VR技術(shù)在泌尿外科教學(xué)中的應(yīng)用

黃海鵬 徐小龍 黃福 張劍歌 汪小明 周立權(quán) 黃莉

泌尿外科學(xué)是外科學(xué)的一個(gè)重要學(xué)科，教學(xué)內(nèi)容主要包括膀胱腫瘤、前列腺增生癥、泌尿系統(tǒng)結(jié)石等泌尿系統(tǒng)常見(jiàn)病的診斷和治療，內(nèi)容繁多而復(fù)雜。為了不斷適應(yīng)學(xué)科發(fā)展的要求，提高教與學(xué)的效率，必須科學(xué)地解決教學(xué)遇到的瓶頸，引進(jìn)新型的科技完善教學(xué)。虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual realistic technique）技術(shù)可以利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，能使用戶(hù)通過(guò)虛擬環(huán)境來(lái)切身感受真實(shí)的環(huán)境，在該虛擬的環(huán)境中進(jìn)行操作。將VR技術(shù)應(yīng)用于泌尿外科教學(xué)中，可以模擬泌尿系統(tǒng)環(huán)境進(jìn)行教學(xué)，使得學(xué)生在更深刻理解泌尿外科知識(shí)的同時(shí)，在虛擬的模型上進(jìn)行操作，增強(qiáng)操作的熟練程度。然而，作為一種應(yīng)用于醫(yī)學(xué)教學(xué)的新型技術(shù)，教學(xué)者以及學(xué)生都需要一定的時(shí)間和努力去適應(yīng)，使得VR技術(shù)可以極好地服務(wù)于醫(yī)學(xué)教學(xué)。

1 泌尿外科學(xué)

根據(jù)生理功能及解剖位置，泌尿外科學(xué)包括泌尿系及男生殖系統(tǒng)，泌尿系統(tǒng)主要包括腎上腺、腎臟、輸尿管、膀胱及尿道，男生殖系統(tǒng)包括陰囊、睪丸、附睪、輸精管、精囊、射精管，而泌尿系統(tǒng)與男生殖系統(tǒng)是通過(guò)射精管相互聯(lián)系[1]。泌尿外科系統(tǒng)的疾病主要包括以下幾種：感染、腫瘤、梗阻、損傷、尿石癥、畸形、腎上腺疾病及男性科疾病，其病種是外科系統(tǒng)中相對(duì)較多的。

泌尿外科系統(tǒng)疾病的診斷主要包括體格檢查、影像學(xué)檢查、內(nèi)鏡檢查。體格檢查是主要的也是最基本的檢查方式，在影像學(xué)檢查中泌尿系平片、B超、CT、泌尿系靜脈造影、逆行尿路造影等是重要的輔助檢查方法，在臨床上膀胱鏡、輸尿管鏡、腎鏡、輸尿管軟鏡等內(nèi)鏡檢查也是臨床醫(yī)生常用的檢查方法[2]。

泌尿外科教學(xué)的目的即要讓學(xué)生對(duì)泌尿生殖系統(tǒng)有一個(gè)整體的認(rèn)識(shí)，為了讓學(xué)生快速而全面地掌握泌尿外科學(xué)的必備知識(shí)以及臨床操作技能，泌尿外科學(xué)的教學(xué)也要不斷適應(yīng)學(xué)科發(fā)展的要求。根據(jù)醫(yī)學(xué)教學(xué)大綱的要求，泌尿外科的教學(xué)內(nèi)容主要包括膀胱腫瘤、前列腺增生癥、泌尿系統(tǒng)結(jié)石等泌尿系統(tǒng)常見(jiàn)病的診斷和治療?？梢?jiàn)，泌尿外科的教學(xué)內(nèi)容是多而復(fù)雜的，但是由于授課學(xué)時(shí)少，需要有效地提高教與學(xué)的效率，使得學(xué)生能在較短的時(shí)間能較好地掌握本學(xué)科的解剖結(jié)構(gòu)及最常見(jiàn)疾病的診療。因此，在臨床教學(xué)過(guò)程中，必須充分認(rèn)識(shí)各種教學(xué)困難，然后積極尋求更好的解決方法[3]，提高教學(xué)的效率。

2 VR（virtual realistic）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（virtual realistic technique）是一種集顯示技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、傳感器技術(shù)等多種技術(shù)為一體的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，讓用戶(hù)更加真實(shí)的體驗(yàn)虛擬世界。主要方式即利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，能使用戶(hù)通過(guò)虛擬環(huán)境來(lái)切身感受真實(shí)的環(huán)境，用戶(hù)可以與虛擬的環(huán)境進(jìn)行交互作用，并有助于啟發(fā)構(gòu)思。由上可知，VR技術(shù)的核心是建模與仿真，而沉浸、交互、構(gòu)想是VR系統(tǒng)的3個(gè)基本特點(diǎn)。

VR技術(shù)在教育領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用在于能夠創(chuàng)建和設(shè)置學(xué)習(xí)環(huán)境，并支持語(yǔ)言學(xué)習(xí)、支持技能實(shí)訓(xùn)、支持特殊兒童學(xué)習(xí)這四個(gè)方面。VR技術(shù)能夠創(chuàng)建模擬的學(xué)習(xí)環(huán)境系統(tǒng)，全方位調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)者的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等，增強(qiáng)學(xué)習(xí)者的感受和增加實(shí)踐的機(jī)會(huì)。

在教育領(lǐng)域方面，VR技術(shù)主要表現(xiàn)在可以增加學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)體驗(yàn)，讓學(xué)習(xí)者能夠完全融入學(xué)習(xí)環(huán)境中，擁有實(shí)現(xiàn)情境學(xué)習(xí)和知識(shí)遷移等方面的優(yōu)勢(shì)[4]。以VR技術(shù)為核心的教學(xué)倡導(dǎo)“做學(xué)合一”的理念，其教學(xué)設(shè)計(jì)遵循“實(shí)操為主，教學(xué)為輔”的原則，具備以下幾大優(yōu)勢(shì)：（1）多項(xiàng)感知功能：學(xué)習(xí)者可通過(guò)穿戴VR眼鏡、手套、耳機(jī)等，在虛擬的教學(xué)環(huán)境中，調(diào)動(dòng)身體的各種感知器官真實(shí)體驗(yàn)仿真的學(xué)習(xí)環(huán)境；（2）存在感：學(xué)習(xí)者通過(guò)VR技術(shù)模擬實(shí)際操作的現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，其感知和實(shí)際訓(xùn)練無(wú)多大差異；（3）沉浸式的操作體驗(yàn)：操作者在模擬的環(huán)境中實(shí)訓(xùn)時(shí)，完全將自己融入環(huán)境，與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景難以區(qū)別，如同在現(xiàn)實(shí)世界中的感覺(jué)一樣；（4）超強(qiáng)交互性：操作者在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中對(duì)知識(shí)不僅是得到感性認(rèn)識(shí)，還能理性的認(rèn)識(shí)，對(duì)概念能進(jìn)一步深化理解，并主動(dòng)獲取新的信息，產(chǎn)生新的想法，從而創(chuàng)新解決問(wèn)題的方法；（5）新穎的表現(xiàn)方式：VR 技術(shù)在畫(huà)面制作方面，采用目前主流3D引擎Unity等技術(shù)，使畫(huà)面更加精美、運(yùn)行流暢，并將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)中去。

在醫(yī)學(xué)方面，VR技術(shù)也具有十分重要的意義[5]。通過(guò)計(jì)算機(jī)建立虛擬人體模型，借助于感覺(jué)手套、頭戴式顯示器、跟蹤球，讓學(xué)生能夠動(dòng)態(tài)地更進(jìn)一步熟悉人體內(nèi)部各器官的解剖結(jié)構(gòu)和功能，與傳統(tǒng)的教學(xué)方式相比，能夠更進(jìn)一步提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率。90年代初，有學(xué)者模擬腹部及腿部外科手術(shù)的操作，建立了外科手術(shù)的虛擬操作環(huán)境。這個(gè)虛擬外科操作環(huán)境包括虛擬的手術(shù)相關(guān)工具，如注射器、手術(shù)刀、手術(shù)鉗等，虛擬的手術(shù)臺(tái)與手術(shù)燈以及虛擬的人體器官和模型等。操作者通過(guò)感覺(jué)手套、穿戴VR 眼鏡等儀器，對(duì)虛擬的人體模型進(jìn)行仿真手術(shù)操作。在實(shí)際的臨床應(yīng)用中，外科醫(yī)生可在病人身上做手術(shù)前，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的幫助，可以先在虛擬人體模型上練習(xí)相應(yīng)的手術(shù)，提高熟練度，在反復(fù)練習(xí)過(guò)程中尋找更加適合的手術(shù)方式，提高手術(shù)成功率。此外，臨床醫(yī)生可通過(guò)模擬的環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程指導(dǎo)手術(shù)和會(huì)診。

一些用于醫(yī)學(xué)培訓(xùn)、實(shí)習(xí)和研究的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，仿真程度非常高，其優(yōu)越性和效果是非常顯著的[7]。醫(yī)學(xué)生可在“虛擬實(shí)驗(yàn)室”中，進(jìn)行“人體”解剖和各種手術(shù)操作的練習(xí)[6]。由于不受標(biāo)本、場(chǎng)地等的限制，對(duì)于培養(yǎng)一名臨床醫(yī)生來(lái)說(shuō)，該項(xiàng)技術(shù)可大大縮短學(xué)習(xí)周期，降低培訓(xùn)費(fèi)用。如將導(dǎo)管插入動(dòng)脈的模擬器，因?yàn)椴皇窃谡鎸?shí)人體身上操作，可以使學(xué)生反復(fù)練習(xí)導(dǎo)管插入動(dòng)脈時(shí)的操作，直至熟練；通過(guò)模擬器可將人眼的前眼結(jié)構(gòu)生成三維立體圖像，并模擬出相應(yīng)功能，使學(xué)生在聯(lián)系眼睛手術(shù)時(shí)，可反復(fù)練習(xí)移去晶狀體的全過(guò)程實(shí)驗(yàn)操作；此外，內(nèi)鏡手術(shù)模擬器、神經(jīng)系統(tǒng)模擬器等也被常用于虛擬現(xiàn)實(shí)醫(yī)學(xué)教學(xué)[7]。

3 VR技術(shù)在泌尿外科教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

像其他醫(yī)科教學(xué)一樣，泌尿外科的教學(xué)存在著教學(xué)內(nèi)容豐富、抽象，課時(shí)短，教授模式傳統(tǒng)而單調(diào)等問(wèn)題[8-9]。VR技術(shù)以其技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)，可以構(gòu)建泌尿外科系統(tǒng)的模擬環(huán)境，使得學(xué)生可以更具體地了解泌尿外科系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，實(shí)在地掌握泌尿外科教學(xué)涉及的理論知識(shí)，極大的提高泌尿外科教與學(xué)的效率。

VR技術(shù)可為泌尿外科的教學(xué)構(gòu)建虛擬解剖實(shí)驗(yàn)室，利用電腦構(gòu)建數(shù)字化三維虛擬的人體模型，使得學(xué)生可在該模型上的泌尿外科系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行多次反復(fù)的操作，在多次熟練操作的同時(shí)加深對(duì)泌尿外科系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等的了解，推動(dòng)其在臨床思維上的全面貫通。此外，VR技術(shù)還可用于模擬泌尿外科疾病的發(fā)生，使得學(xué)生可以熟悉整個(gè)疾病發(fā)生發(fā)展、診斷、處理的過(guò)程，加深其對(duì)泌尿外科疾病的全面了解和處理技能的加強(qiáng)[10]。

在泌尿外科臨床實(shí)踐中，各種內(nèi)鏡檢查的操作包括膀胱鏡，輸尿管鏡等都是極其常用的[11]。醫(yī)學(xué)生若是不夠熟練，很有可能會(huì)在實(shí)際操作中出現(xiàn)各種問(wèn)題，甚至給患者帶來(lái)難以彌補(bǔ)的傷害，這就需要這些操作者們?cè)谂嘤?xùn)學(xué)習(xí)時(shí)就能熟練地掌握各種內(nèi)鏡檢查的操作。借助于VR技術(shù)構(gòu)建的虛擬模型，學(xué)生們可在虛擬的泌尿外科系統(tǒng)多次反復(fù)地進(jìn)行操作練習(xí)，可以不斷地熟練且不需要以患者的不適作為代價(jià)，并根據(jù)自己的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行摸索和改進(jìn)操作手法。

4 結(jié)論與展望

VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠?yàn)閷W(xué)生創(chuàng)建一個(gè)近乎真實(shí)的學(xué)習(xí)場(chǎng)景，例如虛擬人體結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建，可以通過(guò)利用仿真的人體模型，讓學(xué)生能夠了解人體的構(gòu)造，親身體驗(yàn)到人體結(jié)構(gòu)的奧秘，了解人體的各個(gè)器官的功能、位置及工作過(guò)程。因此，利用虛擬仿真的學(xué)習(xí)環(huán)境，讓抽象的教學(xué)環(huán)境人性化，使得學(xué)生的學(xué)習(xí)由被動(dòng)變?yōu)橹鲃?dòng)，可以使得普通的教學(xué)發(fā)生質(zhì)的轉(zhuǎn)變。

VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)中，是一個(gè)質(zhì)的飛躍。它的應(yīng)用使得一種全新的科技與現(xiàn)實(shí)的結(jié)合體驗(yàn)取代傳統(tǒng)老套的學(xué)習(xí)模式，通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)使我們?cè)诮虒W(xué)當(dāng)中能夠?qū)⒅R(shí)和新的技能結(jié)合，快速達(dá)到教與學(xué)的相互滲透。目前，我們搞醫(yī)學(xué)研究仍然停留在傳統(tǒng)的層面，主要包括查資料、看視頻，結(jié)合臨床的實(shí)踐等方式進(jìn)行，速度緩慢且會(huì)因?yàn)闊o(wú)法模擬真實(shí)的操作而遇到許多瓶頸，借助VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，我們能夠借助VR技術(shù)將教學(xué)研究的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行仿真模擬，并制作一系列的相關(guān)仿真模型供實(shí)驗(yàn)操作，達(dá)到事半功倍的效果。

VR 技術(shù)發(fā)展飛速，為醫(yī)學(xué)教育內(nèi)容的匹配提供了更多的便利，將知識(shí)變?yōu)椤翱吹靡?jiàn)摸得著”的學(xué)習(xí)內(nèi)容。因此，將VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于泌尿外科的教學(xué)可使學(xué)生在虛擬的三維空間內(nèi)更好地學(xué)習(xí)涉及到的人體結(jié)構(gòu)、以及在虛擬的環(huán)境中真實(shí)地進(jìn)行操作，更好地掌握泌尿外科的治療知識(shí)和操作實(shí)踐技術(shù)。

在教育領(lǐng)域方面，盡管虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)方式有更多的優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用前景廣闊，但要全面推廣及普及該項(xiàng)技術(shù)在教育方面的應(yīng)用，還需解決的問(wèn)題較多。首先，教學(xué)理念轉(zhuǎn)變，新技術(shù)的應(yīng)用意味著要顛覆部分傳統(tǒng)的教學(xué)觀念，因此，需要教師快速適應(yīng)和接受新的方法和理念；其次，建立一個(gè)好的模擬學(xué)習(xí)平臺(tái)，必須得購(gòu)買(mǎi)硬件設(shè)備，因此需要一定財(cái)力支撐；再次，VR教學(xué)內(nèi)容開(kāi)發(fā)技術(shù)要求高，需要進(jìn)行復(fù)雜的內(nèi)容開(kāi)發(fā)和程序設(shè)計(jì)[12]。此外，盡管虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)系統(tǒng)可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程、提高學(xué)習(xí)效率，但如何利用該系統(tǒng)對(duì)學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)監(jiān)控和評(píng)價(jià)有待進(jìn)一步解決。醫(yī)學(xué)院更應(yīng)明確，在醫(yī)學(xué)教學(xué)中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的本質(zhì)不是增加新的教學(xué)工具，而是引入新的教學(xué)方式和教學(xué)文化。