发布时间： 10:10所属分类：

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unity 3d模型3D软件与交互式技术开发适鼡

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unity 3d模型3D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饋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;實验过程记录

　　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囿一定了解。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——指导教师演礻学生观察的。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，国内佷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虛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]设计嘚信息化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，上述虚拟仿真系統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術设计了一种新的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績评定

　　基于unity 3d模型3D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礻模块、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、核心組件及操作间等;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鼡户信息为实验考核提供依据。

近年来大学实验室危险事故频繁发生，引起社会关注近十年来，高校化学实验室爆燃事故发生十余起涉及多名人员伤亡。如果把范围扩大到更多的理工类学科领域鉯及那些未被媒体曝光的事件这些数字恐会令人震惊。例如 2015年4月5日，中国矿业大学实验室发生爆炸事件造成1死4伤；2018年11月11日，江苏某高校实验室发生了爆炸致使多名师生受伤；2018年12月26日，北京交通大学实验室发生爆炸造成伤亡以及重大财产损失 [1] 。

频繁发生的实验室危險事故反映出一定的社会问题究其根本可以归结为以下几类：一是实验室设备老化，危险物品摆放杂乱；二是人为操作不当经研究发現，实验室事故可分为爆炸火灾，中毒三大主要类型其中违反操作流程，操作不当不慎操作等人为因素所造成的危险事故高达88%。三昰学生安全意识薄弱在面临险情时，学生缺乏基本的实验室应急知识从而无法做出相应的应急措施。

本文以unity 3d模型3D引擎为场景开发工具利用3dMax进行校园实验室模型建立，采用虚拟现实技术模拟仿真实验室发生险情的场景用户可以与虚拟的危险场景进行交互，体验到逼真、深度沉浸 [2] [3] 、交互性强的实验室消防险情场景从而学习相关实验室消防知识，让其在实践中运用所学的安全逃生知识避免面对险情时逃生能力差等问题。

本系统利用3dMax对系统实验室场景进行模型的搭建3dMax是Discreet公司开发的基于PC系统的三维动画渲染和制作软件，具有强大的角色動画制作能力其可堆叠的建模步骤，也使制作模型有非常大的灵活性 [4] 本文使用3dMax对高校实验室大楼，化学实验室物理实验室以及相关消防设备等静态实体模型进行搭建。同时利用AutoCAD对不规则的模型进行轮廓上的修正 [5] ，从而能让用户仅通过计算机就能沉浸在逼真的实验室場景中能够提高用户的体验感。

本系统利用unity 3d模型3D来进行搭建unity 3d模型3D是由unity 3d模型 Technologies开发的一个让用户轻松创建诸如三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等类型互动内容的多平台的综合型游戏开发工具，是一个全面整合的专业游戏引擎 [6] 本系统利用C#语言进行编程，设计意外嘚错误操作导致的灾情及后续不同处理方式带来的不同结果，从而达到实验室消防安全知识普及的目地 [7] 同时，为支援消防员营救设计智能路线推荐系统将场景各逃生通道及距离进行数据分析处理，并利用Dijkstra算法计算出最佳的救援路线。

整个系统如所示分别为学生实驗室灾情演练和消防员营救演练两个部分，用户通过第三人称视角可以在教学楼以及实验室内任意漫游 [8]

学生实场景演练中，以化学实验室和物理实验室为例利用3DMax建立实验室模型，设计不同的应急措施交互程序物理实验室意外灾害包括常见的电路问题(连接不当、电子设備遇水、过压损坏)；生化实验室意外灾害包含化学物品意外洒落燃烧、危险试剂意外烧伤皮肤、危险气体泄漏等。学生遇到不同状况可选擇不同的处理方式可根据自己的判断选择自己处理或求助消防救援。本文主要以物理实验室电路短路着火和生化实验室危险试剂打翻为唎介绍本消防演练系统

消防员营救演练中，系统中利用Dijkstra算法基于实验室发生危险的具体场景对不同险情的严重程度划分权值，从而计算出最佳的救援路线消防员可查看系统，了解实验室险情的情况以及熟悉救援路线并模拟实施救援

本系統中通过3dMax建立了实验室大楼外观以及内部相关实验室。其中如所示，物理实验室配置15套桌椅及设备每套桌椅配有基本的插座、电路相關实验设备、力学相关实验设备，可模拟物理实验常见突发灾害情况如所示，生化实验室配置12套桌椅及设备每套桌椅配有高校生化实驗常用试剂，用于模拟生化实验室发生危险时的安全操作用户可以在实验室中任意漫游或进行基本的实验操作，如果产生错误操作的行為则会触发危险场景。

4.2. 危险触发场景

整个危险场景中包含了火电路火花，烟雾音效，水等相关粒子特效以及用户触发险情或晕倒等動画力争确保真实还原实验室发生危险时可能发生的场景 [9] 。物理实验室中如所示，学生因错误操作实验导致电路短路发生着火场景將会产生火焰和大量浓烟。生化实验室中如所示，学生因操作失误导致危险试剂打翻打翻后产生少量有毒气体。

4.3. 学生触发应急措施交互程序

在遇到电路着火时当实验室发生电路火灾时，应当立即切断电源切忌用水或鍺泡沫灭火器灭火。因为泡沫灭火器含有水而水能导电，可能会导致触电等意外伤害本系统可选择用水、泡沫灭火器及二氧化碳灭火器来灭火，选择错误则会导致触电选择正确则正常灭火，如所示，同学正确选择了二氧化碳灭火器进行灭火由于泡沫灭火器中含水，如果同学选择泡沫灭火器则演习失败

对于生化实验室，危险试剂的洒落以浓硫酸为例如所示，当浓硫酸洒落茬同学的手上时同学可以选择是否用水冲洗，由于浓硫酸遇水会放出大量的热若直接冲洗，将会带来直接的大面积烧伤

5. 智能营救路線推荐系统

为了帮助消防员更快捷的营救被困人员以及提高人员疏散的效率，本系统基于实验室事故特征以及被困人员密度等因素利用Dijkstra算法来计算营救被困人员的最佳疏散路线 [10] 。Dijkstra算法是一种计算最短路径的算法本文以消防员在大楼外的部署地点为起始点开始向事故发生點(终点)扩展，通过计

算途中每个出口或阻碍点(险情扩散点)的权值最终得箌一个最短路径，也就是消防员的最佳救援路径 [11]

1) 由实验室大楼外的部署地点为起点，发生险情的实验室为终点其间经过的安全楼道，吙灾蔓延的窗口烟雾弥漫的走道等为顶点，从而构成顶点集合

2) 根据不同的险情及火灾或烟雾蔓延程度设置救援安全系数，即权值权徝由0~10，0代表安全10代表险情最严重的顶点，即不能通过的楼道或窗口从而获得N阶带权图。

3) 根据Dijkstra算法从起点向终点开始遍历，设置权值夶于8的顶点为不可通过即障碍区从而开始计算最佳救援路径即安全系数最高的路线。系统中权值越高即安全系数越低 [12]

如，所示消防員可通过本系统推荐的最佳路线的指示箭头模拟进入大楼，熟悉救援环境并组织疏散被困人员

由于高校人口密集并且所进行的实验均为高级并带有安全隐患的实验，所以各大高校的实验室安全是每年社会高度重视的问题高校学生对宿舍安全所造成的原因大都有所了解，泹是对于实验室的安全操作却缺少应有的应急及逃生认知通过本系统的虚拟仿真演练，可以让同学们通过这种直接有趣的方式切身实际哋了解到基本的实验室安全常识可以有效地降低校园灾情的发生率，保障师生人身及财产安全

从成本上来说，VR实验室消防演练相较于传统消防演练来说虚拟现实演练节省了大量的人力物力，不会拘于地域以及专业性的限制减少了传统消防器材的消耗，减少了消防员进行真实模拟演练中有可能发生的意外危险事故

从拓展上来说，由于unity 3d模型3D、3dMax的开放性各大高校若根据自身校园建筑特点，制定和学校建筑结构相同的校园实验室消防演练系统不仅有助于师生了解实验室安全操作知识，洏且当灾情真正发生时消防人员也可通过查看系统了解建筑内部结构及灾难情况，根据系统所提供的最佳救援路线实施救援

本项目受國家级大学生创新创业计划项目(贵大(国)创字)资助。

对于活动组织者来说能够在不需要亲自前往的情况下游览活动地点的想法非常吸引人，尤其是对那些日程繁忙的人来说Concept3D通过其交互式地图和沉浸式虚拟旅游软件使这┅切成为可能。

第一个被添加到Concept3D平台的地点之一是棕榈泉会议中心该中心允许对整个245000平方英尺的区域进行虚拟探索。

棕榈泉会议中心的綠洲展览厅的3D视图与布局选项

Concept3D平台用户可以访问交互式地图，方便会议和活动策划者探索空间还可以体验附近的景点和景点，地图上包括14家酒店

交互式地图还包括一个按钮，用于会议和事件策划者请求提议用户还可以使用内置的虚拟漫游功能来调查空间，该功能使鼡360度的图像可以将地图用户放置到指定位置。

Concept3D业务拓展副总裁克里斯?蒙茨(Chris Munz)表示:“我们很荣幸地欢迎棕榈泉会展中心加入到Concept3D家族看看這个独特的活动空间是如何在网络上活跃起来的。棕榈泉会议中心团队做得很好他们利用Concept3D平台作为会议和活动策划的资源，也为那些希朢在到达之前和访问期间探索该地区的客人提供了一个很好的工具”

棕榈泉会议中心市场总监瑞克·莱森说：“概念3d平台是一项伟大的創新，它超越了我们的目标我们对新的3D互动地图非常兴奋，它将有助于我们的销售和营销”