虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用

高 蕓

（平?jīng)鲠t(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校，甘肅 平?jīng)?744000）

隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)”智能交互教學(xué)方式也隨之應(yīng)運(yùn)而生。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，簡(jiǎn)寫(xiě)為VR）是指通過(guò)多媒體技術(shù)與仿真技術(shù)的結(jié)合而生成逼真的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、觸覺(jué)和運(yùn)動(dòng)等一體化的虛擬環(huán)境，實(shí)現(xiàn)人機(jī)實(shí)時(shí)交互，身臨其境的感知和體驗(yàn)“現(xiàn)實(shí)世界”的一種技術(shù)［1，2］。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以將醫(yī)學(xué)教育中的文字、圖像、聲音、視頻和動(dòng)畫(huà)等信息匯集一體，真實(shí)或比較真實(shí)的模擬醫(yī)學(xué)世界中的景象，通過(guò)新穎的教學(xué)手段和活潑的表現(xiàn)形式，在醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域有著極其廣闊的應(yīng)用前景［3］。

一、醫(yī)學(xué)理論教學(xué)

傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)理論教學(xué)是通過(guò)老師講授、板書(shū)演示，再結(jié)合手勢(shì)、掛圖、模型、標(biāo)本或者人體等其他輔助教學(xué)工具進(jìn)行的教學(xué)。

醫(yī)學(xué)虛擬教學(xué)利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，虛擬三維人體、人體器官和虛擬醫(yī)療器械等模型，構(gòu)建醫(yī)生操作程序，將人體特征模型與各種操作過(guò)程有機(jī)的結(jié)合，并通過(guò)人與計(jì)算機(jī)人機(jī)實(shí)時(shí)交互，為學(xué)生學(xué)習(xí)提供豐富的資源和交互學(xué)習(xí)環(huán)境。美國(guó)國(guó)家圖書(shū)館創(chuàng)建的三維人體解剖圖譜可以讓學(xué)生在交互環(huán)境中自由地觀察、移動(dòng)和解剖任意選定的解剖結(jié)構(gòu)，逼真地重現(xiàn)人體解剖場(chǎng)面;應(yīng)用動(dòng)畫(huà)技術(shù)可在血管、氣管和心室內(nèi)漫游，而不用擔(dān)心醫(yī)學(xué)、經(jīng)濟(jì)和倫理學(xué)的問(wèn)題［4］。德國(guó)漢堡EPPENDORF大學(xué)醫(yī)用和數(shù)學(xué)研究所建立的VOXEL-MAN虛擬三維人體系統(tǒng)（包括肌肉、骨骼、血管和神經(jīng)等任意部分），學(xué)生可以通過(guò)頭盔顯示器模擬人體解剖過(guò)程，進(jìn)而獲取任意器官和組織名稱、類型和描述等解剖消息;以任意視覺(jué)立體觀察或內(nèi)窺鏡觀察;模擬解剖和手術(shù)等;模擬放射成像;測(cè)量任意器官或組織間的距離［5］。美國(guó)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室基于尸體數(shù)據(jù)庫(kù)創(chuàng)建并在線發(fā)布了“可視人體”，學(xué)生可以了解各個(gè)器官或系統(tǒng)正常狀態(tài)或病態(tài)時(shí)的運(yùn)動(dòng)行為，并體驗(yàn)幾個(gè)虛擬的基本解剖結(jié)構(gòu)［6］。2002年汕頭大學(xué)醫(yī)學(xué)院引進(jìn)挪威的SimMan數(shù)字化虛擬人，用于學(xué)生的臨床教學(xué)和考核［7］。2004年首都醫(yī)科大學(xué)引進(jìn)的美國(guó)HPS和智能型高級(jí)綜合數(shù)字虛擬人，率先在國(guó)內(nèi)開(kāi)展急診醫(yī)學(xué)高仿真模擬教學(xué)，學(xué)生通過(guò)仿真系統(tǒng)模擬診斷和診治不同的疾病和系統(tǒng)病狀，計(jì)算機(jī)模擬“病人”的病況并評(píng)判，提高了學(xué)生的臨床診斷和治療能力［8］。

二、虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)

傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)通過(guò)費(fèi)用較高的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和尸體解剖來(lái)完成的。在醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，往往因?yàn)閷?shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)動(dòng)物、解剖用尸體等原因，使得一些基本的教學(xué)實(shí)驗(yàn)無(wú)法開(kāi)展。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則既可以虛擬三維人體和器官，還可以模擬醫(yī)學(xué)儀器，為學(xué)生提供生動(dòng)、真實(shí)和安全的實(shí)驗(yàn)虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，突破實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。虛擬的數(shù)字化三維人體解剖圖譜，可以讓學(xué)生自由地觀察、移動(dòng)和生成人體器官和組織解剖結(jié)構(gòu);還可以通過(guò)人機(jī)交互操作，使學(xué)生以感受和體驗(yàn)觸覺(jué)反饋。可以彌補(bǔ)因缺乏經(jīng)費(fèi)、尸體來(lái)源或?qū)嶒?yàn)設(shè)備造成的學(xué)生動(dòng)手技能不足。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可以避免真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境對(duì)人體健康所帶來(lái)的各種危險(xiǎn)。通過(guò)模擬傳染性臨床癥狀，學(xué)生在虛擬教學(xué)環(huán)境中，可以免除被傳染的顧慮，放心地完成傳染病臨床診斷和治療過(guò)程。同樣，學(xué)生可以通過(guò)虛擬方法學(xué)習(xí)血型鑒定和數(shù)學(xué)，避免血源性疾病的傳播。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能突破醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)的時(shí)間約束，一些需要數(shù)月甚至數(shù)十年才能觀察的生物變化過(guò)程，在很短的時(shí)間內(nèi)就可以讓學(xué)生觀察到。譬如，生物遺傳學(xué)中的某些遺傳定律，用動(dòng)物實(shí)際做實(shí)驗(yàn)往往需要數(shù)月的時(shí)間，但是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則能在短短的一堂課內(nèi)就能完整地顯示整個(gè)過(guò)程。

三、虛擬手術(shù)教學(xué)

傳統(tǒng)手術(shù)教學(xué)是采用手術(shù)現(xiàn)場(chǎng)觀察和操作以及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)等方法進(jìn)行的，這些方法的缺點(diǎn)是很明顯的，如手術(shù)教學(xué)不能重復(fù)進(jìn)行，可能會(huì)給手術(shù)對(duì)象帶來(lái)一定程度的傷害等。虛擬手術(shù)教學(xué)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)訓(xùn)練中最重要的應(yīng)用。虛擬手術(shù)模擬器可以給學(xué)生提供一個(gè)多感知性、沉浸性、交互性和構(gòu)想性的手術(shù)虛擬訓(xùn)練環(huán)境，學(xué)生通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)感受人體多種器官和組織結(jié)構(gòu)，學(xué)習(xí)各種手術(shù)實(shí)際操作，體驗(yàn)如何應(yīng)付各種臨床手術(shù)的實(shí)際情況。虛擬環(huán)境還為操作者提供了方便的三維交互工具，可以模擬手術(shù)的定位與操作，在高性能的計(jì)算機(jī)環(huán)境下，還可以對(duì)手術(shù)者的操作給出實(shí)時(shí)的響應(yīng)，如在外力作用下的軟組織形變、撕裂、縫合等，使手術(shù)者操作的感覺(jué)就像在真實(shí)人體上的手術(shù)一樣，既不會(huì)對(duì)患者造成生命危險(xiǎn)，又可以重現(xiàn)高風(fēng)險(xiǎn)、低概率的手術(shù)病例［9］。

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)軟硬件的迅猛發(fā)展，國(guó)際上已出現(xiàn)了多種虛擬手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)。Choi和Han等開(kāi)發(fā)了食管鏡手術(shù)虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)，使學(xué)生能感受到與虛擬軟組織的接觸并顯示食管的變形和切割［10］。Ota和Loftin等研發(fā)的虛擬內(nèi)窺鏡手術(shù)模擬器既能訓(xùn)練學(xué)生手術(shù)技能，還可以基于完成手術(shù)的時(shí)間、血管切割長(zhǎng)度、打結(jié)位置、手術(shù)器械平均移動(dòng)行程和效率等因素評(píng)估學(xué)生的手術(shù)能力［11］。Wang和Beekers等研發(fā)了神經(jīng)外科手術(shù)虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)改變腦組織形變的三維立體顯示和雙手力反饋裝置仿真手術(shù)器械的穿刺、牽引與切割［12］。Sinclair和Peifer等開(kāi)發(fā)的眼科手術(shù)模擬器不僅能讓學(xué)生模擬眼科手術(shù)訓(xùn)練，而且也能幫助有經(jīng)驗(yàn)的眼科醫(yī)生在把新的手術(shù)技術(shù)應(yīng)用于臨床之前能反復(fù)地進(jìn)行模擬，以防止醫(yī)療差錯(cuò)的發(fā)生［13］。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)研究人員也研發(fā)了多種虛擬手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)，如譚珂等開(kāi)發(fā)的鼻內(nèi)窺鏡虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)［14］，熊岳山等研發(fā)的虛擬膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)仿真系統(tǒng)［15］。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)教育模式，提高了醫(yī)學(xué)院校學(xué)生臨床診斷和治療能力，越來(lái)越受到重視。但是也要認(rèn)識(shí)到虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育還處在發(fā)展階段，仍有很多問(wèn)題亟待解決。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，虛擬醫(yī)學(xué)教育一定會(huì)有著廣闊的前景。

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