淺談虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在模擬醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用

熊 冉 黃華興 曹月洲

1.南京醫(yī)科大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院 江蘇南京 211166;2.南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院介入放射科 江蘇南京 211166

近幾年來,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VR)被廣泛運(yùn)用于娛樂、教育、軍工、醫(yī)療和服務(wù)等行業(yè)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種以沉浸感、交互性和構(gòu)想性為特征的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)[1],能讓用戶置身于視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等多種感覺一體化的虛擬場景。同時(shí),用戶也可以與構(gòu)建的虛擬場景和虛擬對象自由互動(dòng),宛如身臨其境[2],進(jìn)而獲取信息,培養(yǎng)技能,激發(fā)思維。

醫(yī)學(xué)的特殊性決定了醫(yī)學(xué)教育較其他類型教育有以下關(guān)鍵特點(diǎn):(1)醫(yī)學(xué)教育成本高;(2)醫(yī)學(xué)教育關(guān)乎生命,導(dǎo)致難以在真實(shí)人體上實(shí)驗(yàn);(3)學(xué)習(xí)者難以理解一些微觀教育內(nèi)容[3];(4)醫(yī)學(xué)教育中實(shí)踐操作很重要。而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以提供一個(gè)醫(yī)學(xué)仿真虛擬模型,讓學(xué)生不用擔(dān)心犯錯(cuò),可以自由體驗(yàn)、探索、感受和理解。21世紀(jì)是互聯(lián)網(wǎng)、仿真技術(shù)和人工智能等高新技術(shù)蓬勃發(fā)展的時(shí)代。在新的時(shí)代里,醫(yī)學(xué)教育也要積極引入前沿高新技術(shù),創(chuàng)新教學(xué)模式?；谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)的模擬醫(yī)學(xué)教育發(fā)展前景勢不可擋,必然成為高校醫(yī)學(xué)教育改革的拐點(diǎn)[4]。本文論述了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在模擬醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用效果與面臨的挑戰(zhàn)。

1 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的模擬醫(yī)學(xué)教育的發(fā)展與現(xiàn)狀

1.1 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的模擬醫(yī)學(xué)教育在國外的發(fā)展與現(xiàn)狀

美國是VR技術(shù)的起源地,也是該技術(shù)最具權(quán)威性的國家。1935年,在小說《皮格馬利翁的眼鏡》中,美國科幻作家Stanley G.Weinbaum構(gòu)想了一種神奇的眼鏡:眼鏡佩戴者可以全方位體驗(yàn)眼鏡中的虛擬世界,甚至與虛擬世界中的人物交流。他也被公認(rèn)為最早描寫虛擬現(xiàn)實(shí)的科幻作家。1968年,世界上第一個(gè)頭盔顯示器HMD在美國虛擬現(xiàn)實(shí)之父Ivan Sutherlan手中問世,該裝置可以讓佩戴者直接融入生成的虛擬世界,是VR發(fā)展史上的一大里程碑。

而在20世紀(jì),VR技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域。1985年,美國國立醫(yī)學(xué)圖書館開始探索人體解剖圖像數(shù)字化并成功建立了“可視人”模型。學(xué)生可在電腦上任意解剖“可視人”和縮放局部圖像以觀察細(xì)節(jié)。1994年,位于加利福尼亞大學(xué)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出了一套“虛擬青蛙解剖”軟件。該軟件可以讓學(xué)生在家就可以用虛擬手術(shù)刀解剖青蛙,觀察其骨骼、肌肉與內(nèi)臟器官,如同在現(xiàn)實(shí)中的教室。在其他國家的醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域,VR技術(shù)也得到了廣泛應(yīng)用。如誕生于澳大利亞大學(xué)的虛擬肝腎實(shí)驗(yàn)室、由德國漢堡大學(xué)創(chuàng)建的Voxel Man系統(tǒng)等,這些虛擬系統(tǒng)可以幫助學(xué)生學(xué)習(xí)解剖和臨床課程。

1.2 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的模擬醫(yī)學(xué)教育在國內(nèi)的發(fā)展與現(xiàn)狀

與美國等發(fā)達(dá)國家相比,我國的VR技術(shù)起步較晚,但發(fā)展較快。我國對VR技術(shù)的研究起步大概在90年代初,北京航空航天大學(xué)、北京大學(xué)、清華大學(xué)等高校在此領(lǐng)域進(jìn)行了深入研究并取得了一些成果[5]。

2003年,隨著我國首套數(shù)字化可視人體數(shù)據(jù)的交互式三維系統(tǒng)在第三軍醫(yī)大學(xué)問世,數(shù)字人體解剖學(xué)和虛擬外科手術(shù)初具雛形[6],這是我國VR技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域的一大突破。目前在全國范圍內(nèi),眾多醫(yī)學(xué)院校開始借助VR技術(shù),積極建設(shè)醫(yī)學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室。基于VR技術(shù)的醫(yī)學(xué)模擬教育涵蓋的課程也在增多,從解剖學(xué)和外科學(xué)到診斷學(xué)和影像學(xué),甚至擴(kuò)展到醫(yī)學(xué)人文學(xué)科,如醫(yī)學(xué)心理學(xué)和醫(yī)患溝通。其受眾人群也在擴(kuò)大,不僅用于醫(yī)學(xué)生和醫(yī)生的教育培訓(xùn),也可用于病人及其家屬的科普和術(shù)前教育等。

2 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的模擬醫(yī)學(xué)教育應(yīng)用效果

2.1 在外科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用效果

2.1.1 在外科學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)中的應(yīng)用效果

外科學(xué)基礎(chǔ)包括無菌術(shù)、麻醉和重癥監(jiān)測復(fù)蘇等。Eichel等[7]曾對81位醫(yī)務(wù)工作者進(jìn)行洗手清潔訓(xùn)練,其中43位參與者接受VR訓(xùn)練,另外38位參與者以講座形式接受培訓(xùn)。結(jié)果表明,無論是參與者的接受程度還是手部清潔標(biāo)準(zhǔn),前者都優(yōu)于后者。南京醫(yī)科大學(xué)外科學(xué)總論教研室[8]的研究也揭示了基于VR技術(shù)的模擬醫(yī)學(xué)課程,不僅提高了學(xué)生的專業(yè)技能水平,而且培養(yǎng)了人文關(guān)懷意識,增強(qiáng)了溝通與協(xié)作能力。

2.1.2 在外科學(xué)?？平虒W(xué)中的應(yīng)用效果

在神經(jīng)外科領(lǐng)域,NeuroTouch手術(shù)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)可以通過增加神經(jīng)外科醫(yī)生的自信心和避免手術(shù)時(shí)多余動(dòng)作來減少手術(shù)所需時(shí)間和手術(shù)時(shí)可能犯的錯(cuò)誤。在頜面外科領(lǐng)域,Voxel Man Simulator具有力度逼真、3D視角和圖像分辨率高三大特點(diǎn),被用于根尖拔除術(shù)的模擬練習(xí)。該系統(tǒng)不僅有助于培養(yǎng)訓(xùn)練者自我評價(jià)手術(shù)中表現(xiàn)的能力,也可以通過3D解剖結(jié)構(gòu)重建,幫助他們規(guī)劃手術(shù)中復(fù)雜的步驟。在關(guān)節(jié)外科領(lǐng)域,接受Osso VR系統(tǒng)培訓(xùn)的人員無論是手術(shù)步驟的正確度還是完成的速度都要優(yōu)于傳統(tǒng)方法訓(xùn)練者。基于VR技術(shù)的醫(yī)學(xué)模擬教育課程可以為用戶提供身臨其境的體驗(yàn),讓外科醫(yī)師可以直接參與動(dòng)手,模擬現(xiàn)實(shí)世界的操作環(huán)境。

2.2 在人體解剖學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用效果

人體解剖學(xué)是研究正常人體結(jié)構(gòu)的形態(tài)學(xué)學(xué)科,也是后續(xù)的基礎(chǔ)課程和臨床課程的基礎(chǔ),其對于每位醫(yī)學(xué)生的重要性不言而喻。人體解剖學(xué)的經(jīng)典教學(xué)方法有尸體解剖、2D圖片展示、教師直接講解課本等。這些方法都有不可忽視的弊端,例如,尸體解剖需要裝修昂貴的解剖室,解剖過程中會(huì)有難聞的氣味,尸體的一些器官結(jié)構(gòu)可能發(fā)生變化;2D圖片展示和教師授課會(huì)讓學(xué)生沒有動(dòng)手操作的機(jī)會(huì),有可能會(huì)失去學(xué)習(xí)興趣。

雖然VR設(shè)備會(huì)帶來技術(shù)支持和人員培訓(xùn)兩方面的開銷,但從長遠(yuǎn)來看,這少于尸體獲取和保存、解剖室裝修所需的花費(fèi)。比起書本授課,VR技術(shù)可以通過三維動(dòng)態(tài)圖畫立體化展示解剖結(jié)構(gòu),讓抽象的知識具體化。在視覺和聽覺的雙重刺激下,學(xué)生可以更加積極主動(dòng)地參與學(xué)習(xí)[9]。國內(nèi)有研究表明[10],在提高學(xué)習(xí)的興趣和主動(dòng)性、增強(qiáng)自學(xué)能力、培養(yǎng)臨床思維能力和達(dá)到預(yù)期教學(xué)效果等多個(gè)方面,有VR技術(shù)參與的教學(xué)方法都優(yōu)于傳統(tǒng)的教學(xué)方法。

2.3 在機(jī)能實(shí)驗(yàn)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用效果

機(jī)能實(shí)驗(yàn)學(xué)是一門研究功能代謝變化、注重學(xué)生動(dòng)手操作的實(shí)驗(yàn)學(xué)課程。常規(guī)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式一般分為“教師講解—分小組實(shí)驗(yàn)—教師指導(dǎo)—課后完成并提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告”四步。由于機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)具有操作步驟和實(shí)驗(yàn)器械多、實(shí)驗(yàn)動(dòng)物健康狀況差別、小組合作量大、教學(xué)信息量多等會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)可控性低的特點(diǎn),學(xué)生實(shí)驗(yàn)的成功率較低,難以達(dá)到預(yù)期教學(xué)效果。

而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以模擬出預(yù)期的實(shí)驗(yàn)場景,讓學(xué)生可以無限次練習(xí)實(shí)踐,不用擔(dān)心操作失誤帶來的后果。蔣淑君等人[11]的研究表明,與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法相比,基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的模式在激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、提高自主學(xué)習(xí)能力和實(shí)驗(yàn)成功率都有較好的效果。未來虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)會(huì)不斷降低對場景化和儀器化模式的要求[12],模擬實(shí)驗(yàn)室中的實(shí)際操作工作將能應(yīng)用于實(shí)際工作中。

3 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的模擬醫(yī)學(xué)教育面臨的挑戰(zhàn)和解決設(shè)想

在我國的醫(yī)學(xué)教育中,基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的醫(yī)學(xué)模擬教育已經(jīng)取得了一定的成果,但目前仍然面臨著許多挑戰(zhàn),亟待繼續(xù)發(fā)展完善。

3.1 VR真實(shí)性與互動(dòng)性的權(quán)衡

VR需要盡可能地渲染真實(shí)的場景,讓使用者身臨其境,同時(shí)也要保證虛擬現(xiàn)實(shí)中對象的可操作程度。VR依靠圖形API來創(chuàng)建虛擬場景。而圖形API以三角形集合的形式呈現(xiàn)虛擬場景中的每個(gè)對象。隨著三角形數(shù)量的增加,虛擬場景和虛擬對象的細(xì)節(jié)將得到豐富,真實(shí)性增加。然而,這是以犧牲互動(dòng)性為代價(jià)的——豐富的細(xì)節(jié)會(huì)導(dǎo)致渲染場景時(shí)的計(jì)算成本更高,增加計(jì)算負(fù)擔(dān),降低互動(dòng)性。

因而,在將VR應(yīng)用于醫(yī)學(xué)虛擬場景時(shí),應(yīng)當(dāng)在真實(shí)性與互動(dòng)性之間做好權(quán)衡。在實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)視具體情況而定。例如,在構(gòu)建以科普教育為主要目標(biāo)的解剖標(biāo)本館時(shí),我們可以偏向于真實(shí)性,以更全面、更細(xì)致地呈現(xiàn)解剖結(jié)構(gòu)。相反,機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)室則不用過多強(qiáng)調(diào)解剖學(xué)上的細(xì)節(jié),良好的可操作性才是重要的。

3.2 VR真實(shí)性尚存不足

為了讓VR使用者身臨其境,除了逼真的視覺效果,良好的觸覺反饋也是十分重要的。人體既有骨骼、牙齒等硬組織,也有皮膚、肌肉、韌帶、肌腱等軟組織。因此,VR手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)需要模擬堅(jiān)硬物體和柔軟物體的交互作用,這包括了硬—硬交互和硬—軟交互,并在短時(shí)間內(nèi)完成兩種交互的連續(xù)切換[13]。此外,人體還有血液、腦脊液、空氣等流體需要模擬。

傳統(tǒng)的CPU處理器已經(jīng)很難滿足這一需求。國外有團(tuán)隊(duì)開發(fā)利用計(jì)算機(jī)GPU,同時(shí)尋求改進(jìn)圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化的方式。經(jīng)過測試,新的GPU搭配新的結(jié)構(gòu)化方式極大地縮短了模擬時(shí)間,允許使用者去模擬更加復(fù)雜的模型。

3.3 VR其他的問題

有研究表明,VR設(shè)備會(huì)導(dǎo)致一系列精神神經(jīng)癥狀如惡心、眩暈、幻視。再如VR模擬醫(yī)學(xué)教育在師資方面也存在著諸如師資匱乏,課程不足等問題[14]。在VR模擬醫(yī)學(xué)教育課程中,教師與學(xué)生間也缺乏實(shí)時(shí)的互動(dòng)。最后,VR設(shè)備價(jià)格較高,部分學(xué)?？赡軙?huì)受制于場地與經(jīng)費(fèi)的缺乏[15]。

為避免出現(xiàn)安全問題,在使用前應(yīng)充分了解評估使用者的身體狀況,使用中若出現(xiàn)不適感應(yīng)立即終止。在引進(jìn)使用VR設(shè)備這一問題上,各醫(yī)學(xué)院校應(yīng)全面考慮場地、經(jīng)費(fèi)和實(shí)際需求等以做出決策。引進(jìn)設(shè)備的同時(shí),學(xué)校也要加強(qiáng)師資培訓(xùn),開設(shè)相關(guān)課程,積極探索新的教學(xué)模式。

綜上所述,醫(yī)學(xué)教育是VR技術(shù)的一大熱門應(yīng)用領(lǐng)域。無論在國外還是國內(nèi),基于VR技術(shù)的虛擬醫(yī)學(xué)課程都在不斷發(fā)展完善。VR模擬醫(yī)學(xué)教育在外科學(xué)、解剖學(xué)和實(shí)驗(yàn)學(xué)等多門學(xué)科中取得了令人滿意的教學(xué)效果。然而,目前無論是VR技術(shù)本身還是應(yīng)用,都面臨著一些亟須處理的挑戰(zhàn)。因此,未來我們應(yīng)加大這些方面的研究力度,以追求更全面、更深度地理解和應(yīng)用VR技術(shù),進(jìn)一步提高模擬醫(yī)學(xué)教育的質(zhì)量與水準(zhǔn),培養(yǎng)出更多的醫(yī)學(xué)人才。