿真技术，采用1:1的方式建立3D模型，完成高度逼真的三维虚拟仿真场景，以及实验设备的实时交互功能，并在虚拟场景中采用第一人称视角实现漫游效果。支持windows7、windows8、windows10操作系统，系统要求满足NET3.5环境，支持directX加速。2.虚拟仿真实验采用组件技术设计，将仪器按照数学物理原理建模设计相对独立的组件。用户根据实验内容调用不同的仪器组件形成实验方案、开展实验步骤、调用合适的算法得到实验数据和实验状态，并通过动画、文字、图形等多种可视化技术将模拟真实的实验过程展示出来、并给予合适的提示和指导，协助学生自主完成实验。3.实验操作和现象从基本原理出发，建立相关仪器、算法数学物理模型，能将用户操作的结果实时反映出来，实现正确操作得