基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的醫(yī)學(xué)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張海榮, 陳云虹

(第四軍醫(yī)大學(xué) 教育技術(shù)中心， 陜西 西安 710032)

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的醫(yī)學(xué)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張海榮, 陳云虹

(第四軍醫(yī)大學(xué) 教育技術(shù)中心， 陜西 西安 710032)

以“臨床麻醉學(xué)”課程為例，從基礎(chǔ)教學(xué)、虛擬教學(xué)、模擬診療教學(xué)等方面出發(fā)，設(shè)計(jì)了一套基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的醫(yī)學(xué)教學(xué)系統(tǒng)，利用Photoshop、Poster6.0、3D Max 6.0以及中視典完成系統(tǒng)開發(fā)，結(jié)果表明：系統(tǒng)能夠形象直觀的向醫(yī)學(xué)學(xué)習(xí)者展示教學(xué)內(nèi)容，并提供虛擬逼真的訓(xùn)練場景。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；醫(yī)學(xué)；教學(xué)效果；人機(jī)交互

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是在計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上，借助先進(jìn)的三維圖像處理技術(shù)、傳感技術(shù)等，創(chuàng)造出逼真的虛擬世界，實(shí)現(xiàn)真實(shí)的體驗(yàn)效果和良好的人機(jī)交互[1-2]。在教學(xué)中運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能為學(xué)習(xí)者構(gòu)建起逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，使得教學(xué)更趨生動(dòng)形象，幫助學(xué)習(xí)者更加直觀的理解教學(xué)內(nèi)容，有效提升教學(xué)水平[3-4]。

傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)教學(xué)存在實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源有限、教學(xué)內(nèi)容抽象難懂、教學(xué)實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)性高以及臨床實(shí)踐機(jī)會(huì)有限等問題。若采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用于醫(yī)學(xué)教學(xué)，能夠模擬出真實(shí)的醫(yī)學(xué)教學(xué)環(huán)境，彌補(bǔ)傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)教學(xué)的不足，打破教學(xué)的時(shí)間和空間限制，提升醫(yī)學(xué)教學(xué)的水平[5-7]。

在實(shí)際搭建虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)醫(yī)學(xué)教學(xué)系統(tǒng)時(shí)，大多延續(xù)傳統(tǒng)教學(xué)中的單向灌輸方式進(jìn)行教學(xué)，缺少雙向的溝通[8]。此外，系統(tǒng)往往缺少練習(xí)階段，知識(shí)不能得到練習(xí)鞏固[9]。本文從教學(xué)設(shè)計(jì)出發(fā)，在基礎(chǔ)知識(shí)教學(xué)、三維模擬教學(xué)、模擬診療演練、交流溝通等方面設(shè)計(jì)一套虛擬現(xiàn)實(shí)醫(yī)學(xué)教學(xué)系統(tǒng)。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)醫(yī)學(xué)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

虛擬現(xiàn)實(shí)醫(yī)學(xué)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需要把握教學(xué)的目標(biāo)，并以此為依據(jù)，設(shè)立合理的教學(xué)策略，采用合適的教學(xué)系統(tǒng)。接下來將以“臨床麻醉學(xué)”教學(xué)為例，詳細(xì)講解虛擬現(xiàn)實(shí)醫(yī)學(xué)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1.1 教學(xué)分析

教學(xué)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是分析教學(xué)目標(biāo)及教學(xué)的重難點(diǎn)，從而選定教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)策略。只有明確了教學(xué)的目標(biāo)，才能使教學(xué)朝著預(yù)定的方向有計(jì)劃的進(jìn)行。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)醫(yī)學(xué)教學(xué)，要讓學(xué)習(xí)者在通過課程的學(xué)習(xí)過程中，掌握課程的相關(guān)知識(shí)，更要加強(qiáng)其的參與感，通過模擬診療，進(jìn)行反復(fù)的操作練習(xí)，提升臨床操作能力。

根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，確立教學(xué)的策略，對教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)媒體進(jìn)行選擇，以達(dá)到學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)過程不斷朝著教學(xué)目標(biāo)前進(jìn)的目的。在“臨床麻醉學(xué)”課程中，可先利用傳統(tǒng)的圖文手段，構(gòu)建起學(xué)習(xí)者對麻醉學(xué)的初步認(rèn)識(shí)，了解麻醉的方法、種類，初步掌握如何根據(jù)病情進(jìn)行麻醉的評估、準(zhǔn)備與用藥；對于麻醉的操作，可再配上視頻說明，從而使教學(xué)更加直觀。接下來，對于一些部位的麻醉(如脊柱的麻醉等)的操作，可利用三維人體模型，通過調(diào)整觀察視角、控制縮放比例，為學(xué)習(xí)者展示麻醉劑入針的位置、深度等重要信息，加以說明針對不同的情況應(yīng)該注入的劑量，從而使學(xué)習(xí)者能充分的掌握不同情況下的麻醉劑使用及注入操作。診療方面，可基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行模擬診療，模擬不同病癥時(shí)的相應(yīng)麻醉策略及麻醉操作方法，并根據(jù)學(xué)習(xí)者的選擇提供正誤反饋及正確的處理方法，通過不斷的模擬練習(xí)進(jìn)一步加深對教學(xué)內(nèi)容的理解。最終，通過學(xué)習(xí)者與教師之間的交流溝通，提升學(xué)習(xí)效果。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容，“臨床麻醉學(xué)”主要應(yīng)包括圖文教學(xué)、虛擬教學(xué)、模擬診療和學(xué)習(xí)交流4個(gè)模塊，如圖1所示。

圖1 虛擬現(xiàn)實(shí)醫(yī)學(xué)教學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

導(dǎo)航能清晰明了的反映醫(yī)學(xué)教學(xué)系統(tǒng)的教學(xué)策略，要充分考慮學(xué)習(xí)者的自主性，以使教學(xué)系統(tǒng)的實(shí)施過程中能發(fā)揮出最佳效果。應(yīng)加入模塊導(dǎo)航，在主界面中可直接輕松的跳入到任一個(gè)模塊中去。

良好的交互體驗(yàn)，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)教學(xué)中的優(yōu)勢。系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中要充分考慮人機(jī)之間的流暢交互，通過人機(jī)的信息交互，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，從而使其能夠在虛擬現(xiàn)實(shí)醫(yī)學(xué)教學(xué)系統(tǒng)中進(jìn)行知識(shí)的學(xué)習(xí)與運(yùn)用。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)醫(yī)學(xué)教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)

虛擬現(xiàn)實(shí)醫(yī)學(xué)教學(xué)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，是在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用三維系統(tǒng)建模、圖形圖像處理和文本編輯，搭建起虛擬現(xiàn)實(shí)醫(yī)學(xué)教學(xué)平臺(tái)，并實(shí)現(xiàn)暢通的人機(jī)交流。

虛擬現(xiàn)實(shí)醫(yī)學(xué)教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)，文中首先是通過Photoshop軟件進(jìn)行圖文教學(xué)模塊的設(shè)計(jì)，讓醫(yī)學(xué)學(xué)習(xí)者形成對教學(xué)內(nèi)容的初步認(rèn)識(shí)，然后運(yùn)用了3D Max 6.0和Poster6.0軟件進(jìn)行三維人體建模以及模型的加工進(jìn)行虛擬教學(xué)，最后采用中視典軟件完成人機(jī)交互學(xué)習(xí)平臺(tái)的搭建，系統(tǒng)的開發(fā)流程如圖2所示。整個(gè)教學(xué)系統(tǒng)操作簡單，且界面人性化設(shè)計(jì)，體現(xiàn)教學(xué)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，如圖3所示。

圖2 虛擬現(xiàn)實(shí)醫(yī)學(xué)教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)流程

圖3 虛擬現(xiàn)實(shí)醫(yī)學(xué)教學(xué)系統(tǒng)主界面

2.1 虛擬教學(xué)

虛擬教學(xué)相對于傳統(tǒng)的教學(xué)，能構(gòu)建出三維可旋轉(zhuǎn)縮放的三維模型，更加形象直觀的體現(xiàn)出教學(xué)的要點(diǎn)，并可突破傳統(tǒng)教學(xué)方式的瓶頸，達(dá)到傳統(tǒng)教學(xué)無法企及的效果。要實(shí)現(xiàn)虛擬教學(xué)，需要首先建立起三維數(shù)據(jù)庫，將人體模型的三維數(shù)據(jù)存入到數(shù)據(jù)庫中，這是虛擬現(xiàn)實(shí)醫(yī)學(xué)教學(xué)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

在構(gòu)建三維人體模型數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建過程中，本文首先在Poster6.0中分別構(gòu)建無性人體三維模型、骨骼三維模型和靜脈三維模型。如圖4(a)所示。建好的模型以.3ds后綴的文件形式導(dǎo)出，再導(dǎo)入到中視典軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的集成。導(dǎo)出的文件再導(dǎo)入到3D Max6.0中，進(jìn)行三維模型的再加工，具體做法是將骨骼模型、靜脈模型分別嵌入到人體模型中，將人體模型設(shè)置為半透明狀，便于學(xué)習(xí)者看清骨骼和靜脈的位置。在合成完整的三維人體模型后，還需在模型上根據(jù)常用的麻醉劑入針位置，準(zhǔn)確地在模型上做好小球狀的針刺點(diǎn)，并依據(jù)骨骼或靜脈模型為參考，精確入針點(diǎn)在皮膚中的位置，合成好的三維人體模型如圖4(b)。

(a) 三維靜脈圖 (b) 三維人體合成圖

在完成了模型的加工后，還需要將整個(gè)模型文件導(dǎo)入到中視典軟件中創(chuàng)建模型的數(shù)據(jù)庫，并與其它數(shù)據(jù)庫進(jìn)行集成。如圖5所示。在中視典軟件中建立起模型的數(shù)據(jù)庫后，再進(jìn)一步進(jìn)行信息的整合，在模型數(shù)據(jù)庫中每個(gè)入針點(diǎn)處加上標(biāo)示，方便學(xué)習(xí)者在點(diǎn)擊該位置時(shí)能提供詳細(xì)的信息，包括適用的病癥、各種病癥對應(yīng)需選擇的麻醉劑以及不同病人對應(yīng)的劑量、麻醉劑注入的入針深度等。

圖5 模型導(dǎo)入中視典軟件

2.2 模擬診療

依據(jù)教學(xué)大綱，建立課程規(guī)劃內(nèi)的病例數(shù)據(jù)庫及病例的標(biāo)準(zhǔn)診療數(shù)據(jù)庫，根據(jù)預(yù)設(shè)的模擬病例環(huán)境，建立信息框和相應(yīng)的按鈕，并為每個(gè)功能按鈕加載腳本命令,具體的診療流程,如圖6所示。

在學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)過程中，通過調(diào)用病例數(shù)據(jù)庫，跳轉(zhuǎn)到病癥描述界面，如圖7。當(dāng)學(xué)習(xí)者用鼠標(biāo)點(diǎn)擊模型后，開始形成模擬診療。學(xué)習(xí)者能通過鼠標(biāo)、鍵盤控制從備選的麻醉劑中取出一定劑量的麻醉劑，再模擬真實(shí)場景，形成麻醉劑插針或管，由學(xué)習(xí)者將針、管插入到模型內(nèi)。整個(gè)過程中，系統(tǒng)將通過交互腳本記錄下學(xué)習(xí)者的各種操作，并與標(biāo)準(zhǔn)診療數(shù)據(jù)庫進(jìn)行實(shí)時(shí)比對，若操作與標(biāo)準(zhǔn)診療數(shù)據(jù)庫中的操作數(shù)據(jù)不一致，則停止繼續(xù)操作，通過交互腳本產(chǎn)生錯(cuò)誤信息提示，并調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)診療數(shù)據(jù)庫中相關(guān)操作的數(shù)據(jù)，提示正確的操作信息，強(qiáng)化其實(shí)際操作水平。

圖6 模擬診療的流程

圖7 模擬診療界面

數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)均留有擴(kuò)展接口，在后續(xù)的臨床教學(xué)中，可以根據(jù)實(shí)際情況，總結(jié)和設(shè)計(jì)新的病例以及相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)診療步驟錄入病例數(shù)據(jù)庫和標(biāo)準(zhǔn)診療數(shù)據(jù)庫，以供學(xué)習(xí)者練習(xí)使用。

模擬診療的實(shí)現(xiàn)，除了數(shù)據(jù)庫外，還需要注重交互腳本的設(shè)計(jì)，如設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)麻醉劑及其劑量的選擇和入針深度的反饋。其中判斷麻醉劑及其劑量的選擇是否正確的判斷腳本為

void main()

{if(pIn0==pIn1)

{pOut0=“麻醉劑選擇正確”；}

if(pIn0==pIn1)

{pOut1=“麻醉劑劑量正確”；}

else{pOut1=“麻醉劑劑量錯(cuò)誤。錯(cuò)誤提示:”}

else{pOut0=“麻醉劑選擇錯(cuò)誤。錯(cuò)誤提示:”}

out=TRUE;

}

入針的深度主要由以下腳本實(shí)現(xiàn)：

shared bool iIn1;

static int a;

void main()

{

if(iIn1)

{a=0; iIn1=FALSE;}

else

{++a; pOut=0.1*a;}

}

3 結(jié)束語

本文以“臨床麻醉學(xué)”課程的設(shè)計(jì)為例，從圖文教學(xué)、三維模擬教學(xué)、診療模擬、交流溝通等方面進(jìn)行了虛擬現(xiàn)實(shí)醫(yī)學(xué)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)。從基礎(chǔ)知識(shí)講解、重難點(diǎn)形象化教學(xué)到模擬操作，總結(jié)交流，逐層次、遞進(jìn)式的進(jìn)行了醫(yī)學(xué)教學(xué)，系統(tǒng)能夠形象直觀的向醫(yī)學(xué)學(xué)習(xí)者展示教學(xué)內(nèi)容，并提供虛擬逼真的訓(xùn)練場景。

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[責(zé)任編輯:汪湘]

Medicine education system design based on virtual reality technology

ZHANG Hairong, CHEN Yunhong

(Education Technology Center, Fourth Military Medical University, Xi’an 710032, China)

In this paper, a medicine education system based on virtual reality technology is proposed with clinical anaesthesiology course as an example. This system consists of base content teaching, 3D virtual teaching, simulated-treatment training and is developed with Photoshop, Poster6.0, 3D Max 6.0 and Virtual Reality Platform(VRP). This system can offer learners with realistic training environment and intuitive teaching content.

virtual reality technology, medicine education, teaching efficiency, man-machine interaction

2015-02-10

全軍軍事科研計(jì)劃課題(11QJ003-145)

張海榮(1973-)，男，講師，從事教育技術(shù)理論、電子媒介應(yīng)用研究。E-mail：3219783357@qq.com 陳云虹(1968-)，女，愽士，教授，從事電子媒體技術(shù)研究。E-mail：chenyunh@fmmu.edu.cn

10.13682/j.issn.2095-6533.2015.03.022

G431

A

2095-6533(2015)03-0120-05