淺談虛擬現(xiàn)實技術(shù)對現(xiàn)代醫(yī)學(xué)教育的影響

李 檬，羅泰來，牛 振

模擬訓(xùn)練在過去的40年中，已廣泛用于航空、商業(yè)、核電和軍事領(lǐng)域。模擬教學(xué)可分為模塊模擬和情景模擬。模塊模擬是使用模塊式的教學(xué)模具，對單一的技能進行操練。情景模擬則是使用標準化患者(standardized patients，SP)等，對特定的場景以及病例進行模擬，訓(xùn)練學(xué)員對相應(yīng)情景的反映。兩種模擬方式各有優(yōu)點，但均有不足之處。虛擬現(xiàn)實(virtual reality，VR)技術(shù)則能將兩者優(yōu)點結(jié)合，既能模擬特定的場景，又能讓學(xué)員進行重復(fù)的練習(xí)。

1 VR技術(shù)的概念

VR技術(shù)是20世紀60年代中期由Ivan Sutherland最先完成的［1］。1965年第一臺頭戴式現(xiàn)實器的制成，意味著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的誕生。VR一詞是由噴氣推動實驗室的創(chuàng)始人Jaron Lanier首先提出來的，又稱之為虛擬環(huán)境(virtual environment，VE)，是美國國家航空和航天局及軍事部門為模擬而開發(fā)的一門高新技術(shù)。VR不同于一般的多媒體或仿真技術(shù)，它是多種技術(shù)的綜合與集成，其主要的相關(guān)技術(shù)包括［2］:傳感器技術(shù)、促動器技術(shù)、實時仿真技術(shù)、數(shù)字仿真技術(shù)、計算機輔助設(shè)計技術(shù)、人工智能技術(shù)、場景生成技術(shù)和多媒體技術(shù)等。根據(jù)VR技術(shù)的使用媒介不同，可分為:沉浸式VR、桌面式VR、假性VR和逆向VR等。

VR系統(tǒng)包含4個部分:軟件、硬件、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。硬件部分包括［3］:(1)傳感器(sensors)。例如能夠檢測觀察者身體運動的頭位置傳感器等。(2)印象器(effector)。印象器指能夠刺激觀察者產(chǎn)生立體效果的立體顯示裝置，如頭盔顯示器等。(3)連接傳感器與印象器以產(chǎn)生模擬物理環(huán)境的特殊硬件，如工作站。VR技術(shù)之所以能夠掀起如此大的研究熱潮，其原因不僅在于它自身的理論發(fā)展與完善，更主要的在于它在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用以及可以預(yù)見的廣闊發(fā)展前景。

2 VR技術(shù)在教學(xué)中的作用

2.1 虛擬環(huán)境，安全高效

在遠程教學(xué)中，往往會因為實驗設(shè)備、實驗場地、教學(xué)經(jīng)費等方面的原因，而使一些應(yīng)該開設(shè)的教學(xué)實驗無法進行。利用VR系統(tǒng)，可以彌補這些方面的不足，學(xué)生足不出戶便可以做各種各樣的實驗，獲得與真實實驗一樣的體會，從而豐富感性認識，加深對教學(xué)內(nèi)容的理解。

以往對于危險的或?qū)θ梭w健康有危害的實驗，一般采用電視錄像的方式來取代實驗，學(xué)生無法直接參與實驗，獲得感性認識。利用VR技術(shù)進行虛擬實驗，則可以免除這種顧慮。學(xué)生在虛擬實驗環(huán)境中，可以放心地去做各種危險的或危害人體的實驗。例如，虛擬的化學(xué)實驗，可以避免化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的燃燒、爆炸所帶來的危險;虛擬的外科手術(shù)，可避免由于學(xué)生操作失誤，而造成“患者”死亡的醫(yī)療事故。

2.2 模擬訓(xùn)練，環(huán)境逼真

VR技術(shù)能夠為學(xué)生提供生動、逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生能夠成為VE的一名參與者，在虛擬環(huán)境中扮演一個角色，這對調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，突破教學(xué)的重點、難點，培養(yǎng)學(xué)生的技能都將起到積極的作用。

VR系統(tǒng)可設(shè)置不同的戰(zhàn)場背景，給出不同的情況，而受訓(xùn)者則通過立體頭盔、數(shù)據(jù)服和數(shù)據(jù)手套(或三維鼠標)操作傳感裝置，從而做出或選擇相應(yīng)的戰(zhàn)術(shù)動作。輸入不同的處置方案，體驗不同的作戰(zhàn)效果，進而像參加實戰(zhàn)一樣，鍛煉和提高戰(zhàn)術(shù)水平、快速反應(yīng)能力和心理承受力。與常規(guī)的訓(xùn)練方式相比較，VR訓(xùn)練具有環(huán)境逼真，“身臨其境”感強、場景多變，訓(xùn)練針對性強和安全經(jīng)濟，可控制性強等特點。如美空軍用VR技術(shù)研制的飛行訓(xùn)練模擬器，能產(chǎn)生視覺控制，能處理三維實時交互圖形，且有圖形以外的聲音和觸感，不但能以正常方式操縱和控制飛行器，還能處理VR中飛機以外的各種情況，如氣球的威脅、導(dǎo)彈的發(fā)射軌跡等。

3 VR技術(shù)在醫(yī)學(xué)訓(xùn)練中的應(yīng)用

3.1 VR系統(tǒng)

VR系統(tǒng)是通過虛擬技術(shù)，結(jié)合計算機軟件等建立虛擬操作平臺，對有創(chuàng)類手術(shù)、操作和相關(guān)檢查進行虛擬仿真練習(xí)?，F(xiàn)有的VR系統(tǒng)包括手術(shù)類、操作類和檢查類。手術(shù)類有:腹部外傷手術(shù)、腹腔鏡膽囊、膀胱切除術(shù)、鼻內(nèi)窺鏡手術(shù)、膝蓋和肩部關(guān)節(jié)鏡手術(shù)、血管手術(shù)等。操作類型有:靜脈導(dǎo)管插入、腰椎穿刺、硬膜外麻醉、骨髓活檢、心臟導(dǎo)管插入術(shù)、下腔靜脈濾器置入、心包穿刺、環(huán)甲膜切開術(shù)、開胸手術(shù)等。檢查類包括:眼壓檢查、超聲檢查、宮腔鏡檢查、輸尿管鏡、支氣管鏡、上消化道內(nèi)窺鏡等。

3.2 虛擬人和虛擬醫(yī)療環(huán)境

使用虛擬人技術(shù)，醫(yī)生便能遠程通過視頻電話指導(dǎo)患者進行康復(fù)治療和其它相關(guān)項目，如創(chuàng)傷救治、團隊訓(xùn)練和演練等。醫(yī)療VE是通過虛擬患者和治療方案的人機界面評估，通過網(wǎng)絡(luò)了解就診地點、家庭或醫(yī)院環(huán)境的醫(yī)療狀況，改進對醫(yī)療環(huán)境的預(yù)警和診斷。其應(yīng)用領(lǐng)域包括康復(fù)指導(dǎo)、遠程醫(yī)療、遠程教育、醫(yī)療演習(xí)、急診應(yīng)急救助等。

3.3 虛擬醫(yī)院

虛擬醫(yī)院的目標是通過使醫(yī)學(xué)專家信息數(shù)字化，降低訪問醫(yī)學(xué)信息的門檻，方便可訪問治療點的醫(yī)療人員和其他人員(如患者)的訪問。虛擬醫(yī)院分為患者網(wǎng)頁、醫(yī)護人員網(wǎng)頁、管理人員網(wǎng)頁等?；颊呔W(wǎng)頁主要內(nèi)容為25個常見病及急救方法、用戶保健信息等，可供進行虛擬練習(xí)使用。醫(yī)護人員網(wǎng)頁鏈接了82個海上常見的醫(yī)學(xué)問題，提供了權(quán)威醫(yī)學(xué)答案。還鏈接保健、海軍職業(yè)與環(huán)境衛(wèi)生、醫(yī)療程序、繼續(xù)醫(yī)學(xué)教育模擬訓(xùn)練課程等。

4 小結(jié)

VR技術(shù)在醫(yī)學(xué)訓(xùn)練中具有非常多的優(yōu)點，包括:有效、經(jīng)濟和更加合乎倫理及人文關(guān)懷。通過VR技術(shù)，對操作課程進行仿真模擬，能有效提高訓(xùn)練質(zhì)量。同時VR技術(shù)可以讓學(xué)員進行反復(fù)多次的練習(xí)，從而降低成本。最關(guān)鍵的是，模擬仿真的手段，對真實患者無傷害，更符合醫(yī)學(xué)倫理及人文關(guān)懷。

VR技術(shù)的運用，促進了臨床教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)教學(xué)模式為床邊教學(xué)模式，一般是由帶教老師帶領(lǐng)實習(xí)生“看一個、做一個和教一個”。這種模式受帶教老師能力素質(zhì)的影響很大，訓(xùn)練內(nèi)容與數(shù)量受運氣影響較多。而VR技術(shù)則能實現(xiàn)“看一個、模擬操作很多次、完整做一個，再教給大家”。這樣的模式將帶教老師素質(zhì)和運氣因素對訓(xùn)練效果的影響降到最低，同時提高實習(xí)生的訓(xùn)練質(zhì)量。

VR技術(shù)能涵蓋多個教學(xué)環(huán)節(jié)，如:開始學(xué)習(xí)階段、實驗室基本技能練習(xí)階段、病床邊學(xué)習(xí)階段、術(shù)前規(guī)劃和手術(shù)演練。因此，VR技術(shù)是一種安全、高效、實用的教學(xué)工具，是當今社會醫(yī)學(xué)教育研究的熱點之一。

VR技術(shù)在國內(nèi)推廣的同時也存在一些問題，如:價格較高、師資缺乏和銜接不暢等問題。VR技術(shù)的設(shè)備相對昂貴，大規(guī)模建立先期投入較大;針對VR技術(shù)的師資訓(xùn)練國內(nèi)還較少，缺乏相應(yīng)的專職教師;VR技術(shù)訓(xùn)練和傳統(tǒng)訓(xùn)練模式如何銜接，促進醫(yī)學(xué)生教育質(zhì)量的提高，還有待進一步研究。

［1］Carl M，Steve ET.Virtual reality［J］.Comput Graph Appl，1994，14(1):15-16.

［2］Frank B.Tomorrow's space:journey to the virtual worlds［J］.Comput Graph，1993，17(6):687-690.

［3］Stephen RE.What are virtual environments［J］.IEEE Comput Graph，1994，14(1):17-22.

(本文編輯:張陣陣)