虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高等醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用

羅　溪，李松聲，王月帆，嚴(yán)振鵬，段萬里，聶　菲，肖　良

第二軍醫(yī)大學(xué)：12014級臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)員八隊；22012級海軍臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)海醫(yī)一隊；32014級海軍臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)海醫(yī)五隊；4海軍醫(yī)學(xué)系海洋生物技術(shù)教研室，上?！?00433

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虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高等醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用

羅溪1，李松聲2，王月帆1，嚴(yán)振鵬3，段萬里3，聶菲4，肖良4

第二軍醫(yī)大學(xué)：12014級臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)員八隊；22012級海軍臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)海醫(yī)一隊；32014級海軍臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)海醫(yī)五隊；4海軍醫(yī)學(xué)系海洋生物技術(shù)教研室，上海200433

【摘要】：虛擬現(xiàn)實技術(shù)是仿真技術(shù)、計算機圖形學(xué)、人機接口技術(shù)等多種技術(shù)的集合，是一門前沿交叉技術(shù)。隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷進步，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)相關(guān)領(lǐng)域，尤其是在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)知識教育和臨床技能培訓(xùn)方面，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以擺脫傳統(tǒng)教學(xué)的諸多限制，不僅可以創(chuàng)新教學(xué)理念、拓展教學(xué)空間、提升教學(xué)質(zhì)量，還能提高教學(xué)效率、減少耗材投入，從而有效推動教學(xué)改革與發(fā)展。雖然虛擬現(xiàn)實技術(shù)目前仍處于初步發(fā)展階段，但其特有的優(yōu)越性決定了它廣闊的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】：虛擬現(xiàn)實；醫(yī)學(xué)教育；外科手術(shù)

【DOI】：10.13566/j.cnki.cmet.cn61-1317/g4.201604015

現(xiàn)今，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷進步，信息革命高速發(fā)展，傳統(tǒng)教育在先進網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的沖擊下面臨新的挑戰(zhàn)。如何充分利用現(xiàn)代教育技術(shù)組織海量的醫(yī)學(xué)教育資源，通過計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建構(gòu)數(shù)字化的醫(yī)學(xué)知識體系，形成與時代同步的新型教育模式是高等醫(yī)學(xué)教育面臨的重要問題［1-2］。醫(yī)學(xué)虛擬現(xiàn)實教學(xué)是網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域的具體應(yīng)用和實際推廣，不僅直觀性強、可重復(fù)性好，還克服了傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)教育高風(fēng)險、高成本以及高能耗的“三高”弊端，可以輔助教師更好地完成課堂教學(xué)任務(wù)，幫助學(xué)生理解基礎(chǔ)理論知識，掌握臨床技能，是傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)教育的有效補充與拓展［1-2］。

1　虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（virtual reality）的運用源于20世紀(jì)60年代，它是一種在計算機圖形學(xué)、計算機仿真技術(shù)、人機接口技術(shù)以及傳感技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的多學(xué)科交叉的新生技術(shù)［1］。它通過計算機技術(shù)生成一個逼真的感覺世界（實體），允許參與者（用戶）使用人的自然技能（如頭部轉(zhuǎn)動、眼球轉(zhuǎn)動、手勢及其他動作），對虛擬實體進行交互考察，以此模擬或體驗真實過程，具有沉浸（Immersion）、交互（Interaction）以及構(gòu)想（Imagination）等特征［2］。20世紀(jì)80年代以后，隨著數(shù)字化科技手段的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)得以進一步完善而更加精確、直觀和形象化，并逐漸應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、軍事、設(shè)計以及藝術(shù)等諸多領(lǐng)域，帶來了巨大的經(jīng)濟和社會效益［1］。在高等醫(yī)學(xué)教育中，運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以模擬真實的患者、解剖區(qū)域及臨床任務(wù)等教學(xué)內(nèi)容，從而讓學(xué)生綜合運用多種感官自主探索和體會，在開放、自主以及交互的虛擬環(huán)境中開展高效、安全且經(jīng)濟的學(xué)習(xí)實踐［3］。與傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)教學(xué)存在的內(nèi)容抽象難懂、臨床實踐機會有限且危險性高、實驗教學(xué)資源短缺等問題相比，虛擬現(xiàn)實教學(xué)能有效利用信息技術(shù)模擬出真實的醫(yī)學(xué)教學(xué)環(huán)境，打破時間和空間的限制，從而達(dá)到夯實學(xué)生理論基礎(chǔ)，增強學(xué)生實踐能力，提升醫(yī)學(xué)教學(xué)水平的目的［4］。

2　虛擬現(xiàn)實技術(shù)在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用

現(xiàn)行的醫(yī)學(xué)本科教育中，研究正常人體形態(tài)結(jié)構(gòu)的《系統(tǒng)解剖學(xué)》是所有醫(yī)學(xué)生接觸醫(yī)學(xué)的第一課。通過學(xué)習(xí)解剖學(xué)，醫(yī)學(xué)生可以了解正常人體的形態(tài)結(jié)構(gòu)，為進一步理解人體的各種生理現(xiàn)象和病理變化奠定基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的人體解剖學(xué)授課以課堂教學(xué)為主，以掛圖、模型以及標(biāo)本等教學(xué)工具為輔，并配以尸體解剖實踐來加深學(xué)生的理解，具有良好的教學(xué)效果［5］。但是，由于觀察標(biāo)本的實踐時間有限、標(biāo)本本身的質(zhì)量參差不齊且來源匱乏等因素的存在，人體解剖學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量受到嚴(yán)重影響。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建一個三維虛擬人體，醫(yī)學(xué)生可以通過計算機屏幕先對虛擬人體進行解剖，再通過旋轉(zhuǎn)和縮放局部圖像達(dá)到最佳的視覺效果，然后進行觀察和學(xué)習(xí)。此法既有助于加深學(xué)生對具體解剖學(xué)知識的理解，也有助于減少授課過程中解剖標(biāo)本的使用頻率，從而大大降低了解剖學(xué)課程的教學(xué)成本［6］。對于部分難以暴露或者分離困難的解剖細(xì)節(jié)，比如蝶骨的結(jié)構(gòu)、紛繁復(fù)雜的神經(jīng)走形，等，一方面可以通過虛擬人體直接展示其結(jié)構(gòu)讓學(xué)生清楚地觀察，另一方面則可以通過虛擬人體的訓(xùn)練功能，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中練習(xí)解剖操作，預(yù)演手術(shù)過程，更加高效地利用好極為珍貴的尸體標(biāo)本，從而提高解剖手術(shù)的成功率。此外，運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)不僅可以模擬人體的形態(tài)結(jié)構(gòu)，還可以模擬出人體各大系統(tǒng)的實際工作狀態(tài)。比如在運動系統(tǒng)的學(xué)習(xí)過程中，虛擬人體可以真實模擬出軀體的屈、伸、收、展、旋等各種運動，使學(xué)生掌握其組成結(jié)構(gòu)的同時，更好地理解運動系統(tǒng)的工作過程，從而幫助學(xué)生完成結(jié)構(gòu)與功能存在統(tǒng)一性這一重要概念的建立［7］。除了解剖學(xué)，在其他基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)學(xué)科的教學(xué)中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)也能發(fā)揮重要作用，如《生理學(xué)》中各器官應(yīng)對環(huán)境變化產(chǎn)生的生理效應(yīng)及其機理，《生物化學(xué)》中人體內(nèi)生化反應(yīng)的真實過程等都能憑借逼真的模擬清晰地展示出來。毫無疑問，這將極大的增加醫(yī)學(xué)生對基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)知識的直觀認(rèn)識和學(xué)習(xí)興趣，從而提高基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)的教學(xué)效果［8-9］。

3　虛擬現(xiàn)實教學(xué)在臨床醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用同樣十分廣泛。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)開展的臨床虛擬教學(xué)不受病例、場地以及時間等諸多因素的制約，可以使教學(xué)活動根據(jù)需要隨時隨地展開，大大增加醫(yī)學(xué)生的實踐機會，從而取得良好的教學(xué)效果［10］。比如虛擬手術(shù)仿真與訓(xùn)練系統(tǒng)可以通過建立3D模型來模擬手術(shù)環(huán)境，讓醫(yī)學(xué)生在虛擬環(huán)境中練習(xí)操作，預(yù)演手術(shù)過程，再根據(jù)從虛擬人體上獲得的治療數(shù)據(jù)和系統(tǒng)所記錄的人體反應(yīng)進行分析判斷，最后做出科學(xué)的個性化診斷，設(shè)計縝密的治療方案，從而達(dá)到訓(xùn)練醫(yī)學(xué)生手術(shù)技能、提高手術(shù)成功率的目的［11］。目前，一些專門針對醫(yī)學(xué)培訓(xùn)、實習(xí)和研究而開發(fā)出來的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)仿真程度高，與傳統(tǒng)教學(xué)活動相比具有明顯的優(yōu)越性和良好的教學(xué)效果［12］。

3.1在顯微外科教學(xué)中的應(yīng)用

在顯微神經(jīng)外科手術(shù)教學(xué)中，如何將基礎(chǔ)的神經(jīng)解剖知識與影像學(xué)資料相結(jié)合，形成立體的結(jié)構(gòu)概念，繼而在手術(shù)中準(zhǔn)確地定位一直是顯微神經(jīng)外科的教學(xué)難題。顱底和大腦深部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在此進行手術(shù)，既要盡可能暴露病變部位以完全切除病變組織，同時也要減少對周邊組織的影響，風(fēng)險極大［13］。而手術(shù)的培訓(xùn)過程耗時耗力，難以重復(fù)，嚴(yán)重影響了顯微神經(jīng)外科醫(yī)師的培養(yǎng)過程。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)重建神經(jīng)外科三維解剖圖像，如結(jié)合腦血管CTA和頭部MRI對患者頭部進行三維圖像重建，可以清晰顯示動脈瘤及其周圍結(jié)構(gòu)的空間形態(tài)，有利于醫(yī)師更直觀地掌握病變部位的解剖結(jié)構(gòu)，全面理解相關(guān)的影像學(xué)資料［14］。利用患者CTA和MRI影像重構(gòu)手術(shù)標(biāo)本模型，再通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)提供的切割、移動等工具模擬從切開頭皮、鉆顱骨、打開骨窗，到暴露病變部位等一系列過程，有效地模擬了真實的顯微神經(jīng)外科手術(shù)的定位過程。不同患者的顱內(nèi)病變位置以及周圍結(jié)構(gòu)的毗鄰情況具有明顯的個體化特性，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可以對每個患者的CTA、MRI等影像學(xué)資料進行數(shù)字化重構(gòu)并比對人體數(shù)據(jù)庫，繼而對不同的手術(shù)入路進行模擬和評價（如出血量、腫瘤切除率等指標(biāo)），幫助醫(yī)師選擇最合理的治療方案，以最大化地減少手術(shù)風(fēng)險，因而虛擬仿真系統(tǒng)同時具有培養(yǎng)顯微神經(jīng)外科醫(yī)師和輔助提高手術(shù)成功率的作用［14-15］。

3.2在麻醉學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

在《臨床麻醉學(xué)》課程中，可先利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建三維人體模型，便于學(xué)生熟知骨骼和靜脈的位置。之后，再在模型上根據(jù)常用的麻醉劑入針位置，準(zhǔn)確地在模型上做好標(biāo)記，并以骨骼和靜脈模型為參考，確定皮膚上入針點的位置。通過視察視角的調(diào)整和視圖比例的縮放，學(xué)習(xí)者可以清楚地了解麻醉劑入針的位置、深度等重要信息［4］。在注入操作訓(xùn)練方面，結(jié)合3D成像系統(tǒng)和機械臂，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以搭建一個“觸感手術(shù)臺”來培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的穿刺感覺。在“觸感手術(shù)臺”系統(tǒng)中，學(xué)習(xí)者佩戴3D眼鏡，視野中可以模擬出麻醉穿刺的實際場景，然后通過操作機械臂模擬穿刺過程。學(xué)習(xí)者使用虛擬的手術(shù)器械觸及虛擬人體時，“觸感手術(shù)臺”系統(tǒng)會計算實際操作中產(chǎn)生的相應(yīng)阻力的同時用強力微型馬達(dá)控制機械臂給予適當(dāng)阻力，讓學(xué)習(xí)者獲得逼真的觸感，體驗注射器的針頭刺穿患者皮膚，扎入血管的過程。通過在這種虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的不斷練習(xí)，學(xué)習(xí)者可以積累麻醉穿刺的經(jīng)驗，從而增加真實麻醉穿刺的成功率以滿足臨床麻醉的實際需要，達(dá)到提高教學(xué)效果的目的［16-17］。

3.3在口腔醫(yī)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

操作技能培訓(xùn)在口腔醫(yī)學(xué)的教學(xué)和臨床實踐中不可或缺，但目前口腔診療操作技能培訓(xùn)所采用的體外牙石膏模型和人工牙聯(lián)合仿頭模訓(xùn)練系統(tǒng)皆存在著一定的局限性。如體外牙供給有限、人工牙與真牙在結(jié)構(gòu)和材料上存在差別、訓(xùn)練時的真實感和有效性不盡如人意，等。此外，牙體病理模型較單一，無法全面模擬實際臨床中的常見病例和疑難病例也是傳統(tǒng)口腔診療操作技能培訓(xùn)中的明顯缺陷。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以高保真地模擬實際臨床中的各種病例，允許學(xué)生不受材料和時空的限制進行反復(fù)練習(xí)和實踐，在降低訓(xùn)練成本的同時讓學(xué)生能夠熟練應(yīng)對不同類型的口腔疾病［18］。虛擬現(xiàn)實技術(shù)還可以連續(xù)記錄操作過程的三維運動和力的數(shù)據(jù)，進行回放觀摩和分析，使教學(xué)、訓(xùn)練和考核環(huán)節(jié)變得可量化和標(biāo)準(zhǔn)化。可以預(yù)見，虛擬現(xiàn)實技術(shù)將是未來口腔診療操作技能培訓(xùn)的最適工具之一［19］。

4　虛擬現(xiàn)實技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用前景十分廣闊，但總體上在醫(yī)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用還處于初級階段。目前面臨的主要困難是：①虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)設(shè)備價格昂貴。無論是虛擬人體、虛擬場景還是機械臂，高昂的價格都使其暫時難以大規(guī)模推廣；②三維建模繁瑣、硬件性能要求高。人體模型的精細(xì)程度決定了仿真效果，并直接影響教學(xué)效果。而精細(xì)的人體模型不僅需要復(fù)雜精密的建模，還需要具備與之匹配的高性能硬件，這些苛刻的要求使虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的構(gòu)建難度較大；③數(shù)據(jù)量龐大。在目前的網(wǎng)絡(luò)條件下，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)運行所需的數(shù)據(jù)交換時間偏長也是不可回避的問題。視頻傳輸、數(shù)據(jù)下載以及網(wǎng)絡(luò)互動交流難以流暢進行，影響了教學(xué)質(zhì)量［20］；④在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，使用者會在身體保持相對靜止的情況下獲得某些運動感，由此引發(fā)的相對運動錯覺在一定程度上會讓使用者失去方向感，導(dǎo)致暈動病，從而影響手術(shù)操作；⑤力檢測和力反饋技術(shù)還不夠成熟。使用者與虛擬人體組織之間力覺信息交互的實現(xiàn)仍需要傳感器設(shè)計和信號處理等技術(shù)的完善，從而進一步提升虛擬現(xiàn)實真實感，與臨床實踐更加緊密地擬合。

綜上所述，面對大數(shù)據(jù)時代對醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域的沖擊，虛擬現(xiàn)實技術(shù)順應(yīng)時代發(fā)展的潮流，有效整合現(xiàn)有的醫(yī)學(xué)教育資源，幫助學(xué)生獲取醫(yī)學(xué)知識、精進臨床技術(shù)、培養(yǎng)科研思維，促進了醫(yī)學(xué)教育的改革創(chuàng)新［6］。除應(yīng)用于上述的基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)（如解剖學(xué)）、臨床醫(yī)學(xué)（如顯微外科）、麻醉學(xué)以及口腔學(xué)的教學(xué)實踐外，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在其他醫(yī)學(xué)課程體系中（如診斷學(xué)、內(nèi)科學(xué)、婦產(chǎn)科學(xué)、兒科學(xué)，甚至于軍事醫(yī)學(xué)、特種醫(yī)學(xué)等幾乎所有涉及醫(yī)學(xué)的相關(guān)學(xué)科的教學(xué)中）都有不同程度的應(yīng)用，并且取得了較好效果［21］。雖然存在價格昂貴、技術(shù)手段尚不成熟等諸多應(yīng)用阻力，但是，作為一種適應(yīng)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)教學(xué)發(fā)展潮流的新興技術(shù)，隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，相關(guān)軟件硬件的更新?lián)Q代，虛擬現(xiàn)實技術(shù)必將在醫(yī)學(xué)教育中發(fā)揮越來越重要的作用。

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【中圖分類號】：G434

【文獻標(biāo)志碼】：A

【文章編號】：1004-5287（2016）04-0420-04

基金項目：第二軍醫(yī)大學(xué)2015年度任職教育教改課題（RZJYA201507）

收稿日期：2016-04-11

作者簡介：羅溪（1995-），男，蘭州人，本科在讀，主要研究方向：虛擬仿真醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)。

通信作者：肖良（1983-），男，湖南瀏陽人，講師，博士，主要研究方向：醫(yī)學(xué)教育實踐。電話：15921431590；E-mail：hormat830713@hotmail.com

Application of virtual reality to higher medical education

Luo Xi1，Li Songsheng2，Wang Yuefan1，Yan Zhenpeng3，Duan Wanli3，Nie Fei4，Xiao Liang4

1Team 8，Grade 2014 of Clinical Medicine；2Team 1，Grade 2012 of Naval Clinical Medicine；3Team 3，Grade 2014 of Naval Clinical Medicine；4Department of Marine Biotechnology of Faculty of Naval Medicine，Second Military Medical University，Shanghai 200433，China

【Abstract】：Virtual reality technology is a collection of simulation technology，computer graphics，human-computer interface technology and other technologies；it is a state-of-art cross-disciplinary technology.With the development of computer and network technology，virtual reality technology is broadly applied to many medical fields，particularly basic medical knowledge education and clinical skills training.Virtual reality displays excellent advantages in overcoming some restrictions of traditional medical education.It is beneficial for innovating educational conceptions，expanding education space，improving teaching quality and efficiency，and saving consumables，suggesting that it will greatly prompt the reform and development of medical education.Although virtual reality is still at its preliminary stage with a lot of disadvantages，it is expected to have broad application to medical education because of its unique superiority.

【Key words】：virtual reality；medical education；surgery