陸軍軍醫(yī)大學(xué)基于VR和AR技術(shù)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)初探

凌冠華　李云　陳自強(qiáng)　鄭然　劉國(guó)祥

摘要：研究背景：依據(jù)教育部國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)合陸軍軍醫(yī)大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)有條件。必要性：考慮戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境模擬和高危實(shí)驗(yàn)教學(xué)等需要，為達(dá)到開(kāi)放共享的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)目標(biāo)，分析了中心涉及的管理、教學(xué)、實(shí)訓(xùn)、科研和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等功能模塊，詳細(xì)闡述了展示中心、教學(xué)中心和創(chuàng)作中心建設(shè)所需硬件條件，研究構(gòu)設(shè)了滿足自主學(xué)習(xí)要求的醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)與考核軟件資源體系。制度機(jī)制：明確建章立制要求，提出資源共享、虛實(shí)結(jié)合和多方合作的建議，促進(jìn)中心建設(shè)取得實(shí)效。

Abstract： Research background： according to standard and requirement of Ministry of Education's National Virtual Simulation Experimental Teaching Center， combine the existing conditions of experimental teaching in Army Medical University. Necessity： considering the needs of battlefield environment simulation and high risk experimental teaching，in order to achieve the construction goal of virtual simulation experimental teaching platform， analyzes the center referred function module of management， teaching， training， scientific research and innovation and entrepreneurship， elaborates on hardware conditions that Exhibition Center， Teaching Center and Creation Center need， researches and designs medical virtual simulation training and assessment software resource system that meets the requirements of independent learning. Institutional mechanisms： defines and puts forward the requirement of establishing rules and regulations， puts forward suggestions such as resource sharing， combination of function and reality and multi-party cooperation， to promote achieve actual effects by the construction of the center.

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；虛擬；實(shí)驗(yàn)；中心

Key words： virtual reality；augmented reality；virtual；experiment；center

中圖分類號(hào)：R-1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）32-0252-03

0 引言

醫(yī)學(xué)教育是精英教育，在現(xiàn)代科技飛速發(fā)展的形勢(shì)背景下，生物醫(yī)學(xué)和應(yīng)用技術(shù)緊密結(jié)合，醫(yī)學(xué)教育涉及學(xué)科不斷增多，教育的范圍更加擴(kuò)大，醫(yī)學(xué)將向綜合化和專業(yè)化發(fā)展，更加注重學(xué)生的獨(dú)立判斷能力、邏輯思維能力和臨床問(wèn)題處理能力，對(duì)實(shí)驗(yàn)室操作和臨床實(shí)踐要求更加嚴(yán)格。醫(yī)學(xué)教育往往必須經(jīng)歷大量的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果[1]。陸軍軍醫(yī)大學(xué)高度重視實(shí)驗(yàn)條件建設(shè)，實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為大學(xué)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的重要基地和重要環(huán)節(jié)，需要虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，作為臨床模擬訓(xùn)練的有效補(bǔ)充；而通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，可完成一些高成本、不可逆的實(shí)驗(yàn)，破除時(shí)間和空間的限制，不斷豐富、拓展和完善醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，提升醫(yī)學(xué)人才培養(yǎng)質(zhì)量。

1 建設(shè)背景

為貫徹落實(shí)習(xí)近平總書記關(guān)于強(qiáng)化實(shí)踐育人工作的重要指示和全國(guó)高校思想政治工作會(huì)議精神，根據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）》和《2017年教育信息化工作要點(diǎn)》等相關(guān)要求，教育部自2013年開(kāi)展了國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作，軍隊(duì)和地方各高校積極響應(yīng)，圍繞立德樹(shù)人根本任務(wù)，結(jié)合實(shí)際廣泛開(kāi)展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)，以現(xiàn)代信息技術(shù)為依托，以相關(guān)專業(yè)類急需的實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化內(nèi)容為指向，以完整的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目為基礎(chǔ)，不斷探索線上線下教學(xué)相結(jié)合的個(gè)性化、智能化、泛在化實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式。陸軍軍醫(yī)大學(xué)結(jié)合鮮明的軍事醫(yī)學(xué)辦學(xué)特色優(yōu)勢(shì)，已建成以基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心為主干，以學(xué)科專業(yè)實(shí)驗(yàn)室為補(bǔ)充的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，軟硬件配套完善，傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)成效顯著。伴隨VR（Virtual Reality，即虛擬現(xiàn)實(shí)）和AR（Augmented Reality，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）技術(shù)的出現(xiàn)，基于VR和AR技術(shù)的虛擬仿真教學(xué)將醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境帶入一個(gè)全新的領(lǐng)域：VR技術(shù)通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬真實(shí)感的圖像、聲音和氣味等，從而復(fù)制出一個(gè)真實(shí)或者假想的場(chǎng)景，具有沉浸感、假想性和交互性，可以有視覺(jué)上、力覺(jué)上、聽(tīng)覺(jué)上和其他感官上的回饋來(lái)增加訓(xùn)練真實(shí)性；AR技術(shù)通過(guò)直接或間接地觀察真實(shí)場(chǎng)景，計(jì)算機(jī)生成的圖像、聲音、視頻或其他信息被增強(qiáng)，具有現(xiàn)場(chǎng)感、增強(qiáng)性和相關(guān)性。依托VR、AR和人工智能等先進(jìn)技術(shù)，籌建軍醫(yī)大學(xué)校級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，可對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段進(jìn)行有效補(bǔ)充，推進(jìn)多媒體化、模擬化、網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，實(shí)現(xiàn)硬件條件統(tǒng)建共享，豐富完善信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。

2 必要性

2.1 戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境模擬需要

應(yīng)實(shí)戰(zhàn)化教學(xué)訓(xùn)練需要，衛(wèi)勤訓(xùn)練需模擬直升機(jī)、艦船、救護(hù)車等不同轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)，及高原、海洋、山地、平原等復(fù)雜地理環(huán)境，創(chuàng)造一流的實(shí)戰(zhàn)化模擬環(huán)境，增強(qiáng)參訓(xùn)人員對(duì)野戰(zhàn)環(huán)境下開(kāi)展手術(shù)和處理復(fù)雜傷情的適應(yīng)能力。

2.2 高危實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要

涉及特殊病毒、放射性物質(zhì)等危險(xiǎn)程度高的實(shí)驗(yàn)、核化生損傷及醫(yī)學(xué)救援等不可逆的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性和規(guī)范性提出了更高、更準(zhǔn)確的要求。

2.3 操作難度大的實(shí)驗(yàn)需要

神經(jīng)外科、心包穿刺等侵入性實(shí)驗(yàn)操作難度大的實(shí)驗(yàn)，無(wú)法在患者身體練習(xí)，亟需仿真操作場(chǎng)景的真實(shí)再現(xiàn)，通過(guò)多人實(shí)時(shí)共攬和課后復(fù)盤，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的精細(xì)化程度，解決了常規(guī)模擬實(shí)驗(yàn)無(wú)法觸及的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，并能夠?yàn)閷W(xué)生提供更加精確的智能反饋。

2.4 實(shí)驗(yàn)資源節(jié)約需要

受制于經(jīng)費(fèi)和動(dòng)物倫理學(xué)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)標(biāo)本緊缺、實(shí)驗(yàn)成本較高，具有重復(fù)性實(shí)驗(yàn)需要，通過(guò)基于VR或AR技術(shù)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，可實(shí)現(xiàn)多次重復(fù)練習(xí)學(xué)習(xí)，既保證了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，又減少了實(shí)驗(yàn)耗材消耗。

3 建設(shè)目標(biāo)

按國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的要求，搭建硬件資源集中共享的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)環(huán)境，引入各學(xué)科專業(yè)VR/AR實(shí)訓(xùn)資源，建設(shè)開(kāi)放共享的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，建成“三中心、一平臺(tái)”：即VR/AR的展示中心、教學(xué)中心、創(chuàng)作中心和創(chuàng)新平臺(tái)（含豐富的信息化教學(xué)資源），為全校提供優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，推進(jìn)知識(shí)協(xié)作共享和產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新，推動(dòng)跨學(xué)科資源整合、師生創(chuàng)新實(shí)踐和成果轉(zhuǎn)化，培養(yǎng)輸出與時(shí)俱進(jìn)的高質(zhì)量復(fù)合型醫(yī)學(xué)人才。

4 功能模塊

校級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)涵蓋管理、教學(xué)、實(shí)訓(xùn)、科研和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等模塊，具體內(nèi)容見(jiàn)圖1。

5 建設(shè)內(nèi)容和布局

平臺(tái)建設(shè)內(nèi)容包括硬件環(huán)境建設(shè)和軟件系統(tǒng)資源構(gòu)建。硬件環(huán)境可一次性搭建完成，滿足長(zhǎng)遠(yuǎn)建設(shè)發(fā)展需要，軟件系統(tǒng)資源根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)作模塊化設(shè)計(jì)，分期分步組織實(shí)施：

5.1 硬件環(huán)境

5.1.1 搭建VR/AR展示中心，形成協(xié)同工作平臺(tái)：

一是部署CAVE沉浸式投影或支持3D顯示的LED系統(tǒng)，突出展示更加完整、層次感突出的畫面，提供沉浸式交互體驗(yàn)；

二是部署紅外光學(xué)位置追蹤交互系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地捕捉目標(biāo)物體多自由度姿態(tài)詳細(xì)信息，可作為虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互的外設(shè)，進(jìn)行護(hù)理操作、手術(shù)動(dòng)作的精確捕捉，通過(guò)部署半實(shí)物仿真設(shè)備，實(shí)現(xiàn)姿態(tài)捕捉和運(yùn)動(dòng)實(shí)物的空間位置實(shí)時(shí)獲取。

三是搭建高性能圖像生成及處理系統(tǒng)，融合復(fù)雜圖形變換和視頻圖像捕獲，在普通PC終端實(shí)現(xiàn)視頻工作站功能。

5.1.2 建設(shè)VR/AR教學(xué)中心，集教學(xué)、演示及實(shí)際操作于一體：

一是建設(shè)異地多人協(xié)同的虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)平臺(tái)，將高性能計(jì)算與先進(jìn)的可視化管理相結(jié)合，做好VR資源共享與信息溝通，實(shí)現(xiàn)多人異地協(xié)同溝通和“教、學(xué)、考、練”環(huán)節(jié)的全覆蓋教學(xué)。

二是部署頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)交互系統(tǒng)，支持多人在同一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的人機(jī)交互任務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)協(xié)同和實(shí)時(shí)同步，大大增強(qiáng)即時(shí)互動(dòng)感?；谌S虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境變化，做好人-機(jī)-環(huán)境定量數(shù)據(jù)（如眼動(dòng)、腦波、呼吸、溫濕度等）同步采集，開(kāi)展分析評(píng)價(jià)，為科學(xué)研究提供客觀數(shù)據(jù)支撐。

5.1.3 建設(shè)VR/AR創(chuàng)作中心，實(shí)現(xiàn)模型課件制作和新型材料研究：

一是建設(shè)虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用開(kāi)發(fā)平臺(tái)，通過(guò)先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)引擎，實(shí)現(xiàn)零編程基礎(chǔ)的程序內(nèi)容開(kāi)發(fā)應(yīng)用。

二是建設(shè)數(shù)字化教學(xué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基于VR/AR的創(chuàng)作資源的分類上傳和分享，方便師生共享已有資源，提高自主化教學(xué)能力。

5.2 信息資源建設(shè)

根據(jù)醫(yī)學(xué)專業(yè)教學(xué)特點(diǎn)，將各實(shí)驗(yàn)室的分散虛擬訓(xùn)練資源基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心，進(jìn)行資源整合，搭建校級(jí)醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)與考核資源體系，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一身份認(rèn)證和統(tǒng)一管理，平臺(tái)要易于擴(kuò)展，由機(jī)能學(xué)、臨床綜合技能、人體形態(tài)學(xué)、衛(wèi)生防疫防護(hù)、軍人作戰(zhàn)心理學(xué)、檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)等模塊組成，充分應(yīng)用自主學(xué)習(xí)及考試系統(tǒng)，開(kāi)設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，滿足PBL教學(xué)需要。

5.2.1 機(jī)能實(shí)驗(yàn)學(xué)虛擬訓(xùn)練

為解決實(shí)時(shí)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)操作限制，對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象和實(shí)驗(yàn)器械建模，進(jìn)行人機(jī)交互的虛擬操作，結(jié)合VR環(huán)境，方便學(xué)生深入實(shí)驗(yàn)對(duì)象內(nèi)部，反映動(dòng)物體內(nèi)結(jié)構(gòu)信息，同時(shí)進(jìn)行人機(jī)交互的虛擬操作，提升學(xué)生個(gè)性化的自主學(xué)習(xí)和探究式學(xué)習(xí)水平[2]。

5.2.2 臨床綜合技能訓(xùn)練

通過(guò)高仿真模擬人與標(biāo)準(zhǔn)化患者結(jié)合，依托AR技術(shù)，提高臨床技能操作訓(xùn)練熟練度和反饋效果。開(kāi)設(shè)臨床綜合穿刺虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)，訓(xùn)練醫(yī)學(xué)生的操作熟練程度，真實(shí)體驗(yàn)操作流程，強(qiáng)化操作技能。建立腔鏡虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目，提供逼真的腔鏡訓(xùn)練模式，熟練掌握腔鏡基本技巧訓(xùn)練、縫合打結(jié)等技巧操作。

5.2.3 人體形態(tài)學(xué)教學(xué)資源

提供基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的人體形態(tài)學(xué)教學(xué)資源，全方位觀察人體結(jié)構(gòu)，通過(guò)控制攝像機(jī)進(jìn)入人體器官內(nèi)部觀察，獲得沉浸式3D體驗(yàn)，從宏觀到微觀、從整體到局部多維度展示人體解剖結(jié)構(gòu)，建立形態(tài)認(rèn)識(shí)規(guī)律到實(shí)踐操作的一體化教學(xué)。

5.2.4 衛(wèi)生防疫防護(hù)虛擬仿真訓(xùn)練

結(jié)合核化生事故醫(yī)學(xué)救援流程，通過(guò)對(duì)各種軍事行動(dòng)、野外駐訓(xùn)及突發(fā)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)和過(guò)程的模擬仿真，構(gòu)建逼真的現(xiàn)場(chǎng)情境，促進(jìn)訓(xùn)練情境與應(yīng)急處置緊密結(jié)合，改變以往理論與應(yīng)用脫節(jié)、訓(xùn)練與實(shí)戰(zhàn)脫節(jié)的實(shí)際問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)、分級(jí)處理和考核評(píng)估等功能。

5.2.5 軍人作戰(zhàn)心理素質(zhì)虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練

構(gòu)建包含聰慧、忠誠(chéng)、勇敢等模塊的刺激庫(kù)，搭建喚醒度高、反應(yīng)敏捷、效果逼真的心理刺激場(chǎng)景，實(shí)時(shí)采集參試者生理指標(biāo)信息，實(shí)現(xiàn)受訓(xùn)者行為記錄智能分析、面部表情實(shí)時(shí)捕捉采集，訓(xùn)練學(xué)員對(duì)災(zāi)害或創(chuàng)傷的應(yīng)激反應(yīng)，學(xué)習(xí)涵蓋記憶、心理學(xué)、行為生物學(xué)等相關(guān)救援技能[3]，極大提高戰(zhàn)場(chǎng)心理救治訓(xùn)練的科學(xué)性。

5.2.6 檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)儀器虛擬操作

為確保實(shí)際操作效果，構(gòu)建類似真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景，依托VR技術(shù)模擬逼真的3D儀器設(shè)備，仿真操作學(xué)習(xí)血細(xì)胞分析流水線、大型自動(dòng)生化儀的相關(guān)知識(shí)，包括儀器質(zhì)量控制、校準(zhǔn)、樣本檢測(cè)等功能，達(dá)到熟練掌握儀器的目標(biāo)[4]。

6 制度機(jī)制

6.1 完善規(guī)章制度

為促進(jìn)校級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心安全高效運(yùn)行，按照體系配套、精簡(jiǎn)管用原則，建立健全項(xiàng)目申報(bào)、過(guò)程監(jiān)管、質(zhì)量管控、驗(yàn)收管理等系列制度，完善監(jiān)察、保障、維護(hù)、開(kāi)放共享等措施辦法，實(shí)現(xiàn)科學(xué)化、精細(xì)化和規(guī)范化管理。

6.2 建立資源長(zhǎng)效共享機(jī)制

依托陸軍軍醫(yī)大學(xué)智慧校園工程，面向全校師生共享開(kāi)放，深入應(yīng)用于學(xué)歷教育、任職教育和科學(xué)研究，對(duì)接軍隊(duì)網(wǎng)絡(luò)體系，滿足基層官兵遠(yuǎn)程訪問(wèn)和學(xué)習(xí)需求，促進(jìn)醫(yī)學(xué)人才和基層醫(yī)務(wù)人員培養(yǎng)水平的提高。

6.3 虛擬仿真與實(shí)訓(xùn)結(jié)合

虛擬仿真教學(xué)主要起到傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充、拓展作用，要堅(jiān)持“以虛補(bǔ)實(shí)、虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)原則，構(gòu)建現(xiàn)代化虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，建設(shè)自主可控的醫(yī)學(xué)信息資源及學(xué)習(xí)考試系統(tǒng)，加深受訓(xùn)者對(duì)醫(yī)學(xué)實(shí)際操作問(wèn)題的理解認(rèn)識(shí)，在反復(fù)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)員綜合創(chuàng)新能力。

6.4 建立校-企-部隊(duì)合作機(jī)制

圍繞虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，借助與企業(yè)合作開(kāi)展裝備研制、與部隊(duì)合作進(jìn)行信息化訓(xùn)練系統(tǒng)建設(shè)之機(jī)，推進(jìn)院校-企業(yè)-部隊(duì)多方合作，完善激勵(lì)共贏機(jī)制，根本上提高基層部隊(duì)?wèi)?zhàn)救訓(xùn)練水平，成為戰(zhàn)斗力生成轉(zhuǎn)化條件，建成軍民融合發(fā)展的典型示范[5]。

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