虛擬醫(yī)學(xué)教學(xué)系統(tǒng)的實踐應(yīng)用研究

張?zhí)m華,張金池,張兆臣,李惠萍

（泰山醫(yī)學(xué)院信息工程學(xué)院,山東 泰安 271016）

虛擬醫(yī)學(xué)教學(xué)系統(tǒng)的實踐應(yīng)用研究

張?zhí)m華,張金池,張兆臣,李惠萍

（泰山醫(yī)學(xué)院信息工程學(xué)院,山東 泰安 271016）

為了合理的利用現(xiàn)有醫(yī)學(xué)教學(xué)資源、解決醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)資源緊張的問題,利用虛擬現(xiàn)實及模擬技術(shù),在傳統(tǒng)教學(xué)及平臺的基礎(chǔ)上,結(jié)合已有教學(xué)資源與軟件平臺開展虛擬教學(xué)系統(tǒng)的實踐應(yīng)用研究。利用虛擬醫(yī)學(xué)系統(tǒng)不僅形象生動的體現(xiàn)了復(fù)雜的教學(xué)過程,對于醫(yī)學(xué)教學(xué)中不能開展的實驗或有限的教學(xué)資源提供一種新的教學(xué)及實驗方式。實踐證實在醫(yī)學(xué)教學(xué)過程中開展虛擬醫(yī)學(xué)教學(xué)與實驗是可行的。

虛擬現(xiàn)實；模擬技術(shù)；教學(xué)系統(tǒng)

10.3969/j.issn.100221701.2012.10.042

隨著高校的擴招,高等醫(yī)學(xué)院校學(xué)生人數(shù)大幅度增加,隨之而來的就是醫(yī)學(xué)教學(xué)資源的緊張。在醫(yī)學(xué)教學(xué)中,實驗教學(xué)同理論教學(xué)一樣,成為醫(yī)學(xué)教學(xué)活動中不可缺少的教學(xué)方式,而且是學(xué)生提高實踐能力有力的保障。如何解決醫(yī)學(xué)資源緊張問題是醫(yī)學(xué)院校急需解決的問題之一。

醫(yī)學(xué)教學(xué)系統(tǒng)是輔助醫(yī)學(xué)院校進行教學(xué)活動常用的方式之一,醫(yī)學(xué)教學(xué)系統(tǒng)可以生動形象的對醫(yī)學(xué)教學(xué)活動進行描述和表達。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種綜合計算機圖形技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)、人機交互技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、立體顯示技術(shù)以及仿真技術(shù)等多種技術(shù)制造逼真的人工模擬環(huán)境,并能有效地模擬人在自然環(huán)境中的各種感知系統(tǒng)行為的高級的人機交互技術(shù),虛擬環(huán)境通常是由計算機生成并控制的,使用戶身臨其境地感知虛擬環(huán)境中的物體,通過虛擬現(xiàn)實的三維設(shè)備與物體接觸,從而真正地實現(xiàn)人機交互[1]。因此在醫(yī)學(xué)教學(xué)系統(tǒng)中運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)對緊張的醫(yī)學(xué)資源進行模擬為醫(yī)學(xué)院校解決資源緊張問題提供了一條可行之路。

一、實踐應(yīng)用研究現(xiàn)狀

在國外的醫(yī)學(xué)研究及教學(xué)領(lǐng)域,已經(jīng)利用多種模擬手段開展了大量的研究與應(yīng)用,取得了大量的研究成果,得到了良好的教學(xué)效果。

從1990年開始,模擬教學(xué)在美國、英國、德國等發(fā)達國家的醫(yī)學(xué)教學(xué)中得到逐步推行。20世紀90年代初,我國浙江醫(yī)科大學(xué)、華西醫(yī)科大學(xué)和九江醫(yī)學(xué)專科學(xué)校受美國中華醫(yī)學(xué)基金會資助,實施了臨床技能教學(xué)改革并取得了積極的成果。目前,全世界已經(jīng)建立有數(shù)百個醫(yī)學(xué)模擬訓(xùn)練中心,并建立了地區(qū)性和世界性模擬醫(yī)學(xué)教學(xué)專業(yè)協(xié)會。模擬教學(xué)正越來越多地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)各個學(xué)科的臨床教學(xué)、人員培訓(xùn)、技能評估和科學(xué)研究中[2]。

對于模擬研究,國外利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立虛擬的人體模型,借助于跟蹤球、HMD、感覺手套,可以很容易了解人體內(nèi)部各器官結(jié)構(gòu)[3]。另外,在遠距離遙控外科手術(shù),復(fù)雜手術(shù)的計劃安排、為手術(shù)過程提供操作和信息上的輔助、預(yù)測手術(shù)結(jié)果及改善殘疾人生活狀況,乃至新型藥物的研制等方面,都使用模擬技術(shù)開展研究。

同時,借助計算機圖形學(xué)與虛擬現(xiàn)實進行虛擬生物解決方案,特別是醫(yī)學(xué)教學(xué)過程中較為復(fù)雜的手術(shù)過程等,使用計算機技術(shù)來模擬、指導(dǎo)醫(yī)學(xué)手術(shù)所涉及的各種過程,在時間段上包括了術(shù)前、術(shù)中、術(shù)后,同時對于手術(shù)計劃制定,手術(shù)排練演習(xí),手術(shù)教學(xué),手術(shù)技能訓(xùn)練,術(shù)中引導(dǎo)手術(shù)、術(shù)后康復(fù)等都有多項研究成果[4]。

結(jié)合計算機人工智能的研究,國內(nèi)外的研究機構(gòu)以智能仿真技術(shù)為核心開展病人模擬系統(tǒng),解決醫(yī)學(xué)生臨床教學(xué)所面臨問題。

二、虛擬醫(yī)學(xué)系統(tǒng)實踐研究

作為輔助實驗教學(xué)的主體,虛擬醫(yī)學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)直接影響最終的實踐效果,因此利用已有教學(xué)資源與軟件平臺相結(jié)合來開發(fā)虛擬教學(xué)系統(tǒng),通過對已有的醫(yī)學(xué)教學(xué)資源進行分析設(shè)計,結(jié)合相關(guān)的軟件平臺,在傳統(tǒng)教學(xué)及平臺的基礎(chǔ)上,利用模擬技術(shù)開發(fā)虛擬教學(xué)平臺,使之更加形象生動的體現(xiàn)復(fù)雜的教學(xué)過程。然后利用模擬技術(shù)通過軟件平臺模擬不能開設(shè)的或資源緊張的實驗。對于醫(yī)學(xué)教學(xué)中不能開展的實驗或有限的教學(xué)資源,通過軟件平臺模擬實驗過程或教學(xué)過程,最終使學(xué)生掌握此相關(guān)知識。

借助虛擬醫(yī)學(xué)系統(tǒng),首先在理論教學(xué)過程中將復(fù)雜的醫(yī)學(xué)過程進行形象表示,在實驗教學(xué)之前,先通過虛擬醫(yī)學(xué)系統(tǒng)對學(xué)生進行培訓(xùn)。由于醫(yī)學(xué)過程的復(fù)雜性,眾多實驗及理論必須通過親身實踐才能掌握,因此,對于過程復(fù)雜、要求較高、需要反復(fù)鍛煉的教學(xué)過程通過虛擬現(xiàn)實的技術(shù)表達在醫(yī)學(xué)系統(tǒng)中。

虛擬醫(yī)學(xué)系統(tǒng)與其他教學(xué)方法和系統(tǒng)相比有其獨有的特性。計算機輔助的模擬技術(shù)可將醫(yī)學(xué)教學(xué)中復(fù)雜的實驗及操作數(shù)字化,通過直觀的表達學(xué)生易于學(xué)習(xí)和掌握,在傳統(tǒng)教學(xué)方法和模式的基礎(chǔ)上,提供多樣性的主動學(xué)習(xí)的環(huán)境,具有較強的人機對話功能,容易建立起雙向交互式人機界面,使學(xué)生從被動學(xué)習(xí)到主動積極靈活的學(xué)習(xí),提高教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量。

除此之外,模擬系統(tǒng)還可以解決醫(yī)用資源不足的問題,可以利用虛擬手術(shù)器等模擬,并可利用操縱桿,選擇任一結(jié)構(gòu)的模型將其從數(shù)字化虛擬中獨立出來,進行更精細的觀察,這樣的過程可以進行反復(fù)練習(xí),分組進行,方便師生,不僅節(jié)約資源,還解決現(xiàn)實資源不能重復(fù)利用的問題。

利用模擬技術(shù)在醫(yī)學(xué)教學(xué)中進行開發(fā)與應(yīng)用有多種形式[5],比如虛擬實驗室可用于課堂教學(xué)和學(xué)生自學(xué),可以提高教學(xué)效果、增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造力和想像力等。

醫(yī)學(xué)模擬教學(xué)可以應(yīng)用于普通的理論及實驗教學(xué)活動,比如解剖學(xué)、生理學(xué)、藥理學(xué)、物理診斷學(xué)、護理學(xué)等,也可以應(yīng)用在臨床教學(xué)中,如婦產(chǎn)科、兒科、急診科、麻醉科、外科、內(nèi)科及內(nèi)窺鏡等的學(xué)習(xí)。

通過虛擬醫(yī)學(xué)教學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用,不僅為教師、學(xué)生提供一種新的學(xué)習(xí)方式,也為學(xué)校及臨床提供積極的輔助手段,利用模擬技術(shù)構(gòu)建醫(yī)學(xué)虛擬教學(xué)系統(tǒng)可以改善傳統(tǒng)教學(xué)方式和教學(xué)手段的不足,提高教學(xué)的效果和效率。同時可以提高學(xué)生的動手能力,節(jié)約實驗資源。

三、應(yīng)用推廣前景

虛擬醫(yī)學(xué)教學(xué)系統(tǒng)的試點及應(yīng)用為學(xué)校、教師及學(xué)生提供一條嶄新的教與學(xué)的方式。

醫(yī)學(xué)教學(xué)系統(tǒng)可以結(jié)合新的技術(shù)開展新型的理論與實驗教學(xué),提高學(xué)生的實踐動手能力。同樣,虛擬現(xiàn)實也可以應(yīng)用于臨床及實踐操作中,為實習(xí)醫(yī)生或?qū)W生提供新的實驗資源。

同時,其他專業(yè)或課程也可以借鑒虛擬醫(yī)學(xué)教學(xué)系統(tǒng)作為理論教學(xué)或者實驗教學(xué)的輔助手段。

四、結(jié)束語

不管在醫(yī)學(xué)研究還是教學(xué)領(lǐng)域,模擬技術(shù)作為一種新的手段和其他計算機技術(shù)相結(jié)合,成為推動醫(yī)學(xué)教學(xué)改革和發(fā)展以及解決醫(yī)學(xué)研究的新的熱點方向。

模擬技術(shù)在醫(yī)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用為中國醫(yī)學(xué)教育改革與發(fā)展提供了一條新的途徑,利用模擬技術(shù)不僅可以在滿足資源的要求,還可以生動形象的表達教學(xué)過程,并且在一定程度上綜合了一整套新的教學(xué)方法,使學(xué)生得到一個完整醫(yī)學(xué)學(xué)習(xí)過程的訓(xùn)練及模擬。

當(dāng)然,虛擬醫(yī)學(xué)教學(xué)系統(tǒng)在實驗教學(xué)中還存在一定的不足：沒有真實環(huán)境的實物感,不能完全反映現(xiàn)實醫(yī)學(xué)過程,也不能完全表達真實環(huán)境中的意外情況等。下一階段我們將針對實踐應(yīng)用中出現(xiàn)的問題和發(fā)現(xiàn)的不足,繼續(xù)展開研究,努力提高醫(yī)學(xué)虛擬系統(tǒng)的應(yīng)用效果。

[1]劉 怡,曾照芳,李 驕.虛擬現(xiàn)實技術(shù)中的肝臟構(gòu)建及其相關(guān)研究[J].中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報,2007,26（2）：7462750.

[2]徐 晤,王志榮,黃一虹,等.虛擬與現(xiàn)實結(jié)合的心電圖軟件的構(gòu)建[J].中國醫(yī)學(xué)教育技術(shù),2007,21（1）：33235.

[3]李 橋,潘 燕,孫文紅,等.虛擬儀器在醫(yī)學(xué)信號檢測分析實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理,2005,22（1）：28230.

[4]邱 峰,張際平,高 巖.虛擬手術(shù)實驗在醫(yī)學(xué)教學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2009,19（7）：1272129.

[5]楊曄琴,高歌心,蔡福滿,等.虛擬教學(xué)平臺在護理實踐教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國高等醫(yī)學(xué)教育,2011（5）：64265.

Practice and application research on virtualmedical teaching system

ZHANGLan2hua,ZHANGJin2chi,ZHANG Zhao2chen,et al
（College of Information and Engineering,Taishan Medical College,Taian 271016 Shandong,China）

In order tomake full useof themedical teaching resource and satisfy the requirementofmedical experiments,based on the custom teaching platform,the authors have developed the practice and application research on virtualmedical teaching system taking advantageof the virtual reality and simulation technology and combining the original teaching resourceson software platform.It reflects the complex teaching process directly and visually,also provides a new method in the teaching and experimentswhich are difficult to develop in the limitedmedical resources.The practice has verified that it is feasible to develop the virtualmedical teaching and experiment inmedical teaching.

virtual reality；simulation；teaching system

G642.0

A

100221701（2012）1020080202

2011208

張?zhí)m華,男,博士,講師,研究方向：醫(yī)學(xué)信息學(xué)及復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)建模與算法。

中華醫(yī)學(xué)會醫(yī)學(xué)教育分會醫(yī)學(xué)教育研究課題（20101403）；山東省高等學(xué)?？萍加媱濏椖浚↗10LC59）。

●教學(xué)管理