虛擬現實技術在醫學教育中的應用

鄧曉軍，秦向陽，高 鵬，何 煒

(第四軍醫大學藥學院化學教研室，西安 )

虛擬現實技術在醫學教育中的應用

鄧曉軍，秦向陽，高 鵬，何 煒△

(第四軍醫大學藥學院化學教研室，西安 )

虛擬現實(virtual reality，VR)技術，是利用計算機創建一個虛擬的三維情景，為用戶提供視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓用戶如同身歷其境一般，可以實時、無限制地觀察虛擬空間內的事物，并通過人機交互設備對虛擬環境內物體進行實時操控和設計改造[1]。目前該技術已經在娛樂、機械制造、航空航天等領域取得廣泛應用。然而受醫學領域專業性強、知識更新快、進入門檻高等原因，VR技術在醫學領域的應用還處于起步階段。與傳統醫學教育培訓方法相比，VR技術有巨大的優勢。利用VR開發系統對醫學對象進行三維設計，構建虛擬學習情境，再輔助以文字、圖片等補充信息，可高精細度呈現系統預設的學習內容，結合人機交互設備，學生可以漫游在系統構建的虛擬場景中，甚至對場景中的虛擬信息進行操作和設計，從而達到全方位展示學習內容的目標。早在20世紀80-90年代，歐美醫學研究工作者就開始了對人體虛擬圖像的研究，德國漢堡大學醫學技術研究所率先創建了3D虛擬人體圖譜并用于醫學生可視化教學，但仿真程度有限[2]。進入21世紀以來，計算機技術、多媒體技術、仿真技術的迅速發展和相互融合為構建VR系統提供了強大的技術支持，VR技術用于醫學教育已經變得觸手可及。

1 VR教學的優勢和特點

面對醫療技術突飛猛進的發展和人們對醫護水平的更高要求，醫療崗位對醫學生的理論知識水平和臨床實踐能力提出了更高標準。通過老師書本授課、模具操作和現場觀摩等方式開展醫學教學的傳統教學方法，不可避免地存在理論知識抽象難懂、實踐與臨床脫節等問題。

應用VR技術進行醫學教學，能夠彌補傳統醫學教學的不足。VR技術可以打造出一個隨時可用的實驗室和近在眼前的觀摩臺，這種逼真的親身經歷和感受是傳統教學方法不能比擬的。用VR技術開發的虛擬教學平臺可將各種醫學影像和數據信息創建成一個沉浸式的虛擬培訓環境，學生通過3D人體模型，從視覺、聽覺、觸覺多感官直接觀察人體細節，并借助多傳感器、頭戴式顯示器(HMD)、體感外設備等工具與虛擬環境中實物進行互動。這種集視覺、聽覺、操作為一體的虛擬學習系統，可使學生完全沉浸于自主學習的三維虛擬環境中，通過自身與環境的交互全方位獲取知識和技能。例如，用VR外科手術系統模擬外科手術。系統可以實現多人同時介入，以協作方式共同完成一項手術或者以共享模式觀摩一場作業。在操作時，計算機AI可對學生進行視覺、聽覺、動作的綜合指導，老師或專家也可直接介入進行實時指導[3]。這種教學方式將有助于學生理解醫學基礎理論，掌握基本臨床技能，對提高分析問題和解決問題的能力起到巨大的促進作用。此外，投資昂貴的實驗對象(尸體、假人、模具等)和器材是醫學科研機構巨大的負擔，VR技術具有不受標本、場地、時間等等諸多因素的制約，可以使教學培訓活動根據需要隨時隨地進行，在減少教學費用投入的同時獲得良好教學效果。不僅能大幅降低醫學科研機構的經濟負擔，而且能有效縮短科研人員的培訓練時間。

2 VR技術在醫療教學領域的應用

2.1 模擬教學以強化教學效果 醫學要求學生記憶的知識點多，學生要想記住書上的知識點很大程度上依靠背誦和老師講解，這種方式需要學生付出很大的努力。利用VR教學系統，老師可為學生選擇一個針對特定知識點的模擬教學情境，學生就可以通過3D視屏動態演示,人機互動界面操作，對設定的知識點進行學習[4]。例如，學習人體骨骼結構，學生利用虛擬系統的人機交互界面，配合系統機器人的指導和講解，學生可以直接對3D數字人體進行解剖，身臨其境的觀察特定部位骨骼的結構，這種親身經歷般的感覺可讓學生對所見所聞的知識難以忘懷，有利于提高學習效果。

2.2 自主學習以提高創新能力 通過虛擬場景設置智能化虛擬教學，使學生學習由被動接受轉化為主動求知。在虛擬環境中學生可以自己動手設計學習情境，制訂實驗方案，例如，學生可以通過人機交互系統觀察不同參數條件下的人體結構模型，單體器官模型，或進行內部“漫游”、局部解剖等探索[5]，這種學習方式可以極大的擴展教學空間和教學內容，激發學生學習興趣和提高創新能力，使學生真正的從“要我學”轉變為“我要學”，由被動灌輸轉變為主動學習。

2.3 模擬實訓以客觀評價學習效果 傳統醫學教育對學生學習情況的考察主要通過理論考試，但簡單地通過考試分數不能全面考察學生的知識掌握程度和實踐能力。通過VR技術，老師提前錄入數字人體基本信息、診療參數及藥物影響等數據，再讓學生自主在虛擬人體模型上進行病情分析，并實施診斷和治療。系統自動收集學生實時操作數據，并對其做出診療評價，從而實現教學全程可視化管理，實時評估學生掌握知識的情況，這將有利于老師更好地處理教學過程中存在的知識盲點和薄弱環節，增強教學效果。

2.4 醫學模擬診斷以提高實踐能力 將傳統的實習觀摩方法與虛擬診斷項結合，將有利于學生實習時獲取更多的實踐經驗，掌握基礎臨床技能。對于高年級學生和規范化培訓醫生，現場觀摩是臨床實踐的主要培訓方式。受醫學院校培訓資源有限的限制，加之醫生工作任務繁重，觀摩實習難達預期教學效果。VR模擬診斷可以彌補這些不足。醫學培訓生利用VR系統,可在虛擬人體上進行大膽的診療試驗，測試不同治療方案在人體上的反應，從而獲取大量虛擬診療數據，將這些數據與患者實際身體指標進行對比，分析理論與實際的差距，將有助于學生獲得臨床經驗，加深對基礎理論知識的理解[6]。在臨床上，虛擬診療數據還可作為各種復雜病癥的輔助判斷指標。

2.5 虛擬分子設計以促進醫藥研發 分子生物學、藥學等基礎學科在醫學發展中扮演著不可替代的角色，但這些學科的研究對象大多處于分子級別，肉眼看不見、摸不著，研究起來很抽象，常常給人一種說不清也道不明的感覺。VR技術可把各種分子微觀結構進行宏觀化展示，使藥物研究人員逼真而清楚地看到各種分子結構3D模型。通過人機交互設備可以對分子模型進行改造和設計，這將為藥物研究帶來許多便利。宏觀化展示化合物微觀結構，可加深研究人員對化合物結構的理解，有助于找到最佳合成路徑；模擬各種生物大分子與藥物小分子的結合，找出藥物分子與生物大分子最佳結合位點，有利于探索藥理特性；觀察特定條件下活性分子間發生化學反應的全過程，有利于探索活性分子生物特性[7]。這些便利將有助于藥物研發人員更加有針對性的取去設計和合成藥物，縮短藥物研發周期，降低研發成本。

3 VR醫學教育系統的建設

VR醫學實驗室是VR醫學教育系統必不可少的載體，與一般VR實驗室一樣，主要由開發渲染平臺、三維沉浸顯示系統，三維交互系統和中央控制系統四大部分統組成[8]。信息技術的快速發展已為VR技術醫學應用打下了堅實的“硬件”基礎，實現VR技術醫學應用的關鍵還在于能否開發出高度逼真的教學情景、科學的教學模型和恰當的人機交互系統等“軟件”系統[9]。醫學知識專業性強，要建成可用于醫學培訓的VR醫學實驗室離不開醫學專家和信息技術開發人員的通力合作。先由醫學教學工作者設計科學的醫學教育方案和內容，提出人機互動方案，VR系統開發人員根據提供的信息進行醫學教育系統開發，醫學教育工作者對模型設計進行全程跟進，不斷修正仿真內容，提高模擬的逼真程度，這樣才能做出符合實際應用需要的VR醫學培訓系統。

4 VR技術在醫學教育領域的應用

目前，全世界許多團體都在致力于VR技術研究和開發，該技術在娛樂、機械制造、航空航天等領域的應用可謂是日新月異，越來越多的VR產品已經走入人們的生活。醫學關系人們的身體健康，一直是人們關注的重點攻關領域。雖然VR技術的醫學應用還處于初級階段，但應看到其巨大的應用前景。VR技術在醫學教育上應用所帶來的教學方式改變已逐漸被醫學專家認同，相信在不久的將來，VR技術終將會在教學領域取得廣泛應用。

[1]Bloodgood RA.Active learning:a small group histology laboratory exercise in a whole class setting utilizing virtual slides and peer education[J].Anat Sci Educ,2012,5(6):367-373.

[2]馮逸飛,劉輝,徐錚.關才虛擬現實技術在醫學教育中應用的思考[J].課程教育研究,2015(26):11-12.

[3]石巧，侯建霞.虛擬現實技術在口腔診療操作培訓中的應用[J].國際口腔醫學雜志，2015,42(1):69-74.

[4]肖揚，馮煊.虛擬現實醫學多媒體課件制作技術[J].醫學信息學雜志，2015，36(1)：89-93.

[5]Reznek M,Harter P，Krummel T.Virtual reality and simulation:training the future emergency physician[J].Acad Emerg Med,2002.9(1):78-87.

[6]Hoffman H,Vu D.Virtual reality:teaching tool of the twenty-first century?[J].Acad Medi,1997,72(12):1076-1081.

[7]Nelson D,Ziv A,Bandali KS.Republished:going glass to digital:virtual microscopy as a simulation-based revolution in pathology and laboratory science[J].Postgrad Med J,2012,65(10):877-881.

[8]張海榮，陳云虹.基于虛擬現實技術的醫學教學系統設計[J].西安郵電大學學報，2015,20(3):120-124.

[9]劉尚輝，婁巖，劉佳，等．基于醫學教學的虛擬實驗室建設與應用[J]．中國醫學教育技術，2015，29(6)：639-641．

鄧曉軍(1986-)，助教，碩士研究生，主要從事天然產物全合成及不對稱方法學研究?！?/p>

，E-mail:1054871032@qq.com。

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