藥學(xué)專業(yè)VR交互仿真實訓(xùn)中心建設(shè)和應(yīng)用研究

萬春艷

(揚州市職業(yè)大學(xué) 醫(yī)學(xué)院 藥學(xué)系, 江蘇 揚州 225000)

虛擬現(xiàn)實[1](Vitrual Reality,VR)即利用圖像建模與傳感技術(shù)構(gòu)建逼真的虛擬場景和情景,而用戶能通過虛擬場景中的多維空間及邏輯數(shù)據(jù)完成交互和仿真學(xué)習(xí)。實訓(xùn)中心是藥學(xué)教學(xué)[2]的重要板塊,是促進理論學(xué)習(xí)不斷深化的重要途徑。藥學(xué)是涉及有機化學(xué)、藥理學(xué)、藥物代謝機理、新藥研發(fā)、藥物活性的綜合性科學(xué)。藥學(xué)教學(xué)內(nèi)容涵蓋了大量高花費、高損耗的大型、綜合性實驗內(nèi)容,在有限的教學(xué)資源配置條件下,很多實驗受到限制。因此利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)建設(shè)藥學(xué)專業(yè)人機交互仿真實訓(xùn)中心,具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者對虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)藥學(xué)實訓(xùn)中的應(yīng)用展開了大量研究。美國科學(xué)家[3]將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用在手術(shù)預(yù)設(shè)規(guī)劃模型中,可讓醫(yī)生在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中完成術(shù)前模擬；學(xué)者Shinbane[4]設(shè)計了虛擬藥物分解系統(tǒng),探究藥物分子和病癥細胞間的作用機理。國內(nèi)學(xué)者顏苗[5]將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用在醫(yī)藥學(xué)科研中,分析藥理成分,成功篩選出藥用植物天星南的有效成分；喬連生[6]利用3D數(shù)字技術(shù),設(shè)計無限次循環(huán)應(yīng)用藥學(xué)虛擬場景,讓學(xué)生面對各類危險性實驗操作時,可大膽實驗論證結(jié)果或完成實驗創(chuàng)新。

1 基于VR技術(shù)的藥學(xué)專業(yè)人機交互仿真實訓(xùn)中心硬件建設(shè)

1.1 仿真實訓(xùn)中心建設(shè)目標

仿真實訓(xùn)中心旨在使使用者可應(yīng)用圖像、文字、聲音、靜止或活動虛擬物質(zhì)影像,完成藥物基礎(chǔ)實驗、藥物合成、藥物分析、藥物代謝動力學(xué)、分子藥物學(xué)、發(fā)酵性實驗等藥學(xué)實驗的仿真模擬[7]。以分子藥物學(xué)為例,其主要虛擬實驗操作包括:復(fù)雜型聚合酶鏈式反應(yīng)(polymerase chain reaction,PCR)、克隆、DNA印漬術(shù)、轉(zhuǎn)化、酶切和連接、堿法提取質(zhì)粒等。仿真實訓(xùn)中心不僅需要提供圖像和視頻的實驗機理直觀講解模式,還可以通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬復(fù)雜分子物質(zhì)屬性及分子間的相互作用。針對發(fā)酵性實驗的菌類育種、培養(yǎng)基選優(yōu)等實驗內(nèi)容,仿真實訓(xùn)中心可仿真聚蘋果酸發(fā)酵模式,通過虛擬設(shè)定不同參數(shù),分析發(fā)酵狀況。仿真實訓(xùn)中心[8]也可完成開停車工作,并排除各類裝備故障和擾動,對實驗進程與結(jié)果進行考核與判定。

1.2 硬件建設(shè)

1.2.1 仿真實訓(xùn)中心平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

模擬藥物制劑的虛擬仿真,需要模擬藥物顆粒制劑、片劑、膠囊或水劑的三維模型,供虛擬場景應(yīng)用。為完成手動實驗操作,在虛擬仿真平臺中需要設(shè)定操控系統(tǒng),并設(shè)置單桿與各類按鍵；為滿足藥物代謝動力學(xué)[9]的需求,應(yīng)當根據(jù)藥物在生命體內(nèi)吸收、分布、代謝與排泄的過程,綜合數(shù)學(xué)和運動學(xué)模型實時仿真代謝藥物目標的虛擬場景；為實現(xiàn)藥物分子學(xué)中的克隆、DNA印漬術(shù)、轉(zhuǎn)化、酶切和連接、堿法提取質(zhì)粒的操作,需要實時測算分子數(shù)據(jù),并隨時解算目標分子狀態(tài)；發(fā)酵實驗則需要隨時調(diào)整參數(shù),并與外界發(fā)酵過程對比,實時更新數(shù)據(jù),并調(diào)節(jié)實驗環(huán)境溫度和濕度,完成半實物仿真實驗?；谶@些需求,仿真實訓(xùn)中心平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 仿真實訓(xùn)中心平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2.2 仿真實訓(xùn)中心平臺硬件構(gòu)成

仿真實訓(xùn)中心平臺以經(jīng)濟性、可靠性和高效性為原則,并根據(jù)圖1的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),構(gòu)建如圖2所示的平臺結(jié)構(gòu),其硬件設(shè)備由操控系統(tǒng)、具備多圖形輸出通道的可編程GPU主控設(shè)備、兩臺顯示裝置及其他輔助裝備組成。兩臺顯示器中的一臺主要顯示藥物實驗操作界面,另一臺顯示虛擬場景。

1.2.3 仿真實訓(xùn)中心平臺用戶操作模式

使用者可按照藥學(xué)實驗要求完成可重復(fù)、具有針對性的虛擬實驗訓(xùn)練。圖3給出仿真實訓(xùn)中心平臺用戶操作模式原理圖。操作分為兩部分,一為藥物實驗?zāi)K,二為用戶控制模塊,兩者間實時進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。如圖3所示。

2 基于VR技術(shù)的藥學(xué)專業(yè)人機交互仿真實訓(xùn)中心軟件建設(shè)

藥學(xué)專業(yè)人機交互仿真實訓(xùn)中心軟件選用C#和MATLAB混合編碼方式編寫,針對藥物代謝動力學(xué)板塊,利用Visual Studio 2017的WinForm窗口完成數(shù)據(jù)分析,并利用MATLAB 2017a的超強運算能力,完成各藥學(xué)實驗部分的算法設(shè)計。系統(tǒng)分為3D藥學(xué)課程講解[10]、實驗設(shè)計和分析及設(shè)備控制三個板塊。實驗設(shè)計和分析即選用系統(tǒng)提供的各種算法,進行各種藥品選型、參數(shù)設(shè)置等操作,完成藥物基礎(chǔ)實驗、藥物合成、藥物分析、藥物代謝動力學(xué)、分子藥物學(xué)及發(fā)酵性等實驗。

2.1 藥學(xué)專業(yè)人機交互仿真實訓(xùn)中心系統(tǒng)主界面設(shè)計

主界面的設(shè)計要便于使用者應(yīng)用系統(tǒng)提供的各功能板塊完成對應(yīng)的實驗或?qū)W習(xí)課程。Visual Studio 2017在WinForm窗口設(shè)計時采用大量控件,便于用戶應(yīng)用,并可在不同功能組間切換。如圖4所示。

2.2 實驗設(shè)計和分析模塊設(shè)計

實驗設(shè)計和分析模塊主要用于各類藥學(xué)實驗的模擬和仿真。根據(jù)實驗不同需要,可選擇離線或在線實驗操作和分析。

圖2 仿真實訓(xùn)中心平臺構(gòu)成

圖3 仿真實訓(xùn)中心平臺用戶操作模式

圖4 主界面設(shè)計

2.2.1 離線實驗操作和分析

離線實驗操作和分析指傳統(tǒng)藥學(xué)實驗過程,可直接利用實訓(xùn)系統(tǒng)所提供的虛擬現(xiàn)實藥物和環(huán)境完成實驗。本文的藥學(xué)專業(yè)人機交互仿真實訓(xùn)中心系統(tǒng),采用可視化設(shè)計[11]方式,將很多較為繁瑣的藥學(xué)實驗操作和分析過程展現(xiàn)給使用者。運行區(qū)主要包括菜單欄、工作欄和狀態(tài)欄。圖5為以VR中藥有效成分提取為例的離線實驗操作和分析界面。

圖5 離線實驗操作和分析界面

進行離線實驗操作和分析時,往往需要判別是否需借鑒或處理關(guān)聯(lián)實驗數(shù)據(jù)。本文的人機交互仿真實訓(xùn)中心系統(tǒng)采用兩種方式關(guān)聯(lián)實驗數(shù)據(jù)(事件關(guān)聯(lián)和對象關(guān)聯(lián))。當現(xiàn)有關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)較少時,可利用雙擊列表框方式進行數(shù)據(jù)處理,并對窗體設(shè)定四個選擇鍵,可對多組數(shù)據(jù)全選和單選,如圖6所示。

圖6 關(guān)聯(lián)實驗組數(shù)據(jù)提取

2.2.2 在線實驗操作和分析

在線實驗操作和分析模塊主要針對半實物藥物實驗,需要對實時接收的現(xiàn)場實驗設(shè)備回傳數(shù)據(jù)進行處理。本文人機交互仿真實訓(xùn)中心系統(tǒng)軟件在在線實驗操作模式下,服務(wù)器與系統(tǒng)構(gòu)建TCP/IP連接,并每隔40 ms給服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù),每次傳送的數(shù)據(jù)為54Mbps。圖7為以VR中藥有效成分提取為例的在線實驗操作和分析模塊。

圖7 在線實驗操作和分析模塊

實驗設(shè)備可模擬藥物在人體中吸收、分布、代謝與排泄的藥物代謝動力學(xué)實驗,并在線回傳至藥學(xué)專業(yè)人機交互仿真實訓(xùn)中心系統(tǒng)。圖8為藥物分子隨血液在身體內(nèi)循環(huán)作用于各處病癥體的全身模型。

2.2.3 設(shè)備控制

設(shè)備控制主要針對半實物藥學(xué)仿真實驗,對人機交互仿真實訓(xùn)中心的大型設(shè)備進行實驗控制,并將數(shù)據(jù)在線聯(lián)網(wǎng)上傳至實訓(xùn)中心系統(tǒng),如圖9所示。

圖8 藥物代謝3D全身模型

圖9 設(shè)備控制

3 藥學(xué)專業(yè)人機交互仿真實訓(xùn)中心應(yīng)用研究

3.1 使用者感知體驗因子設(shè)計和研究假定

藥學(xué)專業(yè)人機交互仿真實訓(xùn)中心建設(shè)的目標是便于開展教學(xué)、科研任務(wù)(包括科研縱向項目和企業(yè)橫向項目),而使用者的體驗是評判實訓(xùn)中心建設(shè)項目建設(shè)質(zhì)量和應(yīng)用質(zhì)量的最佳標準。

本文從使用者感知和體驗角度,進行應(yīng)用研究分析(見圖10和表1)。感知易用性、有用性、安全性和應(yīng)用成本,分別指使用者在人機交互仿真實訓(xùn)中心進行藥學(xué)實驗時,感覺系統(tǒng)易于操作、實用度高,采用虛擬藥品和設(shè)備的成本低,能避免有毒藥品等危險。在具體體驗上,采用實訓(xùn)中心系統(tǒng)進行藥學(xué)實驗的成功率高、工作高效、令人滿意。

圖10 使用者感知體驗因子設(shè)計

編碼研究假設(shè)La1感知易用性對藥學(xué)實驗成功率存在正向影響La2感知有用性對藥學(xué)實驗成功率存在正向影響La3感知安全性對藥學(xué)實驗成功率存在正向影響Lb1感知易用性對藥學(xué)實驗高效性存在正向影響Lb2感知有用性對藥學(xué)實驗高效性存在正向影響Lb3感知安全性對藥學(xué)實驗高效性存在正向影響Lc1感知易用性對使用者滿意度存在正向影響Lc2感知有用性對使用者滿意度存在正向影響Lc3感知應(yīng)用成本對使用者滿意度存在負向影響Lc4感知安全性對使用者滿意度存在正向影響

3.2 樣本分析與問項設(shè)計

3.2.1 樣本分析

本文共發(fā)放1 000份問卷[12],其中學(xué)生875人,教師105人,各醫(yī)藥項目輔助研究人員20人(揚州大學(xué)醫(yī)藥研究所、揚州大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所),問卷回收比例100%,去除無效問卷58份,最終有效樣本數(shù)目為942份。樣本狀況分析如表2。

表2 樣本狀況分析與統(tǒng)計

3.2.2 問項設(shè)計

本文通過與使用者交流及自身的實際教學(xué)與科研經(jīng)驗,針對在藥學(xué)專業(yè)人機交互仿真實訓(xùn)中心的感知和體驗狀況,進行問卷問項設(shè)計(如表3),并采用五級Likert量表[13]。

表3 問項設(shè)計

3.2.3 信度和效度校驗

信度校驗又稱可靠性研究,是指問卷在重復(fù)測量時不受不穩(wěn)定干擾因素影響的程度,可用Cronbach α參數(shù)度量。若該系數(shù)小于0.65,結(jié)果不可靠；若該系數(shù)為0.66～0.75,結(jié)果可接受；若該系數(shù)為0.76～0.85,結(jié)果較好；若該系數(shù)高于0.86,則結(jié)果很好。由表4可知,本問卷問項均表現(xiàn)出較好的內(nèi)部一致性和穩(wěn)定性。

表4 各變量Cronbach α

效度指問卷問項能有效測量所需數(shù)據(jù)的程度。本研究采用軟件SPSS 22.0檢測問項相關(guān)性,采用Bartlett球形檢驗與KMO樣本測度方法。當KMO值≥0.8時,很適合進行因子分析；當0.7≤KMO值<0.8時,適合；當0.6≤KMO值<0.7時,比較適合；當0.5≤KMO值<0.6時,勉強合適；當KMO值<0.5時,不適合。如表5所示,本研究的KMO檢驗值為0.802,Bartlett 的球形度檢驗P<0.001,具有顯著性,適合做因子分析[14]。

表5 KMO與Bartlett校驗

3.3 結(jié)構(gòu)方程下的藥學(xué)專業(yè)人機交互仿真實訓(xùn)中心應(yīng)用實證研究

3.3.1 結(jié)構(gòu)方程數(shù)學(xué)模型

結(jié)構(gòu)方程數(shù)學(xué)模型[15]即通過參量估測,構(gòu)建、評價和校驗多組因參量與自參量的因果關(guān)聯(lián)。為分析感知因子易用性、有用性、安全性和應(yīng)用成本對用戶體驗的成功率高、高效和滿意度的影響,本文釆用結(jié)構(gòu)方程模型完成假設(shè)檢驗。在結(jié)構(gòu)方程模型中,把學(xué)生、教師、研究人員的個人、應(yīng)用狀況作為環(huán)境變量調(diào)節(jié),構(gòu)建結(jié)構(gòu)方程模型。

結(jié)構(gòu)方程模型如式(1)和式(2):

K=Pmβ+λ

(1)

Q=Pnα+ω

(2)

式中:K為外源參量構(gòu)成的參量和,λ指外源標準矯正參數(shù),Pm指外源參量和外源潛在參量間的關(guān)聯(lián),β為外源潛在參量構(gòu)成的向量和。Q是內(nèi)生參量構(gòu)成的向量和,ω是內(nèi)源標準矯正參數(shù),Pn為內(nèi)源參量和外源潛在參量間關(guān)聯(lián),α是內(nèi)源潛在參量所構(gòu)成的向量和。

潛在參量間的關(guān)系如式(3):

α=εα+ηβ+Δ

(3)

式中:ε為內(nèi)源潛在參量間的關(guān)系,η指外源潛在參量對內(nèi)源潛在參量的影響度,Δ是校正參數(shù),即結(jié)構(gòu)方程未被辨識的部分。

本文共包含10個觀測參數(shù),4個潛在參量,若df>0,則模型能被識別,可分析對數(shù)據(jù)的擬合度。

3.3.2 結(jié)構(gòu)化分析步驟和結(jié)果

本文對藥學(xué)專業(yè)人機交互仿真實訓(xùn)中心的應(yīng)用實證研究的結(jié)構(gòu)化分析步驟如下。

(1) 給出結(jié)構(gòu)化模型:設(shè)置初始解析式,并對常量進行分析；

(2) 辨識結(jié)構(gòu)化模型:對所設(shè)定數(shù)學(xué)模型進行預(yù)設(shè)參數(shù)分析,根據(jù)模型設(shè)定,將未知解轉(zhuǎn)換為可行解；

(3) 預(yù)估結(jié)構(gòu)化模型:利用最大似然法和最小二乘法進行分析；

(4) 評價結(jié)構(gòu)化模型:在預(yù)估后,對結(jié)構(gòu)化模型的完整狀況及單獨參數(shù)進行判斷；

(5) 調(diào)整結(jié)構(gòu)化模型:若擬合狀態(tài)不好,則利用調(diào)整算法擬合。

本文利用結(jié)構(gòu)化模型進行擬合參量的結(jié)構(gòu)有效度評價。自由度(DOF)值越小則結(jié)果越好,自由度值常在0.05以下,近似誤差均方根(RMSEA)為0.076,若該值較大則容易產(chǎn)生偏離。若擬合度標準(GFI)、比較擬合標準(CFI)、增加擬合標準(IFI)和設(shè)定擬合標準(NFI)結(jié)果均高于0.75,則所得結(jié)果與真實狀況接近。本研究實證結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)化模型整體擬合度好,如表6所示。

表6 結(jié)構(gòu)化模型整體擬合度

進而本文對假設(shè)路徑進行校驗分析(見表7),Estimate 為標準化回歸參量,C.R.為檢驗統(tǒng)計參量,S.E.為標準誤差,P值為顯著性水平。

表7 路徑系數(shù)和顯著性表

注:***為P<0.001的顯著性。

根據(jù)上述分析,本文的研究假設(shè)驗證如表8。藥學(xué)專業(yè)人機交互仿真實訓(xùn)中心建成后,學(xué)生、教師和科研人員實際應(yīng)用后的感知和體驗表明,易用性、有用性、安全性、應(yīng)用成本均影響用戶在仿真實訓(xùn)中心完成藥學(xué)實驗的成功率、高效性和滿意度。而本文的虛擬現(xiàn)實藥學(xué)專業(yè)人機交互仿真實訓(xùn)中心通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬藥物(藥物分子、藥物屬性和參數(shù))、設(shè)備和人體結(jié)構(gòu),完成虛擬實驗和半實物實驗,使實驗操作更加方便,可避免傳統(tǒng)藥物人為操作帶來的實驗誤差和污染。

表8 假設(shè)驗證結(jié)果

4 總結(jié)和展望

4.1 總結(jié)

藥學(xué)專業(yè)人機交互仿真實訓(xùn)中心是醫(yī)學(xué)院校教育現(xiàn)代化與科研建設(shè)的重要支撐,是醫(yī)藥學(xué)與計算機技術(shù)的深度融合,具有強大的推廣發(fā)展?jié)撡|(zhì)和應(yīng)用前景,必將在教學(xué)和科研中發(fā)揮重要作用。

本文首先給出基于VR技術(shù)的藥學(xué)專業(yè)人機交互仿真實訓(xùn)中心建設(shè)目標,進而分析了實訓(xùn)中心的軟硬件建設(shè),包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、平臺硬件構(gòu)成、用戶操作模式、系統(tǒng)主界面、實驗設(shè)計和分析模塊及設(shè)備控制設(shè)計。

進而給出藥學(xué)專業(yè)人機交互仿真實訓(xùn)中心應(yīng)用研究,給出感知體驗因子設(shè)計和研究假定,并從使用者感知和體驗角度,從感知易用性、有用性、安全性和應(yīng)用成本及成功率、高效性、使用滿意度出發(fā)進行樣本分析和問項設(shè)計,并進行信度和效度校驗。研究表明,問項均表現(xiàn)出較好的內(nèi)部一致性和穩(wěn)定性。最后采用結(jié)構(gòu)方程模型進行藥學(xué)專業(yè)人機交互仿真實訓(xùn)中心應(yīng)用實證研究,包括結(jié)構(gòu)方程數(shù)學(xué)模型、結(jié)構(gòu)化分析步驟和結(jié)果。

4.2 展望

VR藥學(xué)專業(yè)人機交互仿真實訓(xùn)中心下一步建設(shè)和應(yīng)用方向,將是進一步推進實驗改革,完善管理機制,進行設(shè)備與資源共享。推進實驗改革是指建設(shè)與VR藥學(xué)專業(yè)人機交互實訓(xùn)中心更加匹配的實驗?zāi)Ｊ?如應(yīng)用VR技術(shù)篩選潛在功能性藥物,完成復(fù)雜性科研項目,培養(yǎng)學(xué)生參與復(fù)雜性實驗?zāi)芰蛣?chuàng)新能力。

完善管理機制則需要制定和VR藥學(xué)專業(yè)人機交互仿真實訓(xùn)中心相適應(yīng)的規(guī)則,并嚴格執(zhí)行,保障各種醫(yī)藥學(xué)精密設(shè)備、VR設(shè)備、輔助儀器的正常工作,對危險裝置和毒害藥品指定專人專管,各課題組或教學(xué)實驗應(yīng)用實驗資源需在實訓(xùn)中心網(wǎng)站下載申請表,同時完善實驗室電子化監(jiān)管,及時掌控庫存明細。進行設(shè)備與資源互享,即逐步實現(xiàn)多院校和多科研院所對大型儀器及虛擬設(shè)備、資源和數(shù)據(jù)的共享。