虛擬現(xiàn)實技術(shù)在研究生生物醫(yī)學實驗教學中的探索與應用

楊梅松竹，李 輝，陳金華，朱耀峰

（吉首大學 醫(yī)學院，湖南 吉首 416000）

醫(yī)學研究生教育是培養(yǎng)醫(yī)藥衛(wèi)生人才、維護人類健康的重要環(huán)節(jié)，與醫(yī)療和教育兩個關(guān)鍵的民生問題息息相關(guān)。醫(yī)學研究生教育不僅要向?qū)W習者傳授醫(yī)學專業(yè)知識與科技前沿動態(tài)，更要注重實踐操作能力和深度學習能力等綜合素質(zhì)的訓練，目的是培養(yǎng)具備疾病診療能力、健康宣傳能力、科研探索能力以及知識傳播能力的新時代醫(yī)生。

傳統(tǒng)教學模式中，能力培養(yǎng)的許多方面未能融入到教學實踐中去。例如，偏抽象的教學內(nèi)容難以通過語言表達，實踐性強的教學內(nèi)容難以在講述中實現(xiàn)，富于情感體驗的教學內(nèi)容難以進行口頭描述。并且，由于受到時間、場地以及儀器設(shè)備等條件的制約，生物醫(yī)學實驗教學資源有限、部分生物醫(yī)學實驗危險性大、臨床實踐機會缺乏等矛盾都嚴重影響著醫(yī)學研究生培養(yǎng)的質(zhì)量和效果。

醫(yī)學研究生實驗技能訓練和科研思維培養(yǎng)任務(wù)重。無論學術(shù)型還是專業(yè)型醫(yī)學研究生，本科階段由于繁重的課程學習任務(wù)，未能提前全面接觸醫(yī)學科學研究與生物醫(yī)學實驗；研究生階段由于較短的學制和較重的專業(yè)學習任務(wù)，缺乏對生物醫(yī)學實驗技能的長期系統(tǒng)化訓練。此外，科研思維的培養(yǎng)，比如如何激發(fā)醫(yī)學前沿科學知識的深層次學習，如何建立科學研究與已有醫(yī)學知識的聯(lián)系，如何尋找潛藏的臨床問題，如何謹慎地、批判性地檢驗科學假說，如何將醫(yī)學科學研究與臨床實際應用相結(jié)合等，是一個龐大而復雜的體系。

本文聚焦于生物醫(yī)學實驗技術(shù)這一支撐醫(yī)學科學研究的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，探討虛擬現(xiàn)實技術(shù)在生物醫(yī)學科研實驗中的應用，探索提高醫(yī)學研究生實驗技術(shù)以及激發(fā)科研思維的教學方法，為醫(yī)學研究生實踐操作技能與深度學習能力培養(yǎng)等問題提供新的思路和策略。

一、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本情況

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）技術(shù)即綜合利用計算機圖形系統(tǒng)和顯示控制等接口設(shè)備，在計算機上生成可交互的三維環(huán)境，從而提供沉浸式體驗的技術(shù)。隨著計算機科學、信息傳播、人工智能和三維重建等現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展，VR 技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于醫(yī)學教育和臨床醫(yī)療的各個領(lǐng)域。VR 技術(shù)在醫(yī)學教育與實踐中的應用具有以下三個特性。（1）沉浸感。通過視覺、聽覺、觸覺和媒介對虛擬世界賦予身臨其境般地感知，創(chuàng)設(shè)“真實”的學習情境。（2）交互性。模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度，構(gòu)建“實踐”教學活動；（3）構(gòu)想性。通過構(gòu)建存在的或未知的世界用于解決實際工程問題，創(chuàng)造“形象”的應用環(huán)境。由此可見，VR 技術(shù)的特性可明顯增強課堂師生互動性、提高學生實踐參與度，使課堂氛圍更生動、內(nèi)容記憶更深刻、知識掌握更牢固。因此，VR 技術(shù)在教育實踐中的應用將為醫(yī)學教育和研究帶來一次劃時代的革命。

近十年來，科學技術(shù)的巨大進步推動了VR 技術(shù)的迅猛發(fā)展。尤其在新冠肺炎疫情持續(xù)反復的背景下，VR技術(shù)在各個領(lǐng)域的應用展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。VR 技術(shù)在線上教學、遠程指導、虛擬實驗、線上討論、遠程醫(yī)療等多方面的應用發(fā)揮了無可替代的作用。同時，國內(nèi)外各大企業(yè)，如華為、小米、聯(lián)想、創(chuàng)維、OPPO、谷歌、微軟等均進入VR 技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域，在VR 產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵核心軟件和硬件技術(shù)上不斷取得重大突破。為VR 技術(shù)在醫(yī)學教育和實踐中的應用提供了必要條件。

二、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在生物醫(yī)學科研實驗中的應用

實踐表明，生物醫(yī)學實驗技能訓練是培養(yǎng)醫(yī)學研究生動手能力、創(chuàng)新能力和科研素質(zhì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是理論與實踐相結(jié)合的橋梁。醫(yī)學研究生通過將生物醫(yī)學實驗技能與臨床專業(yè)知識進行轉(zhuǎn)化，加深對疾病發(fā)生發(fā)展規(guī)律與機制的理解，進一步提升發(fā)現(xiàn)和解決臨床實際問題的能力，從而實現(xiàn)科研更好地服務(wù)于臨床的目的。通過VR 技術(shù)的應用，強化生物醫(yī)學實驗技能、提高實驗操作技術(shù)水平、提升科研思維能力，為開展醫(yī)學科學研究打下堅實基礎(chǔ)。下面就虛擬現(xiàn)實技術(shù)在生物醫(yī)學三類實驗中的應用展開討論。

（一）虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學形態(tài)學實驗中的應用

醫(yī)學形態(tài)學實驗對應于醫(yī)學本科教育中的人體解剖學、組織學與胚胎學、病原微生物學、病理學和臨床病理學等課程。然而，研究生教學和科研則是基于本科階段所學的醫(yī)學形態(tài)學知識在形態(tài)學相關(guān)實驗技術(shù)上的應用，主要用于組織、細胞和病原菌等研究對象的標記、定位與定量等。然而，傳統(tǒng)的染色類形態(tài)學實驗存在可重復性差、結(jié)果評價缺乏客觀性、圖片效果不佳等問題。將VR技術(shù)于醫(yī)學形態(tài)學實驗可以有效避免以上問題。“虛實結(jié)合”結(jié)構(gòu)展示如圖1 所示。

圖1 “虛實結(jié)合”結(jié)構(gòu)展示

利用VR 技術(shù)開展形態(tài)學實驗虛擬操作，實現(xiàn)實驗的可重復性。查閱GeneCards 和The human protein atlas 等數(shù)字圖譜網(wǎng)絡(luò)平臺了解目標蛋白在細胞中的定位及表達水平；借助Wiley online library、protocols.io 等實驗技術(shù)網(wǎng)絡(luò)平臺根據(jù)蛋白類型和細胞定位選擇合適的染色步驟和試劑；利用3DsMax 建模、VRMI 格式網(wǎng)絡(luò)輸出和Java Applet 等技術(shù)手段實現(xiàn)實驗操作模擬與通訊互交。通過綜合利用形態(tài)學相關(guān)VR 技術(shù)進行虛擬操作，實現(xiàn)特殊染色、免疫化學染色及免疫熒光染色等形態(tài)學實驗的可重復性，最大程度避免臨床樣本和動物模型組織切片的浪費和抗體等試劑的損耗，節(jié)省實驗條件摸索時間，提高實驗效率。

通過VR 技術(shù)構(gòu)建形態(tài)學實驗結(jié)果客觀性評價體系。按照實驗目的，在掌握了實驗原理、選擇了適當?shù)牟僮鞑襟E和試劑、確定了合適的實驗條件等前提下，對組織切片進行染色。進一步，利用顯微數(shù)碼互動系統(tǒng)、數(shù)字虛擬組織切片掃描系統(tǒng)等圖像采集模塊，獲取高清數(shù)字虛擬圖像；運用Image J、ImageXpress Micro Confocal 等數(shù)字成像分析系統(tǒng)對數(shù)字圖像進行分析與統(tǒng)計?？蓪崿F(xiàn)石蠟連續(xù)切片同一視野、不同染色方式的圖片采集和對比分析，對不同標記類型、不同細胞定位的染色結(jié)果進行定量分析和差異比較，并呈現(xiàn)數(shù)字地形圖、熱圖等多種可視性結(jié)果，構(gòu)建形態(tài)學實驗結(jié)果客觀性評價體系。

VR 技術(shù)極大提高了圖片展示效果。形態(tài)學研究結(jié)果的展示主要通過圖片來體現(xiàn)，圖像處理相關(guān)VR 技術(shù)的運用使得圖片展示效果得到大幅提升。組織或細胞免疫熒光染色可通過應用ZEN、DVM 等數(shù)字顯微鏡軟件獲得單通道圖像，并進行多通道不同組合方式的圖像合成。應用Adobe illustrator、Canvas 等矢量圖形處理軟件中黑白平衡、角度校正、降噪銳化及Flash 渲染等技術(shù)模塊，可獲得高精度、高視覺效果矢量圖。Vectra Polaris 多光譜掃描成像系統(tǒng)通過光譜拆分成像技術(shù)有效識別多重熒光信號，同時進行組織切片全景掃描，搭配Halo 數(shù)字病理圖像分析平臺，可獲得低光譜重疊率、高清晰度、低背景、可拆分熒光圖像，使得以多種蛋白或核酸分子為研究對象的多重免疫熒光染色技術(shù)在病灶微環(huán)境和細胞空間分布等高端病理分析技術(shù)中得到廣泛應用。

VR 技術(shù)在醫(yī)學形態(tài)學實驗中的應用極大地發(fā)揮了其“形象”的特征，超越了傳統(tǒng)形態(tài)學實驗的阻礙，擴大了形態(tài)學研究的探索方向，增加了實用性強的形態(tài)學技術(shù)方法，提高了形態(tài)學實驗結(jié)果的顯示效果。

（二）虛擬現(xiàn)實技術(shù)在分子生物學實驗中的應用

醫(yī)學科學研究相關(guān)的分子生物學實驗包括基因編輯技術(shù)、分子結(jié)構(gòu)與功能分析、細胞工程技術(shù)、細胞信號轉(zhuǎn)導調(diào)控等實驗技術(shù)，涉及細胞水平、蛋白質(zhì)水平、核酸水平等多個層面。存在實驗條件要求高，儀器設(shè)備貴重且操作復雜，需要使用多種有毒有害試劑，實驗結(jié)果難以預測等問題。而這些問題均可通過VR 技術(shù)得到很好的替代和補充。

基因編輯技術(shù)以及基因組、轉(zhuǎn)錄組和蛋白組等多組學研究相關(guān)的實驗儀器設(shè)備貴重且操作復雜。MinION、OmicsDI 和TARGET 等數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)字可視化綜合組學分析平臺在多組學研究中的運用，可多狀態(tài)、多維度精準檢測出關(guān)鍵致病基因并分析其表達調(diào)控方式，使得通過CRISPR 基因編輯工具干擾或刪除關(guān)鍵基因從而闡明其生物學功能成為可能。Signosis、Chromium 等單細胞基因表達分析技術(shù)的應用，能夠在單細胞水平上對基因表達水平進行測定，從而鑒定細胞類型和狀態(tài)、定量細胞群體異質(zhì)性、動態(tài)了解細胞躍遷、篩選用于功能研究的關(guān)鍵候選基因。

分子空間結(jié)構(gòu)和互作功能分析是研究蛋白質(zhì)、核酸等分子結(jié)構(gòu)與功能的實驗技術(shù)。采用VR 技術(shù)進行模擬計算可以對目標分子的結(jié)構(gòu)和功能進行模型構(gòu)建和結(jié)果預測，既能獲得可靠的分子模型和預測結(jié)果，又能大幅度減少有毒、有害試劑的使用。比如，Discovery Studio、SDSCI 和3D-JIGSAW 等同源建模法即利用已知蛋白序列預測同源蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，通過結(jié)構(gòu)分析揭示蛋白質(zhì)功能等模擬計算的方法預測蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)和生物學功能；AutoDock、ZDOCK 和RosettaDock 等分子對接工具可以對蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)之間、蛋白質(zhì)與DNA 或RNA 之間的相互作用進行模擬計算；此外，還可以通過Discovery Studio、NAMD 和GROMACS 等分子動力學平臺構(gòu)建蛋白質(zhì)分子模型，通過研究蛋白質(zhì)內(nèi)部運動和構(gòu)象動態(tài)變化了解蛋白質(zhì)的特性和生物學功能。

細胞工程技術(shù)是指利用工程學技術(shù)在細胞水平或細胞器水平對細胞進行遺傳學改造，實驗條件要求高。采用基因克隆計算機輔助設(shè)計、DNA 或基因合成、轉(zhuǎn)基因等技術(shù)進行基因表達與細胞信號轉(zhuǎn)導調(diào)控網(wǎng)絡(luò)、完整基因組和細胞的人工設(shè)計與合成，模擬細胞工程學改造過程，獲得特定遺傳性狀的細胞模型。利用Sholl Analysis 和Imaris software 等模擬計算軟件，通過基因表達分析與信號轉(zhuǎn)導調(diào)控預測信號轉(zhuǎn)導過程中的關(guān)鍵調(diào)控分子，通過對相應抑制劑的模擬篩選預判關(guān)鍵分子是否具有成為治療靶點的潛能，從而分析研究其可行性。

基于VR 技術(shù)開發(fā)的各項分子生物學實驗模塊，可以讓學生不受時間、場地、儀器設(shè)備、實驗試劑等條件的制約，通過反復模擬實驗過程、優(yōu)化實驗步驟、分析實驗結(jié)果，幫助研究生更好地探討、闡述、證明相關(guān)科學問題，進而提升研究水平。各小組總結(jié)匯報如圖2 所示。

圖2 各小組總結(jié)匯報

（三）虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學機能學實驗中的應用

目前，VR 技術(shù)作為虛擬仿真技術(shù)的重要組成部分已經(jīng)廣泛應用于本科醫(yī)學機能實驗教學中空氣栓塞、高鉀血癥和失血性休克等經(jīng)典驗證性實驗。而針對科學研究涉及的機能學相關(guān)實驗研究，尤其是行為學、藥理學、腫瘤學等醫(yī)學研究重要指標，VR 技術(shù)應用較少。研究生可借助醫(yī)學虛擬仿真實驗平臺，利用基于VR 的醫(yī)學機能學實驗設(shè)備，開展科學研究相關(guān)的動物體內(nèi)實驗。

相比傳統(tǒng)行為學實驗，VisuGait、KWB 等動物步態(tài)分析系統(tǒng)可對動物行走過程的足印信息進行清晰地采集，對動物足跡的步行周期、支撐距離、支撐時長、擺動時長、制動時長、步頻等多項指標進行自動識別和分析，提供單只腳爪獨立“病態(tài)”曲線，客觀而精確地反映動物步態(tài)變化情況；曠場實驗通過搭載VisuTrack 視頻采集和SuperMaze 動物行為分析等軟件，自動采集和比較動物在靜止、緩慢運動和快速運動等三種狀態(tài)的時間差異分析動物自主運動能力，利用熱圖、矩陣圖顯示動物在曠場不同區(qū)域所待時間、尿便次數(shù)、直立次數(shù)和修飾次數(shù)等行為評估動物焦慮相關(guān)情緒行為；以全形態(tài)識別技術(shù)為核心的Gene&I 水迷宮分析系統(tǒng)，通過四部位定位檢測動物在水迷宮轉(zhuǎn)圈行為、與平臺夾角、離平臺距離等參數(shù)，更加全面、客觀評價動物學習記憶能力。

虛擬仿真實驗是在沒有實體動物、試劑、儀器等情況下，基于計算機虛擬現(xiàn)實和仿真動畫技術(shù)建立網(wǎng)絡(luò)化虛擬實驗室，構(gòu)建互交式、動態(tài)操作、可多角度和多層面觀察與操作的虛擬實驗環(huán)境。VBL-100、BHW-CS 等虛擬仿真實驗系統(tǒng)能夠模擬藥物體內(nèi)轉(zhuǎn)化、藥物代謝動力學和藥物毒理性等整個藥理學實驗流程，通過反復地無實物訓練，熟悉動物實驗的各項基本操作，掌握實驗的原理及重點。進一步，采用虛實結(jié)合的模式，為后續(xù)的實驗動物研究、創(chuàng)新性實驗設(shè)計、自主操作手法和準確預測結(jié)果等提供學習與訓練平臺。

在腫瘤學動物體內(nèi)實驗研究過程中，小動物超聲成像、活體成像等影像學技術(shù)被廣泛應用于致瘤、轉(zhuǎn)移、耐藥等方面。IVIS Spectrum、Perkinelmer 等小動物活體成像系統(tǒng)既可實現(xiàn)對熒光、生物發(fā)光和切倫科夫輻射等多種發(fā)光信號的成像檢測，實時觀察基因表達水平、細胞動態(tài)變化、腫瘤增殖轉(zhuǎn)移等生物學過程；又可通過模擬算法對成像結(jié)果進行三維重建，進行無創(chuàng)性活體動物體內(nèi)光學信號精確定量和定位；并融合3D 成像技術(shù)與不同模式的三維影像系統(tǒng)，實現(xiàn)功能性成像與結(jié)構(gòu)性成像的有機結(jié)合，進而對腫瘤在體內(nèi)的發(fā)生發(fā)展過程進行實時、動態(tài)、精確的可視化監(jiān)測和分析。

通過VR 技術(shù)在醫(yī)學機能學實驗中的應用，有利于高效和標準化的培養(yǎng)研究生行為學、藥理學和腫瘤學等體內(nèi)實驗操作技能，減少實驗過程中人為因素導致的偏差，提高研究結(jié)果的可信度和精確性；有利于改善傳統(tǒng)實驗教學過程中，由于研究生操作手法不標準、試驗流程不熟悉導致的動物意外死亡風險，并降低被動物抓傷、咬傷等生物安全風險；有利于在虛擬環(huán)境下分析和判斷實驗結(jié)果的過程中，激發(fā)研究生的科研興趣，鍛煉其科研思維，為后期實際操作打下堅實的基礎(chǔ)?？傊?，將VR 技術(shù)應用到醫(yī)學機能學實驗教學中，可以更高效地訓練研究生實驗技能和科研思維等綜合能力。

三、結(jié)束語

利用VR 等信息技術(shù)輔助教學是我國面向21 世紀高等教育改革的一項重要策略，對推動和培養(yǎng)具有獨立思維和創(chuàng)新精神的高素質(zhì)人才具有重要作用。VR 技術(shù)應用實驗教學能生動形象地表現(xiàn)復雜的實驗內(nèi)容，能全面營造逼真的實驗操作環(huán)境，能有效提高研究生探查科研問題的效率，進而幫助教學者更清晰、更明了地表述實驗原理和研究目的，幫助學習者更直觀、更充分地理解研究指標與研究目標之間的關(guān)系。因此，在本科生教育和研究生培養(yǎng)過程中都值得廣泛應用。

然而，VR 技術(shù)在教學實踐的應用與探索過程中也存在一些問題。（1）VR 技術(shù)對軟硬件的要求較高。需要對應的平臺和系統(tǒng)的支撐，要達到理想的教學效果需要建立多套差異化的計算系統(tǒng)。（2）缺乏全面、細致的醫(yī)學實驗虛擬教學研討平臺。生物醫(yī)學實驗種類繁多，且隨著醫(yī)學技術(shù)的發(fā)展還在不斷推陳出新，建立一個中國特色的虛擬實驗教學與研討體系是一項龐大而影響深遠的系統(tǒng)工程。（3）醫(yī)學生學習目的偏離。與傳統(tǒng)實驗教學相比，VR 技術(shù)使得醫(yī)學生學習的自主性和靈活性大幅提升，但對于深度學習能力不足的學生，無制約的自主學習會迷失方向，導致知識體系碎片化。如果缺乏專業(yè)老師的引導和管理，無法達到理論和實踐相結(jié)合的教學目的。

綜上所述，在生物醫(yī)學實驗技術(shù)教學實踐中，亟需構(gòu)建基于VR 技術(shù)與實體教學實驗有機結(jié)合的教學模式，實現(xiàn)VR 技術(shù)與醫(yī)學教育內(nèi)容融會貫通的深化和改進，摸索培養(yǎng)醫(yī)學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。盡管在前期教學實踐中取得了一些成效，但如何進一步系統(tǒng)發(fā)揮VR 技術(shù)的綜合優(yōu)勢，持續(xù)提高VR 技術(shù)在教學應用中的疊加效果，促進醫(yī)學人才培養(yǎng)質(zhì)量的提升，是我們一直努力的目標。