虛擬現(xiàn)實技術(shù)在中醫(yī)教學中的應用及其發(fā)展研究

戴紅芬，肖駿，周小莉，徐孟，劉曉偉

（1.湖北中醫(yī)藥大學，湖北 武漢 430065；2.湖北省中醫(yī)院光谷院區(qū)，湖北 武漢 430073；3.武漢大學，湖北 武漢 430073）

1 引言

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種可應用于各種不同領域的新興技術(shù)，混合了人機界面、圖形、傳感器技術(shù)、高端計算等現(xiàn)代科技。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是通過最新的電腦科技及軟件技術(shù)手段，生成全方位多感官的認知環(huán)境，客戶可以通過一定的輸入輸出設備直接與其進行交互操作，從而可以得到身臨其境的感覺[1-3]。

如今虛擬現(xiàn)實技術(shù)成功應用于工程、建筑設計、飛行員和軍事訓練中，同樣地，在醫(yī)學教育、培訓和診斷中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已然已經(jīng)應用于全身解剖模型、交互式三維可視化的醫(yī)學圖像、一些簡單外科手術(shù)的模擬等。傳統(tǒng)醫(yī)學的教學模式通常是根據(jù)教材內(nèi)容順序進行講授，能夠較好地調(diào)控教學進度，同時讓學生系統(tǒng)地學習高度提煉、總結(jié)學科知識及理論體系，但許多教學內(nèi)容相對抽象，難以用言語表達使學習者體會到位，在中醫(yī)的教學過程中，需要較詳盡的傳授醫(yī)學知識及醫(yī)學動態(tài)，尤其注重培養(yǎng)學習者的實踐動手能力的培養(yǎng)。實踐性強的教學內(nèi)容在傳統(tǒng)的教授模式中難達到較為理想的效果。此外，實驗教學資源有限、部分醫(yī)學實驗風險性大、學者在臨床上實踐機會不多，使得中醫(yī)教育的質(zhì)量和效果受到嚴重影響[4-5]。如果將虛擬現(xiàn)實技術(shù)用于中醫(yī)教學，給初學者搭建一個完全模擬實際情況的虛擬平臺學習系統(tǒng)，將對初學者的學習效果和質(zhì)量起到事半功倍的效果，更能直接將抽象理論知識直接轉(zhuǎn)化為實際認知和操作，并通過三維交互使得學習者在虛擬環(huán)境中有直接參與和實踐機會，從而打破時間和空間的限制，規(guī)避真實實驗或操作的失誤對患者可能造成的影響，同時這種類型的模擬訓練可以高效的練習操作，可使學習者不斷地進行探索、判斷、分析和總結(jié)等思維活動，從而節(jié)約培訓實踐和成本[6-8]。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要技術(shù)

虛擬現(xiàn)實能讓操作者參與并沉浸在所搭建的環(huán)境，通過交互設備，使體驗者仿佛置身于現(xiàn)實環(huán)境中，獲得相應看似真實的體驗。虛擬現(xiàn)實技術(shù)原理見圖1。

圖1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)原理

虛擬現(xiàn)實的主要技術(shù)包括：①動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)。該技術(shù)主要是對實體環(huán)境進行3D模型搭建，如Unity3D等引擎根據(jù)獲得實際的空間數(shù)據(jù)來搭建三維可視化的虛擬環(huán)境。其中3D數(shù)據(jù)模型的獲取可以通過人體造影成像、CAD三維建模以及非接觸式建模等技術(shù)生成。②實時三維圖形生成技術(shù)。該技術(shù)應用已經(jīng)很完備了，最重要的部分是實時性的保證，為達到相應的應用效果，其對硬件刷新頻率有一定的要求。在維持3D畫面質(zhì)量和復雜程度的前體下，刷新數(shù)據(jù)及視頻界面的頻率適當增加，則其畫面感會更加舒服、流暢，最優(yōu)情況是在30幀以上。③立體顯示和傳感器技術(shù)。該技術(shù)是實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實技術(shù)呈現(xiàn)完美的逼近現(xiàn)實的載體。通過當前多種先進的傳感器和顯示技術(shù)，如力反饋控制器、3D顯示器、空間定位器等等，來實現(xiàn)人與虛擬環(huán)境的交互，極大的提升了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應用效果和體驗。④應用系統(tǒng)開發(fā)工具。虛擬現(xiàn)實對某一個領域的應用是通過平臺進行的。開發(fā)者通過對應的應用開發(fā)工具來搭建，可以避免從原始的底層做起，提高了工作效率和應用推廣的可行性。當前，虛擬現(xiàn)實的開發(fā)工具軟件系統(tǒng)有很多。比如Virtools系列、WTK；MuliGen系列軟件是一個交互式的圖形建模系統(tǒng)；MuliGen-Pasadigm公司的Vega可用于實時視覺和聽覺仿真，使用簡單；SGI公司的IRIS Performer可用于生成實時可視仿真和其它交互式三維圖形應用。⑤多種系統(tǒng)集成技術(shù)。一個完整的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，必然是通過軟硬件多系統(tǒng)的集成構(gòu)成，融合多種技術(shù)，實現(xiàn)復雜功能[9-10]。

3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在中醫(yī)教學中的應用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)目前在中醫(yī)學方面有所應用，比如遠程指導；其在中醫(yī)學教學中的應用主要有以下兩個方面。

3.1 中醫(yī)脈診教學 脈診是通過按壓、感覺人體特點部位的脈搏跳動情況，并據(jù)此判斷人體的一些生理狀況。其深淺沉浮變化均與臟腑功能、氣血運行密切關(guān)鍵。若臟腑氣血失和，血脈運行會受到影響，脈像亦隨之改變，故脈診可輔助了解疾病的發(fā)展及預后。

臨床上主要需掌握脈診的把脈指法、指力輕重以及每次按脈時間，才能正確進行脈診，故對經(jīng)驗和主觀感覺依存度較高,長期以來影響著脈學的學習和推廣。

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的仿真技術(shù)為傳授脈診提供了新的方式。應用該仿真技術(shù)可對脈相信息的分析模擬，科研觀察、定量診斷方面提供寶貴的根據(jù)。通過基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的可調(diào)閉環(huán)脈診平臺，能夠讓初學者在交互工具上，進行身臨其境的脈診，完全模擬實際操作。同時可通過最新的數(shù)據(jù)庫技術(shù)，將診斷信號通過算法和工具形成專家系統(tǒng)，將能進一步豐富脈診的科學性及虛擬現(xiàn)實脈診技術(shù)的指導性。

3.2 針灸教學 針灸是針法和灸法的總稱。針法針灸通過進行相應的配穴針刺治療，以通經(jīng)脈，調(diào)氣血，和陰陽，平臟腑。針灸學是中醫(yī)領域不可或缺的一部分，也是現(xiàn)代臨床醫(yī)學診療的組成部分，針灸是通過人體的經(jīng)絡、穴位知識，并通過疾病的方式位置種類，在穴位、刺激、效應這種動態(tài)關(guān)系之中選最恰當?shù)氖侄蝸磉M行針灸治療，因此，針灸的掌握和研究較為復雜。

當前針灸教學所常采用的是人體塑模工具來進行，上面有粗略的人體穴位和經(jīng)絡的走勢圖，但學習者還需依據(jù)文字資料和各個穴位特點來確定穴位的精準位置。傳統(tǒng)針灸教學當中，通過直觀的二維圖或者計算機模型觀看了解各個穴位的名稱和所在位置，然而該方式直觀性能差，學習難度大，分塊的模型不利于顯示和觀察。

基于上述分析，本文認為虛擬現(xiàn)實技術(shù)特點結(jié)合針灸學可以更好的幫助中醫(yī)針灸教學工作。基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的針灸教學，通過人體掃描或者核磁共振等成像技術(shù)進行建模，將穴位在虛擬的3D模型上實時的表現(xiàn)出來，可實現(xiàn)穴位三維結(jié)構(gòu)表達與相關(guān)醫(yī)療功用信息顯示，如經(jīng)絡循行演示、穴位定位顯示、人體模型多自由度旋轉(zhuǎn)、點穴操作實現(xiàn)等，使學習者易于理解與掌握。初學者在進行具有穴位顯示的3D虛擬模型上可以直接通過力反饋控制器或位置傳感器等操作，并通過3D顯示器顯示操作環(huán)境，該方式可以完全模擬針灸操作，設定多種臨床針灸治療的情形，初學者在電腦上反復練習，可有效掌握針灸學臨床思維方式和有關(guān)規(guī)律，從而提高教學質(zhì)量和降低醫(yī)療風險。

4 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在中醫(yī)教學中的優(yōu)勢

中醫(yī)教學的傳統(tǒng)模式主要是課堂授學以及其他插圖，模具，以及動物實驗、尸體解剖來進行教學。由于醫(yī)學領域的特殊性，其交互方式受一定的條件限制，并具有一定的危險性。然而當虛擬現(xiàn)實和傳統(tǒng)醫(yī)學教育相結(jié)合時，可以使得醫(yī)學教育具有很強的針對性、實用性，能突破原有局限的書本化教學方式。

4.1 有助于解決中醫(yī)實驗教學資源緊缺的難題，利用虛擬現(xiàn)實的技術(shù)優(yōu)勢創(chuàng)設逼真的教學情境,使學習者在系統(tǒng)中獲得近似于真實實驗的操作體會，該項技術(shù)的使用可以節(jié)約大量的試驗設備，樣本如試驗動物、組織等等，一次投入使用，重復利用率高，學生和老師都可以進行操作，教學、測試、分析以及進行研究。從這方面來說可以極大的解決教學資源緊缺的問題，在有關(guān)地區(qū)采用還可以緩解教育資源分布不均的矛盾。例如利用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)進行尸體解剖，在虛擬的尸體上進行處理，而操作者又可以實時觀察所解剖的結(jié)構(gòu)，組織，并且可以進行操作、處理，浸入式的學習操作能幫忙學生提高動手能力，并且解決尸源緊缺的問題。

4.2 可以極大的節(jié)省時間。如相關(guān)的實踐操作，可以迅速開展，不受儀器設備、實驗對象、物理空間等外界條件限制，可隨時進行相關(guān)教學。又如經(jīng)絡循行，這些在傳統(tǒng)的教學中只能依靠教師的口頭講述傳授的抽象知識，可利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的模擬，使學生詳細觀察以獲得形象生動的概念及知識，大大促進學習者對該學科的理解和掌握。除此之外，很多漫長的變化發(fā)展過程，可以通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)配合當前先進的計算機運算處理技術(shù)，來模擬醫(yī)學變化的發(fā)展規(guī)律，可以直觀的進行深入的了解，而且能夠在此基礎上進行操作，打破時間的局限性。

4.3 可快速提高學習者的中醫(yī)臨床經(jīng)驗和實操能力，虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以充分地利用現(xiàn)有的計算機軟件和硬件資源，模擬各種不同的疾病和系統(tǒng)病狀供學生進行直觀的學習和感受，促進學習效果的進步。例如：腕踝針虛擬教學系統(tǒng)，可以充分地利用現(xiàn)有的計算機軟件和硬件資源具有病癥體驗教學模塊，可模擬臨床的不同的病癥，學習者需要選擇正確的針刺點，并完成整個扎針過程的模擬，讓學生通過練習和此系統(tǒng)適當?shù)囊龑W習臨床醫(yī)學知識。

4.4 虛擬現(xiàn)實技術(shù)可大幅提升中醫(yī)學教育質(zhì)量，解決傳統(tǒng)醫(yī)學大部分只能在書本上學習的局限性，學習者利用交互設備能夠和在現(xiàn)場一樣進行操作，增強了實踐性，能幫助學生熟練掌握有關(guān)醫(yī)學診療的專業(yè)技能。

5 虛擬現(xiàn)實技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)經(jīng)過近年的快速發(fā)展，各方面性能逐步完善，其應用前景十分廣闊，但仍然面臨著一些關(guān)鍵技術(shù)有待改進和突破，在中醫(yī)學教學中的應用還處于初級階段。實際應用主要存在以下難題：①當前硬件相關(guān)的發(fā)展技術(shù)還不夠完善，設備還不夠貼合虛擬現(xiàn)實技術(shù)的使用要求，硬件在分辨率、刷新速度、使用便捷程度上還有待提高，并且造價昂貴，在中醫(yī)學教學中大規(guī)模推廣應用還不成熟。②當前相關(guān)的模型搭建以及系統(tǒng)平臺搭建還不夠完善，相關(guān)模型工作比較復雜，系統(tǒng)平臺軟件的開發(fā)需要大量的精力和花費，對應的編程還有待進一步開發(fā)，以及其他相關(guān)問題還有待解決。③當前效果不夠理想，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)運行所需的數(shù)據(jù)交換時間偏長，互動交流難以流暢進行，而力檢測及反饋技術(shù)、語音識別、人工智能等還不夠成熟，環(huán)境真實感較差，容易出現(xiàn)眩暈和人眼疲勞等現(xiàn)象，影響教學質(zhì)量，同時與臨床實踐還需更加緊密結(jié)合。

6 結(jié)語

中醫(yī)教學與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的有機結(jié)合，改變了傳統(tǒng)的教育模式，具有沉浸性、交互性、時效性以及多感知性等多種優(yōu)點，但當前虛擬現(xiàn)實技術(shù)還處于發(fā)展階段，許多關(guān)鍵技術(shù)有待發(fā)展完善。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)軟件硬件性能不斷提高，其在中醫(yī)教學領域的應用也會加更廣泛和深入，結(jié)合其它的教學模式，相互補充，可讓中醫(yī)教學方法更趨完善。

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