近年来，核技术的快速发展为医学治疗带来了许多全新的方法，这些融合了核科学基本原理和生物医学技术的新方法和新装置，在治疗癌症等方面取得了举世瞩目的成果和良好的社会效应。随着社会老龄化的加剧，作为一个现代人应该对这些最先进的核医学治疗癌症方法有一个基本的认知，而作为一个大学生则需要对这些方法的基本原理和知识有所储备，作为核科技专业的学生这些内容更是必须要了解和掌握的专业知识的一部分。特别是质子重离子大型治疗装置，即采用具有精确定位释放能量的质子或者重离子束，通过加速器加速并聚焦照射到肿瘤细胞上使其凋亡，凭借其优秀的高精度局部清除癌细胞和极大限度保护正常细胞的优点，以其极佳的临床治疗表现，正成为相关领域的一颗耀眼的新星，应该被公众所了解，并让更多的核专业学生加入到这个领域中来。

为此在核专业的多个课程中，都有关于该方法的教学内容。但是在实际教学中，缺陷还是明显存在的。首先是公共课的讲述中，由于质子重离子大型治疗装置涉及的专业知识非常多，而大部分的内容对没有较多理工科知识积累的同学很难展开解释，仅仅通过ppt 的描述很难让一般的大学生有一个直观、清晰和全面的认识，理解效率很低。而对于专业学生，由于该装置的稀缺性，复杂性，以及真人实验的不可逆性和危险性，只有极少数幸运儿可以有机会参加这些装置的实习，亲手参与实验或者治疗，这对于专业内容的深入学习和实践是极为不利的。所以针对质子重离子大型治疗装置这样的教学内容，通过虚拟仿真的形式来大大降低上机实验教学的门槛，让专业学生，甚至普通学生都能够参与到实验中，并通过超越真实的观测方式，看到实验过程中的物理和生物反应的微观细节，将是对该领域教学的一种革命性的推进，也是对公众科普的一个利器。因此非常有必要展开该内容虚拟仿真教学的开发。

另一方面，在虚拟仿真技术方面，随着近年来硬件技术的快速发展，商用水平的混合现实（MR）技术逐渐成熟。MR技术需要将现实世界和虚拟世界中的事物在同一个空间中呈现，并且实现互动和反馈，其内容的开发难度远高于VR或AR，但是也带来了VR或AR手段不具备的优势，尤其是对医学相关的教学内容，学生可以直接在真实“病人”和真实的具有物理存在的虚拟“设备”上，进行治疗和并实时观察治疗效果。比如，可以看到真人模特体内的脏器和假设的肿瘤，以及操作质子、重离子管线实现聚焦束对肿瘤进行扫描杀灭和观察效果，也可以亲自去操作各种辅助实验设备如定位束缚装置的制作等。另外配合本团队研发的元宇宙虚拟社会技术，可以实现多人的MR实验，这将为该领域的教学带来全新的面貌。所以本项目将聚焦基于混合现实技术的质子重离子治疗大型装置的虚拟仿真实验，在元宇宙技术平台上研发一套可以让专业和非专业学生都参与其中的虚拟仿真程序。本项目研制的程序不仅可以在质子重离子治疗方法的专业学习和公众科

普领域进行直接的应用，还可以将所研制的技术引申到更多的先进核技术的医学应用的虚拟仿真教学上，具有广泛的实用性。

本项目将在如下8个方面进行设计和开发。

1. 装置核心器件的高精度3D建模以及全流程的体系化的各类装置的完整建模。人员的分器官建模和辅助装置的建模。肿瘤的精细建模和自动生成。

2. 质子重离子的产生和束流光学的粒子模型建模， 以及核心粒子光路控制器件对束流的影响的实时蒙特卡洛运算和视觉呈现。

3. 束流的生物学效应的蒙卡算法以及视觉呈现。

4. 教学相关的精细剂量分析和规划的交互方式开发，以及数据输入输出。5. MR呈现和动捕匹配的方案研制，以及与教学内容的有机融合设计。

6. 治疗全流程的高自由度剧情设计和过场动画。

7. 针对复旦360环幕的适配性开发。

8. 云计算方案的应用和适配。

相适应的教学功能设计按流程描述如下：

1. 老师在虚拟空间中“现场”讲解质子重离子治疗装置和方法。

2. 每个学生将被分配到一个诊疗室，系统自动生成一名病人和符合一定规范的肿瘤组织。肿瘤将根据一定的规则进行系统生成，具有一定的随机性。

3. 学生带领病人进行PET/CT等的诊断，获得肿瘤的详细数据。

4.a 对于专业学生， 根据获得的肿瘤数据，进行治疗规划和精细剂量的计算。得出可以被用于治疗的完整的时间和空间的剂量规划数据表。（该功能分两个阶段实现。初级阶段：学生将数据导出后，在线下完成数据表，并上传入系统。高级阶段：程序需内建数据分析界面，直接在线上完成数据分析和数据表的建立。）

5.a 对于专业学生，调整束流的约束和基础参数的设定，并用测试器进行校验（如果效果不达标亦可强行开展治疗，但会带来严重后果）。然后学生带病人进入诊室，进行定位装置的安装调试操作。最后打开束流开始第一次的照射治疗。完成后，将病人送走。完成设备操作的收尾工作。之后系统以动画形式，略过规划中的后续治疗轮次。

4.b 对于非专业学生，系统提供若干种治疗策略可供选择，学生选择后，系统自动生成剂量规划数据表。

5.b 对于非专业学生， 系统将提供若干种束流调节策略可供选择，学生选择后，系统自动实施调节并给出测试器结果。然后系统将动画演示病人定位装置的调试操作，以及根据4.2生成的数据表的治疗流程，并完成所有治疗轮次。

6 根据4,5 中的操作，通过专业的生物物理效应算法，得出组织，器官和人体对本次治疗的效果并进行视觉化。流程上设立了治疗效果评估环节，将在病床边展示病人的不同治疗效果。（包括极端效果，即错误的操作下导致的包括正常细胞大面积凋亡，器官衰竭，人体死亡等根据算法得到的模拟效应。）

7 流程上设立了回访机制，根据4,5 的实际操作，通过专业的生物物理效应算法，得出不同周期的生存率和器官功能健康指数，并通过人体视觉效果展示。相关的剧情设计也将以动画形式呈现。

8 最后系统将关键信息以报告形式生成，学生可以总览他的学习和实验的要点结果和最终效果，从而总结提高。

其中MR的应用将高度融入3,4,5,6,7环节的展现和互动中。

后期针对复旦360环幕的特点，相关环节都将进行适配性开发，使之可以在环幕上运行和开展实验。

综上，整个教学过程将全流程呈现和使学生深入参与到质子重离子治疗的多个核心环节，让学生完整，生动，深入的了解所有的关键知识和技术，并将学到的知识付诸实践，同时可以实时的观察治疗的短期效果和长期效果，从而得到接近真实的学习效果的反馈。整个教学设计具有专业领域的合理性，以及符合人从学习到实践到反馈再到更深层次学习的基本认知规律。

本项目的实验系统在技术上具有一定的先进性

1. 依托多年的科研积累，针对质子重离子治疗方法的教学实验， 本项目将首次对各个主要过程进行基于最新科研成果的蒙卡模拟计算，并将整个流程串联成一个完整的虚拟仿真综合事件。即专业算法新，全流程模拟。

2. 在可见的范围内，混合现实（MR）技术将首次被深度应用到虚拟仿真教学项目中。通过MR技术将首次实现在真人上的质子重离子虚拟实验，即可以对真人模特体内组织（包括正常组织和模拟的癌组织）进行虚拟仿真照射，并实时观察学生的操作带来的生物学反馈。在项目的初级阶段将完成人体方案的开发，在项目高级阶段我们将不断完善算法，将MR技术应用到仪器设备上，可以利用现有的仪器设备，也可以DIY的各类实体化虚拟仪器，让参与者在使用中体会到超越VR和AR的高度真实的实体反馈，大大增强教学的真实感和临场感。本次MR功能将依托VR眼镜的SeeThrough模式开发，一种极具潜力的MR新途径。

3. 元宇宙技术的引入，让多人虚拟仿真教学成为可能。特别适合类似本项目质子重离子治疗这样需要老师现场指导，多学生配合操作的大型实验。空间上的局限被打破，来自不同地域的学生可以共同看到和操作同一套实验装置，对同一个病例进行治疗实验。

4. 将首次将该类大场景装置的教学， 移植到360环幕的设备上，将充分发挥环形剧目的优点，并结合MR技术发展新的教学方法。

5.由于一体机算力限制，根据以往经验必须牺牲细节度来提高流畅度。而本项目将尝试引入的云算法方案将打破这样的局限，使得我们对于大型装置的核心细节，以及人体相关组织的细节可以做到精细的刻划，教学效果将大大提升。

本项目的实验依托技术先进性，在教学方法上也不断开拓新的可能。

由于MR技术的引入，允许我们将真实的人和仪器，或者部分根据真实物体制作的实体教具应用到虚拟仿真程序中，这打破了原有VR或者AR无法构建具有实体感力学反馈的限制，基于这样的创新，我们将尝试更具真实感的实验和教学方式。在之前的虚拟仿真实验中，我们无法模拟与真人的交互，特别是一些操作性较强的环节，比如根据人体制作定位装置和辅助固定等流程。而依托MR技术，我们将可以对这类项目进行高仿真的实践教学。

进一步实践元宇宙的教学功能，也将给我们带来全新的教学方法。比如，师生共同进入到人体中，对局部组织的变化进行观察。师生共同进入到大型装置中，对粒子束流和电磁透镜的结构进行现场讲解和操作反馈观察。让来自不同地域的学生在一起合作实验，共同现场讨论。期待这些新的教法可以碰撞出新的火花。

实验教学目标（实验后应该达到的知识、能力水平）

通过实验，完整了解质子重离子治疗的基本原理和技术要点，并对整个治疗的流程、操作以及剂量规划方法有一个深入的学习，并通过实践掌握相关的技术。