VR技術(shù)在醫(yī)學(xué)影像專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用探索與思考

榮康 李祥林 殷志杰 王帥 劉泉源 王文

醫(yī)學(xué)影像被稱作現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的“火眼金睛”，在疾病診斷和治療過程中起著不可替代的作用。醫(yī)學(xué)成像技術(shù)和影像診斷水平的高質(zhì)量發(fā)展依賴于高素質(zhì)醫(yī)學(xué)影像人才，當(dāng)前醫(yī)學(xué)影像專業(yè)人才培養(yǎng)過程中，仍然存在著時間、空間和學(xué)習(xí)資源緊缺等多種困難[1]。虛擬現(xiàn)實（virtual reality，VR）技術(shù)是基于計算機(jī)、多媒體和通訊等科學(xué)技術(shù)而快速發(fā)展起來的新一代信息技術(shù)。通過VR 技術(shù)構(gòu)建“醫(yī)學(xué)影像中心”和“醫(yī)學(xué)影像設(shè)備”等虛擬仿真教學(xué)模型和場景，結(jié)合科學(xué)的教學(xué)流程及實驗設(shè)計，能夠解決醫(yī)學(xué)影像教學(xué)中場地受限、設(shè)備貴重、使用維護(hù)成本高、無法拆解演示等多種教學(xué)難題。VR 技術(shù)在醫(yī)學(xué)影像專業(yè)理論和實驗教學(xué)中的應(yīng)用，能夠豐富教學(xué)形式，提升學(xué)生學(xué)習(xí)成效，切實提高教育教學(xué)水平和人才培養(yǎng)質(zhì)量。

1 VR 技術(shù)在醫(yī)學(xué)影像教學(xué)中的優(yōu)勢

VR 是一種融合了多種信息技術(shù)的人機(jī)交互系統(tǒng)，它利用硬件設(shè)備收集使用者行為，通過計算機(jī)處理并生成數(shù)字化環(huán)境，將所生成圖像和反饋實時輸送至使用者的頭盔或眼鏡式顯示器中[2]。VR 技術(shù)的突出特征是具有沉浸性、交互性、多感知性和構(gòu)想性，使用者不僅能夠通過VR“身臨其境”地感受虛擬世界場景，還可以通過反饋設(shè)備與虛擬空間中的人和物進(jìn)行交互，獲得逼真的體驗和經(jīng)歷，展現(xiàn)出諸多優(yōu)勢[3]。

1.1 打破教學(xué)空間和時間限制

VR 具有沉浸性和構(gòu)想性，根據(jù)不同階段學(xué)習(xí)需求，VR 技術(shù)既能夠再現(xiàn)醫(yī)院實景，又可以創(chuàng)造特定的虛擬學(xué)習(xí)場景[4-5]。學(xué)習(xí)者不需踏入醫(yī)院，就可以通過VR設(shè)備“身處”醫(yī)院環(huán)境中，獲取“真實”的觀感和操作體驗，突破了時間和空間等客觀條件限制，拓寬學(xué)習(xí)和認(rèn)知界限[6]。

1.2 靈活多變的教學(xué)形式

VR 虛擬環(huán)境具有交互性和多感知性，學(xué)生和教師可以通過視覺、聽覺、觸覺等感知方式感受虛擬教學(xué)環(huán)境中的事物，近距離、多角度觀看三維演示，有類似實物的觀感和操作、實訓(xùn)體驗[7]。在VR 場景中加入指引、提示和測試環(huán)節(jié)，學(xué)習(xí)方式靈活多變，學(xué)生由知識被動灌輸轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃芋w驗和投入，更大程度激發(fā)學(xué)習(xí)的趣味性、積極性、主動性。

1.3 更直觀的學(xué)習(xí)過程

傳統(tǒng)影像教學(xué)過程中，由于場地和時間限制、輻射防護(hù)要求嚴(yán)格，學(xué)生到醫(yī)院現(xiàn)場體驗影像科醫(yī)生和技師的操作的機(jī)會非常少。然而唯有深入醫(yī)院和醫(yī)療一線，才能使學(xué)生高效獲取知識，快速提高醫(yī)療技能。利用新一代信息化教學(xué)手段，學(xué)生僅需穿戴VR 設(shè)備即可有置身醫(yī)院一般體驗，反復(fù)練習(xí)設(shè)備操作，練習(xí)醫(yī)患溝通技巧，高效獲取學(xué)習(xí)要點，培養(yǎng)職業(yè)素養(yǎng)能力。

2 VR 技術(shù)在教育教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

VR 技術(shù)在教育中的應(yīng)用，國外起步較早，發(fā)展相對成熟。如美國z Space 教育系統(tǒng)可使用觸控筆操作移動VR 顯示器上的3D 虛擬教學(xué)模型，并配合3D 眼睛觀看，觀感生動立體，已經(jīng)被廣泛運用在科技、工程、藝術(shù)等學(xué)科的課內(nèi)外教育中，并在世界范圍內(nèi)推廣。華盛頓大學(xué)數(shù)字解剖學(xué)家系統(tǒng)、德國VOXEL-MAN 虛擬人系統(tǒng)被多個國家運用在解剖教學(xué)中[8]。2018 年，強(qiáng)生醫(yī)療專業(yè)教育學(xué)院發(fā)布VR 骨外科培訓(xùn)項目，包含關(guān)節(jié)置換、骨折治療等多個實訓(xùn)模塊，在醫(yī)護(hù)人員技能培訓(xùn)中使用成效顯著。

近年來，我國高校不斷加快實驗教學(xué)信息化建設(shè)，虛擬仿真實驗室建設(shè)、虛擬教研室建設(shè)等被納入教育信息化國家戰(zhàn)略。隨著5G 網(wǎng)絡(luò)等“新基建”快速建設(shè)，VR 技術(shù)與云計算、人工智能等新技術(shù)共同推進(jìn)了教育教學(xué)改革，成為我國教學(xué)信息化革命的有力工具[9-12]。重慶醫(yī)科大學(xué)打造了VR 實驗室，能夠模擬多種實驗教學(xué)環(huán)境，結(jié)合有效的教學(xué)手段，改進(jìn)了教學(xué)過程，發(fā)揮學(xué)生的實踐能力[13]。聯(lián)想集團(tuán)、網(wǎng)龍華漁等公司聯(lián)合高校，開發(fā)了多款VR 教室產(chǎn)品[14]。王思瑤等[15]將VR 運用在醫(yī)學(xué)生心肺復(fù)蘇術(shù)（cardiopulmonary resuscitation，CPR）培訓(xùn)中，證明VR 技術(shù)能提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和主動性，提高學(xué)生的CPR 學(xué)習(xí)效果和操作水平。左俊等[16]將VR 技術(shù)應(yīng)用于骨折急救培訓(xùn)中，結(jié)果證明VR沉浸式教學(xué)在骨折急救培訓(xùn)中能充分調(diào)動學(xué)生積極性、顯著提升學(xué)生實踐能力和提高教學(xué)效果，具有良好的應(yīng)用前景。何威震等[17]運用3Ds Max 建模技術(shù)、Unity 3D 平臺與Vuforia AR 技術(shù)，設(shè)計包含設(shè)備拆裝、結(jié)構(gòu)原理與故障教學(xué)等多項功能的醫(yī)用直線加速器虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，并證實了其對于學(xué)習(xí)效果具有提升作用?？梢?，我國的VR 教學(xué)雖然處于發(fā)展初期，卻有百花齊放之勢。

3 醫(yī)學(xué)影像VR 教學(xué)探索

3.1 醫(yī)學(xué)影像專業(yè)教學(xué)困境

醫(yī)學(xué)影像專業(yè)教學(xué)實踐中，主要困難有以下幾點：（1）醫(yī)學(xué)影像理論知識涉及到數(shù)學(xué)、物理、機(jī)械、計算機(jī)等多學(xué)科交叉，成像原理知識復(fù)雜抽象，理解難度較大。（2）理論知識與臨床應(yīng)用的銜接不夠緊密，復(fù)雜理論往往難以得到具體演示。（3）人才培養(yǎng)過程中重視技能與實踐，學(xué)生需要鍛煉影像設(shè)備操作、解決臨床問題和醫(yī)患溝通等綜合職業(yè)能力。學(xué)校和教學(xué)醫(yī)院需要開展充足的實踐學(xué)習(xí)和技能訓(xùn)練，對教學(xué)條件、硬件和師資都提出了更高要求。（4）醫(yī)學(xué)影像設(shè)備多為大型精密設(shè)備、價格昂貴，在醫(yī)療中使用頻率高，由于時間、空間和放射類設(shè)備的防護(hù)要求限制，學(xué)生很少獲得操作設(shè)備的實訓(xùn)機(jī)會。（5）醫(yī)院中的設(shè)備和物資首先要保障醫(yī)療的需求，然后才能夠用于醫(yī)學(xué)教育，學(xué)生實習(xí)實訓(xùn)時會占用一定的醫(yī)療資源。

3.2 VR 技術(shù)在醫(yī)學(xué)影像專業(yè)教學(xué)中的實踐

通過深入醫(yī)院、影像設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)調(diào)研，將影像設(shè)備及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和臨床應(yīng)用場景數(shù)字化建模，研發(fā)出醫(yī)學(xué)影像中心VR 教學(xué)系統(tǒng)、醫(yī)學(xué)影像設(shè)備學(xué)、醫(yī)學(xué)影像成像理論教學(xué)系統(tǒng)等多種VR 教學(xué)軟件，應(yīng)用理論實驗一體化教學(xué)、混合式教學(xué)和學(xué)生自主學(xué)習(xí)相結(jié)合教學(xué)模式，能夠有效解決醫(yī)學(xué)影像專業(yè)教學(xué)中的難點。

“醫(yī)學(xué)影像中心VR 教學(xué)系統(tǒng)”綜合了多個三甲醫(yī)院影像科、超聲科、介入科、核醫(yī)學(xué)科和放療科的科室布局和設(shè)備結(jié)構(gòu)，融入醫(yī)學(xué)影像學(xué)設(shè)備學(xué)、醫(yī)學(xué)影像檢查技術(shù)和輻射防護(hù)知識點，包含數(shù)字化X 線攝影（digital radiography，DR）、計算機(jī)斷層掃描（computed tomography，CT）、磁共振（magnetic resonance，MR）、數(shù)字減影血管造影（digital subtraction angiography，DSA）、正電子發(fā)射計算機(jī)斷層顯像（positron emission tomography-computed tomography，PETCT）等多種常見醫(yī)學(xué)影像設(shè)備。學(xué)生可通過VR 頭盔進(jìn)入虛擬的醫(yī)學(xué)影像中心場景中，使用VR 手柄在虛擬場景中實現(xiàn)漫游、設(shè)備操作等人機(jī)交互動作。本教學(xué)系統(tǒng)可用于新生入學(xué)教育，增強(qiáng)職業(yè)認(rèn)同感；臨床技能培訓(xùn)、練習(xí)和操作，不占用醫(yī)療資源，不受時間限制；人文素養(yǎng)與思政教育，學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)影像歷史文化、醫(yī)患溝通技巧；拓展訓(xùn)練，事故模擬，加強(qiáng)醫(yī)療安全教育。

“醫(yī)學(xué)影像設(shè)備學(xué)VR 教學(xué)系統(tǒng)”通過VR 復(fù)現(xiàn)難以輕易拆解、體積龐大、結(jié)構(gòu)精密的醫(yī)學(xué)影像設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)，學(xué)生可使用VR 眼鏡近距離觀察CT、MRI、DR 等設(shè)備的3D 模型，使用VR 手柄實現(xiàn)虛擬設(shè)備拆解交互，虛擬設(shè)備結(jié)構(gòu)標(biāo)注有名稱和功能、參數(shù)講解。該系統(tǒng)既能幫助教師課堂演示，也可用于學(xué)生課后自主學(xué)習(xí)。

針對醫(yī)學(xué)影像技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)工程等專業(yè)的學(xué)習(xí)要求，設(shè)計醫(yī)學(xué)影像設(shè)備安裝與維修實驗?zāi)K，學(xué)生通過多人協(xié)同式VR 設(shè)備進(jìn)入虛擬空間中學(xué)習(xí)、體驗影像設(shè)備安裝和故障維修等操作，還可用于解決工程師培訓(xùn)、技能考核等需求。

4 VR 教學(xué)難點分析

4.1 缺乏真實感與實物感

筆者在VR 中感知到的環(huán)境都是計算機(jī)生成圖形數(shù)據(jù)，而非真實存在的物體。學(xué)生練習(xí)操作時只能看到設(shè)備的移動和變化，并不能真實觸摸到設(shè)備和器材。虛擬與現(xiàn)實之間的感官差距，容易導(dǎo)致學(xué)習(xí)者“出戲”，心里真實感不足[18]。

4.2 學(xué)習(xí)資源缺乏，學(xué)習(xí)與交互過程較為固定

由于VR 技術(shù)在教學(xué)中的普及程度不高，相關(guān)課程和教學(xué)內(nèi)容的數(shù)字資源仍不夠完善，已有課程分散、呈碎片化，沒有形成成熟的教學(xué)體系。VR 實驗步驟固定、靈活性差，無法完全模擬真實醫(yī)療環(huán)境中的多種未知狀況。

4.3 師生的間交流與互動過程受限

頭戴式VR 顯示器使人沉浸在計算機(jī)虛擬環(huán)境中，無法實時觀察現(xiàn)實環(huán)境，教師和學(xué)生之間缺乏表情、動作等交流方式，將導(dǎo)致教師與學(xué)生之間的交流和互動受到一定限制。

4.4 對教師教學(xué)技能要求較高

VR 教學(xué)過程中教師不僅要講解知識，還需要進(jìn)行操作演示和引導(dǎo)、故障排除等，更重要的是保障學(xué)生使用VR 時的安全。新的教學(xué)方式需要教師熟練掌握VR 的使用方法，快速更新教學(xué)理念，提高教學(xué)技能。

5 解決方式及對策

針對VR 教學(xué)系統(tǒng)當(dāng)前存在的問題，還需不斷嘗試和探索，通過多種技術(shù)手段統(tǒng)籌解決，以促進(jìn)其更好地發(fā)揮優(yōu)勢。

5.1 升級硬件，增加人機(jī)交互形式

通過反饋手柄和數(shù)據(jù)手套以及定制化的互動設(shè)備，加強(qiáng)虛擬環(huán)境中操作者與物體的交互觸感、豐富交互形式，以達(dá)到更大程度的仿真體驗。例如在握持虛擬物體時，反饋手套可給人手一個反作用力或振動，使操作者的手部具有握持感和觸碰感。

5.2 優(yōu)化軟件場景，豐富學(xué)習(xí)資源

不斷細(xì)化VR 虛擬場景中的細(xì)節(jié)，完善場景真實度，以建立完整的課程數(shù)字資源。加強(qiáng)教學(xué)系統(tǒng)中不同的實踐模塊之間的關(guān)聯(lián)，使其豐富的模塊之間緊密關(guān)聯(lián)、自然過渡，形成完善的課程體系。

5.3 打破固定操作步驟，增強(qiáng)學(xué)習(xí)過程隨機(jī)性

在VR 實訓(xùn)操作場景中設(shè)計可能出現(xiàn)的隨機(jī)事件，根據(jù)真實情況設(shè)定不同的觸發(fā)概率，使得每次學(xué)生進(jìn)入學(xué)習(xí)系統(tǒng)中時都能夠出現(xiàn)不同的操作模塊和參數(shù)，提高學(xué)習(xí)挑戰(zhàn)度。學(xué)習(xí)過程中設(shè)計突發(fā)情況及醫(yī)患溝通案例等，使學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)知識的同時能夠獲得思政教育、提高人文素養(yǎng)。

5.4 加強(qiáng)師資培訓(xùn)，更新信息化教學(xué)理念

加強(qiáng)VR 知識普及、教師教學(xué)技能培訓(xùn)，定期在校內(nèi)外面向各專業(yè)師生開展VR 影像中心體驗活動、VR 教學(xué)技術(shù)師資培訓(xùn)等，實現(xiàn)在加強(qiáng)專業(yè)知識科普和教育的同時，推進(jìn)VR 在教學(xué)中的應(yīng)用。

6 總結(jié)與展望

高等教育的快速發(fā)展離不開信息技術(shù)的推動，加速新一代信息技術(shù)、通信技術(shù)與教育的深度融合是促進(jìn)中國教育事業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇。VR 技術(shù)在我國尚處于起步階段，各行各業(yè)對其理解還未足夠深入，應(yīng)用還不夠廣泛。通過初步探索，證明了VR 技術(shù)在醫(yī)學(xué)影像專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用展現(xiàn)出很多優(yōu)勢，同時也存在許多難點有待進(jìn)一步突破。通過VR 技術(shù)在醫(yī)學(xué)影像專業(yè)中的研究與實踐，表明新一代信息技術(shù)應(yīng)用于教育教學(xué)中能切實提高教學(xué)質(zhì)量，是一種解決教學(xué)難點和痛點的新途徑，并可拓展和復(fù)制到多學(xué)科、專業(yè)教學(xué)中。未來，筆者還將繼續(xù)深化信息技術(shù)與教育教學(xué)的融合，不斷完善VR教學(xué)系統(tǒng)的同時大膽探索5G、大數(shù)據(jù)以及云計算等新技術(shù)與醫(yī)學(xué)影像專業(yè)教育的結(jié)合與應(yīng)用，培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型醫(yī)學(xué)影像人才。