虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用

鄧曉軍，秦向陽，高 鵬，何 煒

(第四軍醫(yī)大學(xué)藥學(xué)院化學(xué)教研室，西安 )

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用

鄧曉軍，秦向陽，高 鵬，何 煒△

(第四軍醫(yī)大學(xué)藥學(xué)院化學(xué)教研室，西安 )

虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality，VR)技術(shù)，是利用計(jì)算機(jī)創(chuàng)建一個(gè)虛擬的三維情景，為用戶提供視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓用戶如同身歷其境一般，可以實(shí)時(shí)、無限制地觀察虛擬空間內(nèi)的事物，并通過人機(jī)交互設(shè)備對虛擬環(huán)境內(nèi)物體進(jìn)行實(shí)時(shí)操控和設(shè)計(jì)改造[1]。目前該技術(shù)已經(jīng)在娛樂、機(jī)械制造、航空航天等領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用。然而受醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)I(yè)性強(qiáng)、知識(shí)更新快、進(jìn)入門檻高等原因，VR技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用還處于起步階段。與傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)教育培訓(xùn)方法相比，VR技術(shù)有巨大的優(yōu)勢。利用VR開發(fā)系統(tǒng)對醫(yī)學(xué)對象進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，構(gòu)建虛擬學(xué)習(xí)情境，再輔助以文字、圖片等補(bǔ)充信息，可高精細(xì)度呈現(xiàn)系統(tǒng)預(yù)設(shè)的學(xué)習(xí)內(nèi)容，結(jié)合人機(jī)交互設(shè)備，學(xué)生可以漫游在系統(tǒng)構(gòu)建的虛擬場景中，甚至對場景中的虛擬信息進(jìn)行操作和設(shè)計(jì)，從而達(dá)到全方位展示學(xué)習(xí)內(nèi)容的目標(biāo)。早在20世紀(jì)80-90年代，歐美醫(yī)學(xué)研究工作者就開始了對人體虛擬圖像的研究，德國漢堡大學(xué)醫(yī)學(xué)技術(shù)研究所率先創(chuàng)建了3D虛擬人體圖譜并用于醫(yī)學(xué)生可視化教學(xué)，但仿真程度有限[2]。進(jìn)入21世紀(jì)以來，計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)、仿真技術(shù)的迅速發(fā)展和相互融合為構(gòu)建VR系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持，VR技術(shù)用于醫(yī)學(xué)教育已經(jīng)變得觸手可及。

1 VR教學(xué)的優(yōu)勢和特點(diǎn)

面對醫(yī)療技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展和人們對醫(yī)護(hù)水平的更高要求，醫(yī)療崗位對醫(yī)學(xué)生的理論知識(shí)水平和臨床實(shí)踐能力提出了更高標(biāo)準(zhǔn)。通過老師書本授課、模具操作和現(xiàn)場觀摩等方式開展醫(yī)學(xué)教學(xué)的傳統(tǒng)教學(xué)方法，不可避免地存在理論知識(shí)抽象難懂、實(shí)踐與臨床脫節(jié)等問題。

應(yīng)用VR技術(shù)進(jìn)行醫(yī)學(xué)教學(xué)，能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)教學(xué)的不足。VR技術(shù)可以打造出一個(gè)隨時(shí)可用的實(shí)驗(yàn)室和近在眼前的觀摩臺(tái)，這種逼真的親身經(jīng)歷和感受是傳統(tǒng)教學(xué)方法不能比擬的。用VR技術(shù)開發(fā)的虛擬教學(xué)平臺(tái)可將各種醫(yī)學(xué)影像和數(shù)據(jù)信息創(chuàng)建成一個(gè)沉浸式的虛擬培訓(xùn)環(huán)境，學(xué)生通過3D人體模型，從視覺、聽覺、觸覺多感官直接觀察人體細(xì)節(jié)，并借助多傳感器、頭戴式顯示器(HMD)、體感外設(shè)備等工具與虛擬環(huán)境中實(shí)物進(jìn)行互動(dòng)。這種集視覺、聽覺、操作為一體的虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)，可使學(xué)生完全沉浸于自主學(xué)習(xí)的三維虛擬環(huán)境中，通過自身與環(huán)境的交互全方位獲取知識(shí)和技能。例如，用VR外科手術(shù)系統(tǒng)模擬外科手術(shù)。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多人同時(shí)介入，以協(xié)作方式共同完成一項(xiàng)手術(shù)或者以共享模式觀摩一場作業(yè)。在操作時(shí)，計(jì)算機(jī)AI可對學(xué)生進(jìn)行視覺、聽覺、動(dòng)作的綜合指導(dǎo)，老師或?qū)＜乙部芍苯咏槿脒M(jìn)行實(shí)時(shí)指導(dǎo)[3]。這種教學(xué)方式將有助于學(xué)生理解醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)理論，掌握基本臨床技能，對提高分析問題和解決問題的能力起到巨大的促進(jìn)作用。此外，投資昂貴的實(shí)驗(yàn)對象(尸體、假人、模具等)和器材是醫(yī)學(xué)科研機(jī)構(gòu)巨大的負(fù)擔(dān)，VR技術(shù)具有不受標(biāo)本、場地、時(shí)間等等諸多因素的制約，可以使教學(xué)培訓(xùn)活動(dòng)根據(jù)需要隨時(shí)隨地進(jìn)行，在減少教學(xué)費(fèi)用投入的同時(shí)獲得良好教學(xué)效果。不僅能大幅降低醫(yī)學(xué)科研機(jī)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，而且能有效縮短科研人員的培訓(xùn)練時(shí)間。

2 VR技術(shù)在醫(yī)療教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 模擬教學(xué)以強(qiáng)化教學(xué)效果 醫(yī)學(xué)要求學(xué)生記憶的知識(shí)點(diǎn)多，學(xué)生要想記住書上的知識(shí)點(diǎn)很大程度上依靠背誦和老師講解，這種方式需要學(xué)生付出很大的努力。利用VR教學(xué)系統(tǒng)，老師可為學(xué)生選擇一個(gè)針對特定知識(shí)點(diǎn)的模擬教學(xué)情境，學(xué)生就可以通過3D視屏動(dòng)態(tài)演示,人機(jī)互動(dòng)界面操作，對設(shè)定的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行學(xué)習(xí)[4]。例如，學(xué)習(xí)人體骨骼結(jié)構(gòu)，學(xué)生利用虛擬系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，配合系統(tǒng)機(jī)器人的指導(dǎo)和講解，學(xué)生可以直接對3D數(shù)字人體進(jìn)行解剖，身臨其境的觀察特定部位骨骼的結(jié)構(gòu)，這種親身經(jīng)歷般的感覺可讓學(xué)生對所見所聞的知識(shí)難以忘懷，有利于提高學(xué)習(xí)效果。

2.2 自主學(xué)習(xí)以提高創(chuàng)新能力 通過虛擬場景設(shè)置智能化虛擬教學(xué)，使學(xué)生學(xué)習(xí)由被動(dòng)接受轉(zhuǎn)化為主動(dòng)求知。在虛擬環(huán)境中學(xué)生可以自己動(dòng)手設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)情境，制訂實(shí)驗(yàn)方案，例如，學(xué)生可以通過人機(jī)交互系統(tǒng)觀察不同參數(shù)條件下的人體結(jié)構(gòu)模型，單體器官模型，或進(jìn)行內(nèi)部“漫游”、局部解剖等探索[5]，這種學(xué)習(xí)方式可以極大的擴(kuò)展教學(xué)空間和教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和提高創(chuàng)新能力，使學(xué)生真正的從“要我學(xué)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔乙獙W(xué)”，由被動(dòng)灌輸轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)。

2.3 模擬實(shí)訓(xùn)以客觀評價(jià)學(xué)習(xí)效果 傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)教育對學(xué)生學(xué)習(xí)情況的考察主要通過理論考試，但簡單地通過考試分?jǐn)?shù)不能全面考察學(xué)生的知識(shí)掌握程度和實(shí)踐能力。通過VR技術(shù)，老師提前錄入數(shù)字人體基本信息、診療參數(shù)及藥物影響等數(shù)據(jù)，再讓學(xué)生自主在虛擬人體模型上進(jìn)行病情分析，并實(shí)施診斷和治療。系統(tǒng)自動(dòng)收集學(xué)生實(shí)時(shí)操作數(shù)據(jù)，并對其做出診療評價(jià)，從而實(shí)現(xiàn)教學(xué)全程可視化管理，實(shí)時(shí)評估學(xué)生掌握知識(shí)的情況，這將有利于老師更好地處理教學(xué)過程中存在的知識(shí)盲點(diǎn)和薄弱環(huán)節(jié)，增強(qiáng)教學(xué)效果。

2.4 醫(yī)學(xué)模擬診斷以提高實(shí)踐能力 將傳統(tǒng)的實(shí)習(xí)觀摩方法與虛擬診斷項(xiàng)結(jié)合，將有利于學(xué)生實(shí)習(xí)時(shí)獲取更多的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，掌握基礎(chǔ)臨床技能。對于高年級學(xué)生和規(guī)范化培訓(xùn)醫(yī)生，現(xiàn)場觀摩是臨床實(shí)踐的主要培訓(xùn)方式。受醫(yī)學(xué)院校培訓(xùn)資源有限的限制，加之醫(yī)生工作任務(wù)繁重，觀摩實(shí)習(xí)難達(dá)預(yù)期教學(xué)效果。VR模擬診斷可以彌補(bǔ)這些不足。醫(yī)學(xué)培訓(xùn)生利用VR系統(tǒng),可在虛擬人體上進(jìn)行大膽的診療試驗(yàn)，測試不同治療方案在人體上的反應(yīng)，從而獲取大量虛擬診療數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)與患者實(shí)際身體指標(biāo)進(jìn)行對比，分析理論與實(shí)際的差距，將有助于學(xué)生獲得臨床經(jīng)驗(yàn)，加深對基礎(chǔ)理論知識(shí)的理解[6]。在臨床上，虛擬診療數(shù)據(jù)還可作為各種復(fù)雜病癥的輔助判斷指標(biāo)。

2.5 虛擬分子設(shè)計(jì)以促進(jìn)醫(yī)藥研發(fā) 分子生物學(xué)、藥學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科在醫(yī)學(xué)發(fā)展中扮演著不可替代的角色，但這些學(xué)科的研究對象大多處于分子級別，肉眼看不見、摸不著，研究起來很抽象，常常給人一種說不清也道不明的感覺。VR技術(shù)可把各種分子微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行宏觀化展示，使藥物研究人員逼真而清楚地看到各種分子結(jié)構(gòu)3D模型。通過人機(jī)交互設(shè)備可以對分子模型進(jìn)行改造和設(shè)計(jì)，這將為藥物研究帶來許多便利。宏觀化展示化合物微觀結(jié)構(gòu)，可加深研究人員對化合物結(jié)構(gòu)的理解，有助于找到最佳合成路徑；模擬各種生物大分子與藥物小分子的結(jié)合，找出藥物分子與生物大分子最佳結(jié)合位點(diǎn)，有利于探索藥理特性；觀察特定條件下活性分子間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的全過程，有利于探索活性分子生物特性[7]。這些便利將有助于藥物研發(fā)人員更加有針對性的取去設(shè)計(jì)和合成藥物，縮短藥物研發(fā)周期，降低研發(fā)成本。

3 VR醫(yī)學(xué)教育系統(tǒng)的建設(shè)

VR醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室是VR醫(yī)學(xué)教育系統(tǒng)必不可少的載體，與一般VR實(shí)驗(yàn)室一樣，主要由開發(fā)渲染平臺(tái)、三維沉浸顯示系統(tǒng)，三維交互系統(tǒng)和中央控制系統(tǒng)四大部分統(tǒng)組成[8]。信息技術(shù)的快速發(fā)展已為VR技術(shù)醫(yī)學(xué)應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的“硬件”基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)VR技術(shù)醫(yī)學(xué)應(yīng)用的關(guān)鍵還在于能否開發(fā)出高度逼真的教學(xué)情景、科學(xué)的教學(xué)模型和恰當(dāng)?shù)娜藱C(jī)交互系統(tǒng)等“軟件”系統(tǒng)[9]。醫(yī)學(xué)知識(shí)專業(yè)性強(qiáng)，要建成可用于醫(yī)學(xué)培訓(xùn)的VR醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室離不開醫(yī)學(xué)專家和信息技術(shù)開發(fā)人員的通力合作。先由醫(yī)學(xué)教學(xué)工作者設(shè)計(jì)科學(xué)的醫(yī)學(xué)教育方案和內(nèi)容，提出人機(jī)互動(dòng)方案，VR系統(tǒng)開發(fā)人員根據(jù)提供的信息進(jìn)行醫(yī)學(xué)教育系統(tǒng)開發(fā)，醫(yī)學(xué)教育工作者對模型設(shè)計(jì)進(jìn)行全程跟進(jìn)，不斷修正仿真內(nèi)容，提高模擬的逼真程度，這樣才能做出符合實(shí)際應(yīng)用需要的VR醫(yī)學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)。

4 VR技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域的應(yīng)用

目前，全世界許多團(tuán)體都在致力于VR技術(shù)研究和開發(fā)，該技術(shù)在娛樂、機(jī)械制造、航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用可謂是日新月異，越來越多的VR產(chǎn)品已經(jīng)走入人們的生活。醫(yī)學(xué)關(guān)系人們的身體健康，一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)攻關(guān)領(lǐng)域。雖然VR技術(shù)的醫(yī)學(xué)應(yīng)用還處于初級階段，但應(yīng)看到其巨大的應(yīng)用前景。VR技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育上應(yīng)用所帶來的教學(xué)方式改變已逐漸被醫(yī)學(xué)專家認(rèn)同，相信在不久的將來，VR技術(shù)終將會(huì)在教學(xué)領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用。

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鄧曉軍(1986-)，助教，碩士研究生，主要從事天然產(chǎn)物全合成及不對稱方法學(xué)研究。△

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