虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用價值*

侯振江 王鳳玲 李紅巖

虛擬現(xiàn)實(virtual reality，VR)技術(shù)是利用計算機生成逼真的視、聽及觸覺一體化特定范圍的一種模擬環(huán)境，借助必要的設(shè)備，實現(xiàn)用戶與該環(huán)境直接進(jìn)行交互作用、相互影響，從而產(chǎn)生等同真實環(huán)境感受與體驗的自然交互技術(shù)，給人一種身臨其境的真實感覺。

隨著VR技術(shù)的不斷發(fā)展，構(gòu)建虛擬的實驗教學(xué)系統(tǒng)已成為可能，由于其能夠創(chuàng)建與現(xiàn)實社會類似的環(huán)境，從而解決學(xué)習(xí)媒體的情景化及自然交互性的要求，故在教育領(lǐng)域內(nèi)有著極其巨大的應(yīng)用前景[1]。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在國內(nèi)外的應(yīng)用

作為一門新興的學(xué)科，VR在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用備受矚目。早在1993年的統(tǒng)計結(jié)果顯示，世界市場上出現(xiàn)的805個VR應(yīng)用系統(tǒng)中就有49個應(yīng)用于醫(yī)學(xué)[2]。因此，VR技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用研究顯得尤為重要。

1.1 國外應(yīng)用

VR技術(shù)最早起源于美國，1966年麻省理工學(xué)院開始了頭盔顯示器的研制，拉開了虛擬實驗研究與應(yīng)用的序幕；1992年世界上第一個VR開發(fā)工具問世，同年北卡羅來納大學(xué)將超聲圖像與VR相結(jié)合，將實時的超聲掃描圖像經(jīng)信號變換輸送到醫(yī)生所戴頭盔的顯示器，醫(yī)生依賴于頭盔的“看穿”能力，可看到超聲圖像映迭到患者身體上[3]；1993年華盛頓大學(xué)技術(shù)中心的人機界面技術(shù)實驗室將VR技術(shù)研究引入到教育領(lǐng)域；德國漢堡大學(xué)K.Homhne教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組進(jìn)行了解剖三維可視化研究，用受試者的CT和MRI橫截面影像或組織學(xué)切片建立起空間模型，構(gòu)建三維可視化虛擬人體圖譜(VOXEL-MAN)，為學(xué)生自由地在三維人體空間進(jìn)行各種操作搭建了平臺；1985年美國國立醫(yī)學(xué)圖書館(NLM)開始了人體解剖圖像數(shù)字化的研究，并由科羅拉多州立大學(xué)醫(yī)學(xué)院將一具男尸和一具女尸進(jìn)行CT和MRI掃描，圖像數(shù)據(jù)處理后，建立了“可視人”，并于1995年出版發(fā)行了CD盤片，學(xué)生可以在計算機屏幕上對“可視人”進(jìn)行冠狀面和矢狀面的解剖，并將局部圖像進(jìn)行縮放，對解剖學(xué)教學(xué)發(fā)揮了重要作用；1995年在Internet上出現(xiàn)了“虛擬青蛙解剖”，“實驗者”可以在屏幕上親自動手進(jìn)行青蛙解剖，觀察其肌肉和骨骼組織。

20世紀(jì)90年代末期，開展了虛擬解剖學(xué)、虛擬放射學(xué)及虛擬內(nèi)窺鏡學(xué)等學(xué)科的計算機輔助教學(xué)。1989年美國提出了“可視人體計劃”，開始數(shù)字化虛擬人體的研究[4]；1991年進(jìn)行了人體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的采集和三維重構(gòu)，構(gòu)成存在于計算機中的解剖虛擬人；韓國、日本、德國和澳大利亞也相繼啟動了“可視人體計劃”，韓國實施了可視人體5年計劃，斯坦福大學(xué)等用VR技術(shù)成功建造了人體腿部模型，澳大利亞大學(xué)利用VR技術(shù)建造了虛擬肝腎模型，韓國漢城大學(xué)利用下肢三維虛擬模型進(jìn)行步態(tài)分析，2001年日本啟動了為期10年的人體測量國家數(shù)據(jù)庫建造計劃，完成7～90歲34 000人178個人體部位的測定，制定出日本人的人體標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，日本京華醫(yī)科大學(xué)利用CT和MRI影像技術(shù)建造了“日本可視人”。國外已經(jīng)開發(fā)出新的計算機人體解剖模擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)，建立了骨骼、肌肉和心臟等部分器官的三維模型，如華盛頓大學(xué)開發(fā)的數(shù)字解剖學(xué)家系統(tǒng)；漢堡大學(xué)開發(fā)的Voxel Man系統(tǒng)等；芝加哥大學(xué)建造了一套完整的人體虛擬解剖系統(tǒng)，學(xué)生利用虛擬的組織、器官間的模擬操作感受觸覺反饋，以便更快地掌握手術(shù)要領(lǐng)和技術(shù)。

1.2 國內(nèi)應(yīng)用

20世紀(jì)80年代末，國內(nèi)開始進(jìn)行VR技術(shù)的研究，并逐步投入到航天和軍事領(lǐng)域。2001年開始數(shù)字化可視人體研究，在虛擬幾何人階段中成功構(gòu)建了男女解剖虛擬人數(shù)據(jù)集，在物理虛擬人階段開發(fā)出人工關(guān)節(jié)、人工喉及人工心臟等實用軟件，在生理虛擬人階段實現(xiàn)局部器官的生理虛擬，如將心臟的生理功能信息附加在幾何和物理虛擬心臟上，既可模擬各種心臟手術(shù)，又可模擬各種藥物對心臟的作用，從中篩選最佳手術(shù)方式和最佳用藥劑量和給藥方式，進(jìn)行藥效對比等一系列試驗。1998年北京醫(yī)科大學(xué)用VR技術(shù)構(gòu)建了32顆人恒牙的三維模型；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，用于臨床技能教學(xué)和考核；2003年第一軍醫(yī)大學(xué)宣布完成國內(nèi)首例女性虛擬人的數(shù)據(jù)采集；同年上海中醫(yī)藥大學(xué)建立了基于VR的現(xiàn)代化模擬醫(yī)院，用于醫(yī)學(xué)生的臨床實習(xí)[5]；2004年首都醫(yī)科大學(xué)引進(jìn)美國的HPS和智能型高級綜合數(shù)字虛擬人，率先在國內(nèi)開展基于VR的急診醫(yī)學(xué)高仿真模擬教學(xué)[6]。學(xué)生的診治操作由計算機評判，“患者”狀況隨時改變，或好轉(zhuǎn)或惡化，學(xué)生可感受真實的臨床操作體驗。VR也可模擬不同的疾病和系統(tǒng)病狀，供醫(yī)學(xué)生學(xué)習(xí)，從而提高診療水平。浙江大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程研究所利用虛擬心臟進(jìn)行心電逆問題研究等，這些虛擬人、虛擬人體圖普及虛擬人體器官對臨床教學(xué)產(chǎn)生了重大的意義。許惠玉等[7]創(chuàng)建了臨床免疫學(xué)及檢驗虛擬實驗室，將實驗的全過程以虛擬實驗室的方式生動、形象的展示在學(xué)生面前，激起了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深了學(xué)生對實驗的了解。彭坤等[8]將自動生化分析儀學(xué)習(xí)平臺與虛擬半自動生化分析儀實訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)整合在一起，實現(xiàn)了理論學(xué)習(xí)與實踐能力培養(yǎng)相結(jié)合，對提高臨床醫(yī)學(xué)檢驗課程教學(xué)質(zhì)量和該專業(yè)學(xué)生的職業(yè)能力兩方面都有幫助。李淑慧等[9]構(gòu)建了“臨床生物化學(xué)檢驗”虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)，徹底打破了空間和時間限制，為學(xué)生提供獨立完成或協(xié)作完成實驗操作的生動、逼真的實驗學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生能夠自主開放地進(jìn)行綜合性和設(shè)計性實驗訓(xùn)練，極大地調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)學(xué)生解決問題和自主創(chuàng)新的能力，充分體現(xiàn)“以學(xué)生為主”的創(chuàng)新教學(xué)理念。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用價值

2.1 充實理論知識的學(xué)習(xí)

VR技術(shù)有助于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，拓寬學(xué)生的知識面，有效地充實理論知識學(xué)習(xí)。在虛擬實驗中學(xué)生把虛擬環(huán)境與真實相比較，在合作的基礎(chǔ)上進(jìn)行探究，發(fā)展醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的概念、解決問題的基本技能以及從虛擬真實情境遷移的能力，必將產(chǎn)生極大的教育價值。VR技術(shù)不僅是醫(yī)學(xué)生進(jìn)行臨床實習(xí)的必要手段，也是在職醫(yī)師、?？漆t(yī)師的臨床技能訓(xùn)練，尤其一些新技術(shù)(如腹腔鏡手術(shù)、介入性手術(shù)等)的臨床推廣。

2.2 彌補實驗教學(xué)資源的不足

在實驗教學(xué)中，由于實驗設(shè)備、場地及經(jīng)費等方面的因素，使一些應(yīng)該開設(shè)的實驗項目無法進(jìn)行，不能滿足實驗教學(xué)的需要。利用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，對元器件和設(shè)備庫進(jìn)行無限復(fù)制和組合，無人為損壞，使學(xué)生完成各種實驗，獲得與真實實驗一樣的體會，從而豐富感性認(rèn)識，加深對教學(xué)內(nèi)容的理解。在虛擬的教學(xué)環(huán)境中實驗設(shè)備可以重復(fù)使用，且不會有任何物理上的損耗，最大程度的節(jié)約了教育教學(xué)資源，彌補了傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)境的不足[10]。

2.3 優(yōu)化升級軟件節(jié)省教育資源

應(yīng)用VR技術(shù)，反復(fù)利用病例和場景，針對某一病理現(xiàn)象，可模擬出不同的病因，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。學(xué)生以低廉的成本進(jìn)行各項實踐技能訓(xùn)練，掌握操作要領(lǐng)，強化職業(yè)技能，提高熟練程度，特別對醫(yī)務(wù)人員操作技能要求較高的前沿領(lǐng)域必將有更廣泛的應(yīng)用，不僅節(jié)省資金，又可提高教學(xué)質(zhì)量[11]。一次性經(jīng)費投入，通過軟件系統(tǒng)的修改，不斷優(yōu)化升級資源內(nèi)容，進(jìn)行實驗內(nèi)容的變更，為學(xué)生探索式和交互式學(xué)習(xí)提供廣闊前景。

2.4 模擬真實情境避免各種危險

傳統(tǒng)的對于人體有危險或?qū)】涤形：Φ膶嶒灒嗖捎秒娨曚浵竦姆绞絹砣〈?，學(xué)生無法直接參與并完成實驗，不能獲得感性認(rèn)識。利用VR技術(shù)虛擬實驗環(huán)境和場景，學(xué)生可以放心做各種可能會發(fā)生危險或危害人體的實驗，如有毒的化學(xué)實驗、高壓強電的實驗以及傳染性強的艾滋病實驗，消除顧慮，避免諸多人身傷害風(fēng)險和危險的發(fā)生，降低操作失誤和訓(xùn)練風(fēng)險，增強受訓(xùn)者的心理承受能力，提高訓(xùn)練的質(zhì)效水平，同樣達(dá)到理想的教學(xué)效果[12-13]。

2.5 突破時間和空間的限制

利用VR技術(shù)可以徹底打破時間和空間的限制，在很短的時間內(nèi)呈現(xiàn)給學(xué)生需要很長時間才能觀察的某些變化過程[14]。如細(xì)菌、病毒培養(yǎng)過程，需要1周乃至數(shù)周的觀察，用動物做實驗往往需要數(shù)月的時間觀察生物遺傳的某些定律，而利用VR技術(shù)在一堂課內(nèi)就可以實現(xiàn)。尤其是對某些不常見、難以直接觀察的變化，可以全方位、多角度地再現(xiàn)出來，有利于學(xué)生拓展視界，學(xué)習(xí)向新的領(lǐng)域遷移，形成知識復(fù)合和交叉[15]。利用Web提供協(xié)同虛擬技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)平臺，還可以實現(xiàn)多人合作、遠(yuǎn)程實驗和協(xié)同操作，為學(xué)生提供自由的學(xué)習(xí)空間，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與熱情。

3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的展望

隨著VR技術(shù)的不斷發(fā)展完善，以及硬件設(shè)備性價比的不斷提高，虛擬技術(shù)必將日趨成熟，逐漸普及化、大眾化。在未來教育中，虛擬教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)將并駕齊驅(qū)得到有機融合，產(chǎn)生新的虛實結(jié)合的教育教學(xué)模式，以其強大的沉浸度、交互性及多感知的人性化特性，必將對以實踐為主要特怔的醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。而VR技術(shù)作為一個新型的教育教學(xué)媒體和手段，必將以其強大的優(yōu)勢和潛力，受到教育工作者的重視和青睞，并最終在教育領(lǐng)域應(yīng)用中發(fā)揮更加重要的作用，對高教事業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生積極而深遠(yuǎn)的影響[16]。

[1]王秀娟.基于校園網(wǎng)的醫(yī)學(xué)虛擬實驗室研究[J].中國科技信息,2009(21):98-99.

[2]王海舜,潘利慶.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用[J].計算機應(yīng)用,1998,18(6):41-42.

[3]施楚君.SimMan綜合模擬人在臨床技能教學(xué)中的應(yīng)用[J].西北醫(yī)學(xué)教育,2004,2(12):152-153.

[4]白桂有,楊博貴,張正治.數(shù)字化虛擬人體在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用進(jìn)展[J].中國臨床解剖學(xué)雜志,2006,24(6):705-706．

[5]焦安權(quán),鐘聲.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用研究[J].海南醫(yī)學(xué)院學(xué)報,2008,14(5):584-586.

[6]尹毅東.醫(yī)學(xué)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的運用[J].第四軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報,2007,23(1):88-89.

[7]許惠玉,孫風(fēng)永,曹元,等.臨床免疫學(xué)及檢驗虛擬實驗室的創(chuàng)建[J].齊齊哈爾醫(yī)學(xué)院學(xué)報,2009,30(18):2304-2305.

[8]彭坤,王易振,張靜文,等.虛擬半自動生化分析儀實訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)建[J].重慶醫(yī)學(xué),2010,39(18):2430-2432.

[9]李淑慧,韓起,陳莎,等.虛擬實驗在《臨床生物化學(xué)檢驗》教學(xué)中的應(yīng)用探析[J].國際檢驗醫(yī)學(xué)雜志,2013,34(1):116-117.

[10]吳祥恩.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在“現(xiàn)代教育技術(shù)”課程中的應(yīng)用研究[J].中國電化教育,2011(3):96-100.

[11]孟祥宇,全江濤,叢蓉.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在現(xiàn)代教育中的應(yīng)用研究[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(社會科學(xué)版),2011(5):188-189,196.

[12]張晗.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用探討[J].西北醫(yī)學(xué)教育,2010,18(1):48-51.

[13]高建華,鄧亞明.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在現(xiàn)代教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].電腦開發(fā)與應(yīng)用,2011,24(1):22-23.

[14]周杰.應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)提高開放大學(xué)醫(yī)學(xué)教育質(zhì)量[J].繼續(xù)醫(yī)學(xué)教育,2012,26(6):39-41.

[15]周彩根.虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其在高等教育領(lǐng)域的應(yīng)用[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇,2012,11(18):63-64.

[16]徐輝,馬秀峰.虛擬現(xiàn)實教育應(yīng)用探析[J].山西師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)研究生論文?？?2010,24(6):95-97.