檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)3D虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建與應(yīng)用

彭臻菲 魏碧娜 黃銘珊

虛擬實(shí)驗(yàn)室是信息技術(shù)的產(chǎn)物，在教育、科研等領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景，已經(jīng)在一定程度上成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的新方向［1］。1995年5月，聯(lián)合國(guó)教科文組織將“虛擬實(shí)驗(yàn)室”定義為利用分散的信息和通信技術(shù)以創(chuàng)造及獲取成果為目的，在科研與其他創(chuàng)造性活動(dòng)中進(jìn)行遠(yuǎn)距離合作和實(shí)驗(yàn)的一種電子協(xié)作組。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，“虛擬實(shí)驗(yàn)室”是借助于圖形圖像、仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)操作流程等技術(shù)在計(jì)算機(jī)上所營(yíng)造的可輔助或部分代替，甚至全部代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)各個(gè)操作環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件環(huán)境［2］?！疤摂M實(shí)驗(yàn)室”主要包括虛擬儀器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和虛擬實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)，其中，虛擬儀器系統(tǒng)是“虛擬實(shí)驗(yàn)室”的內(nèi)核部分［3］。本文就3D虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建及在檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)技術(shù)專業(yè)實(shí)踐課現(xiàn)狀

隨著人們生活水平的提高，我國(guó)已進(jìn)入老齡化社會(huì)，伴隨而來(lái)的一系列醫(yī)療、護(hù)理、保健問(wèn)題日益增多，社會(huì)對(duì)醫(yī)學(xué)人才的需求也隨之劇增。近年來(lái)，隨著醫(yī)學(xué)教育規(guī)模的不斷擴(kuò)大，學(xué)生的人數(shù)逐年增加，而鍛煉學(xué)生職業(yè)技能的實(shí)訓(xùn)基地的建設(shè)卻相對(duì)滯后，教學(xué)資源不足的問(wèn)題非常突出，此問(wèn)題是困惑當(dāng)前醫(yī)學(xué)職業(yè)教育的重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。那么如何在有效的教學(xué)資源下增強(qiáng)學(xué)生的職業(yè)能力？因此，開(kāi)展有效的實(shí)踐教學(xué)模式就成為我們研究和探討的重點(diǎn)。

由于知識(shí)的普及和人們維權(quán)意識(shí)的增強(qiáng)，近年來(lái)醫(yī)療糾紛愈來(lái)愈多，使醫(yī)生在診療過(guò)程中十分謹(jǐn)慎。為防止誤診頻率發(fā)生，醫(yī)生越來(lái)越依賴于檢驗(yàn)結(jié)果做出診斷。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，醫(yī)療設(shè)備種類和分化的豐富，檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)的項(xiàng)目越來(lái)越多。

檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)儀器設(shè)備種類的增多，也要求學(xué)校增加相應(yīng)設(shè)備，才能緊跟社會(huì)發(fā)展。這就要求學(xué)校必須采購(gòu)大量檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)的儀器設(shè)備，才能滿足教學(xué)的需要，而檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)的儀器設(shè)備動(dòng)輒幾萬(wàn)甚至幾十萬(wàn)上百萬(wàn)的投入，給學(xué)校帶來(lái)很大資金壓力。學(xué)校受限于資金和學(xué)生增多雙重壓力，不可能配套與學(xué)生數(shù)量相匹配的儀器設(shè)備，這就造成學(xué)生檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)技術(shù)技能訓(xùn)練不足［4］。

檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)技術(shù)專業(yè)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)，非常重視學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力和操作技能的培養(yǎng)，但有些大型儀器價(jià)格昂貴、更新快，且仿真實(shí)驗(yàn)室占地面積大，所以受經(jīng)費(fèi)和實(shí)驗(yàn)空間的限制，在學(xué)校教學(xué)中學(xué)生無(wú)法得到像臨床檢驗(yàn)科一樣真實(shí)的職場(chǎng)實(shí)踐鍛煉機(jī)會(huì)。因此，虛擬實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)發(fā)就成為解決這一難題的有效手段和方法，也是目前國(guó)內(nèi)檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)技術(shù)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革的新發(fā)展方向。

2 檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)3D虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)思路和具體內(nèi)容

2.1 檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)3D虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)思路 3D虛擬實(shí)驗(yàn)室作為現(xiàn)代化教育的一種輔助性技術(shù)，是基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建的開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)化虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，主要利用圖形、語(yǔ)音、視頻、動(dòng)畫等現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，使學(xué)生可以身臨其境地觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、模擬實(shí)驗(yàn)，以提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能［5］。

運(yùn)用3D技術(shù)模擬檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)實(shí)際工作環(huán)境，構(gòu)建3D虛擬檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室，創(chuàng)設(shè)檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)情境，模擬檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)項(xiàng)目過(guò)程的虛擬現(xiàn)場(chǎng)。學(xué)生在這個(gè)特定背景下通過(guò)虛擬觀看、模擬操作來(lái)完成對(duì)檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的獲得、實(shí)施與考核，全面培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)能力［6］。整個(gè)情景類似虛擬游戲場(chǎng)景，但項(xiàng)目都是真實(shí)的、自然的、可操作的，使學(xué)生在進(jìn)入臨床實(shí)驗(yàn)室實(shí)習(xí)之前，先練習(xí)、接觸、了解實(shí)驗(yàn)設(shè)備，既加強(qiáng)了對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的認(rèn)識(shí)，又進(jìn)行了操作能力的訓(xùn)練，鍛煉和培養(yǎng)了學(xué)生的臨床操作技能，實(shí)現(xiàn)了“能力本位”的目標(biāo)。

2.2 3D虛擬檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室的具體內(nèi)容 運(yùn)用3D技術(shù)，構(gòu)建虛擬的檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生以第一人稱的方式參觀檢驗(yàn)科，檢驗(yàn)科設(shè)計(jì)在一個(gè)大型醫(yī)院的整層樓，分別有等候大廳、診療室等搭配場(chǎng)景。檢驗(yàn)科設(shè)有工作區(qū)和檢驗(yàn)區(qū)，工作區(qū)設(shè)有：接收標(biāo)本室、醫(yī)生辦公室、主任室、值班室、休息房間。檢驗(yàn)區(qū)設(shè)有男更衣室、女更衣室、綜合實(shí)驗(yàn)室、微生物實(shí)驗(yàn)室、PCR室、試劑存儲(chǔ)室、處置室等。

學(xué)生輸入用戶名登錄到系統(tǒng)后，可參觀整層樓內(nèi)環(huán)境，并且可進(jìn)入更衣室穿上工作服，然后分別進(jìn)入各個(gè)亞專業(yè)實(shí)驗(yàn)室參觀。各個(gè)亞專業(yè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)設(shè)有實(shí)際實(shí)驗(yàn)設(shè)備和設(shè)施，按實(shí)際的儀器設(shè)備作為建模依據(jù)。模擬設(shè)備有：血細(xì)胞分析儀、尿液分析儀、生化分析儀、血流變儀、發(fā)光儀、酶免儀、糖化血紅蛋白儀、電解質(zhì)分析儀、生物安全柜、離心機(jī)、顯微鏡、凈水機(jī)、不間斷電源、高壓滅菌鍋、醫(yī)用冰箱、溫濕度計(jì)、計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、空調(diào)等等。場(chǎng)景內(nèi)還布置一些裝飾植物、電器、醫(yī)療辦公設(shè)備等，人物有工作人員、患者等，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部有實(shí)驗(yàn)臺(tái)、桌椅和柜子、空調(diào)、冰箱等附設(shè)備。學(xué)生走到設(shè)備旁，點(diǎn)擊設(shè)備出現(xiàn)字幕和音頻介紹該設(shè)備，點(diǎn)擊演示按鈕，則播放演示過(guò)程，點(diǎn)擊操作按鈕可對(duì)設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)單操作等。

3D虛擬檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室軟件系統(tǒng)建成后，在未來(lái)幾年中，還可陸續(xù)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充和完善，充分利用三維技術(shù)與圖片、文字、視頻相結(jié)合，不僅對(duì)各臺(tái)具體的儀器設(shè)備整機(jī)進(jìn)行解析，對(duì)其具體功能進(jìn)行講解，還可對(duì)各儀器的操作流程進(jìn)行仿真模擬，全方位的讓學(xué)生了解并掌握檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)各種常用儀器設(shè)備的教學(xué)與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容所需的原理及技術(shù)。同時(shí)，學(xué)生不僅可以動(dòng)手對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行虛擬仿真操作，了解熟悉其工作原理，而且還可以實(shí)現(xiàn)“虛擬設(shè)備”進(jìn)行多種情況下的模擬操作，從而能夠積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

3 3D虛擬檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室軟件系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

構(gòu)建3D虛擬檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室軟件系統(tǒng)，可使學(xué)校不用投入大量資金購(gòu)買昂貴設(shè)備，減少學(xué)校的資金壓力，且無(wú)后期維護(hù)成本。虛擬實(shí)驗(yàn)軟件允許操作者反復(fù)嘗試和誤操作，且沒(méi)有器材和試劑的消耗，使得實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)大大降低。3D虛擬實(shí)驗(yàn)室采用計(jì)算機(jī)仿真教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)模式，抓住了學(xué)生的興趣點(diǎn)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，同時(shí)使得學(xué)生在模擬操作的過(guò)程中有時(shí)間來(lái)思考設(shè)備的相關(guān)問(wèn)題。虛擬仿真軟件解決了真實(shí)設(shè)備教學(xué)中無(wú)法看到的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理，形象直觀，使學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)更加容易［7］。該軟件系統(tǒng)為開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，允許教師通過(guò)后臺(tái)進(jìn)行增加、刪除、修改等功能操作，教師根據(jù)實(shí)際需求構(gòu)建的新實(shí)驗(yàn)體系，可成為實(shí)驗(yàn)積累、特色展示的一個(gè)良好交流平臺(tái)，成為學(xué)?？疾煸u(píng)估的亮點(diǎn)工程。3D虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建使得不常見(jiàn)且昂貴的實(shí)驗(yàn)設(shè)備在虛擬實(shí)驗(yàn)中定制完成，有利于拓展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用3D可視化技術(shù)和職業(yè)檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)教學(xué)理念打造一個(gè)虛擬的實(shí)踐環(huán)境，建成3D虛擬檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源平臺(tái)，以多模塊相結(jié)合的模式，結(jié)合先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，同時(shí)以B／S架構(gòu)模式，使得整個(gè)系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性，可以隨時(shí)增加儀器設(shè)備的虛擬實(shí)訓(xùn)模塊，使系統(tǒng)緊隨檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)技術(shù)最新發(fā)展的需求［8，9］。

3D虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用作為一種新型的教育手段，改變了傳統(tǒng)的教育模式，極大地豐富了教學(xué)內(nèi)容。虛擬實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)發(fā)能使學(xué)生在熟悉專業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性地在模擬環(huán)境中熟悉各類大型儀器設(shè)備，不但能夠彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)條件有限帶來(lái)的弊端，也能夠充分培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣［10］。該虛擬軟件系統(tǒng)建成后可使學(xué)生置身于虛擬的3D學(xué)習(xí)環(huán)境當(dāng)中，體驗(yàn)真機(jī)實(shí)訓(xùn)不可能觀察到的各部件結(jié)構(gòu)及重要設(shè)備獨(dú)立的工作原理。建立各種儀器設(shè)備模型，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬出各個(gè)角度看到的各種儀器設(shè)備視覺(jué)效果。動(dòng)態(tài)的各種儀器設(shè)備部件外觀與結(jié)構(gòu)，每個(gè)需要的畫面上用提示性的文字向?qū)W員展示，讓學(xué)生能很好地了解各種儀器設(shè)備的構(gòu)造。解決了檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)在實(shí)踐教學(xué)上的難題，培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的實(shí)踐能力，并為學(xué)校提供全新的教學(xué)手段和模式。

1 王涌，李國(guó)麗，應(yīng)艷杰，等.建設(shè)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室，深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2010，27：85－87.

2 白雁，張娟，潘瑾，等.“虛擬實(shí)驗(yàn)室”在高校儀器分析教學(xué)中的應(yīng)用.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011，28：169－171.

3 吳曉男.高校虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建.國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2006，25：37－39.

4 呂守林.以虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)為契機(jī)，推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2009，26：157－159.

5 汪詩(shī)林，吳泉.開(kāi)展虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究和應(yīng)用.計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2000，22：33－35.

6 左劍斌.網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室在高職檢驗(yàn)人才培養(yǎng)中應(yīng)用的初探.科學(xué)導(dǎo)報(bào)，2013，16：440－441.

7 單美賢.虛擬實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展方向.開(kāi)發(fā)教育研究，2002，36：44－46.

8 陳勁松.構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的關(guān)鍵技術(shù)研究.自動(dòng)化儀表，2008，29：43－45.

9 趙紅，李著成.基于B／S的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)構(gòu)建與實(shí)現(xiàn).實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011，28：86－88.

10 高金輝，楊軍平，邱愛(ài)中.虛擬儀器技術(shù)及虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建.河南師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，36：63－66.