虛擬醫(yī)學(xué)教學(xué)系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用研究

張?zhí)m華,張金池,張兆臣,李惠萍

（泰山醫(yī)學(xué)院信息工程學(xué)院,山東 泰安 271016）

虛擬醫(yī)學(xué)教學(xué)系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用研究

張?zhí)m華,張金池,張兆臣,李惠萍

（泰山醫(yī)學(xué)院信息工程學(xué)院,山東 泰安 271016）

為了合理的利用現(xiàn)有醫(yī)學(xué)教學(xué)資源、解決醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源緊張的問(wèn)題,利用虛擬現(xiàn)實(shí)及模擬技術(shù),在傳統(tǒng)教學(xué)及平臺(tái)的基礎(chǔ)上,結(jié)合已有教學(xué)資源與軟件平臺(tái)開(kāi)展虛擬教學(xué)系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用研究。利用虛擬醫(yī)學(xué)系統(tǒng)不僅形象生動(dòng)的體現(xiàn)了復(fù)雜的教學(xué)過(guò)程,對(duì)于醫(yī)學(xué)教學(xué)中不能開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)或有限的教學(xué)資源提供一種新的教學(xué)及實(shí)驗(yàn)方式。實(shí)踐證實(shí)在醫(yī)學(xué)教學(xué)過(guò)程中開(kāi)展虛擬醫(yī)學(xué)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)是可行的。

虛擬現(xiàn)實(shí)；模擬技術(shù)；教學(xué)系統(tǒng)

10.3969/j.issn.100221701.2012.10.042

隨著高校的擴(kuò)招,高等醫(yī)學(xué)院校學(xué)生人數(shù)大幅度增加,隨之而來(lái)的就是醫(yī)學(xué)教學(xué)資源的緊張。在醫(yī)學(xué)教學(xué)中,實(shí)驗(yàn)教學(xué)同理論教學(xué)一樣,成為醫(yī)學(xué)教學(xué)活動(dòng)中不可缺少的教學(xué)方式,而且是學(xué)生提高實(shí)踐能力有力的保障。如何解決醫(yī)學(xué)資源緊張問(wèn)題是醫(yī)學(xué)院校急需解決的問(wèn)題之一。

醫(yī)學(xué)教學(xué)系統(tǒng)是輔助醫(yī)學(xué)院校進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)常用的方式之一,醫(yī)學(xué)教學(xué)系統(tǒng)可以生動(dòng)形象的對(duì)醫(yī)學(xué)教學(xué)活動(dòng)進(jìn)行描述和表達(dá)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種綜合計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、立體顯示技術(shù)以及仿真技術(shù)等多種技術(shù)制造逼真的人工模擬環(huán)境,并能有效地模擬人在自然環(huán)境中的各種感知系統(tǒng)行為的高級(jí)的人機(jī)交互技術(shù),虛擬環(huán)境通常是由計(jì)算機(jī)生成并控制的,使用戶身臨其境地感知虛擬環(huán)境中的物體,通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)的三維設(shè)備與物體接觸,從而真正地實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互[1]。因此在醫(yī)學(xué)教學(xué)系統(tǒng)中運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)緊張的醫(yī)學(xué)資源進(jìn)行模擬為醫(yī)學(xué)院校解決資源緊張問(wèn)題提供了一條可行之路。

一、實(shí)踐應(yīng)用研究現(xiàn)狀

在國(guó)外的醫(yī)學(xué)研究及教學(xué)領(lǐng)域,已經(jīng)利用多種模擬手段開(kāi)展了大量的研究與應(yīng)用,取得了大量的研究成果,得到了良好的教學(xué)效果。

從1990年開(kāi)始,模擬教學(xué)在美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的醫(yī)學(xué)教學(xué)中得到逐步推行。20世紀(jì)90年代初,我國(guó)浙江醫(yī)科大學(xué)、華西醫(yī)科大學(xué)和九江醫(yī)學(xué)專科學(xué)校受美國(guó)中華醫(yī)學(xué)基金會(huì)資助,實(shí)施了臨床技能教學(xué)改革并取得了積極的成果。目前,全世界已經(jīng)建立有數(shù)百個(gè)醫(yī)學(xué)模擬訓(xùn)練中心,并建立了地區(qū)性和世界性模擬醫(yī)學(xué)教學(xué)專業(yè)協(xié)會(huì)。模擬教學(xué)正越來(lái)越多地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)各個(gè)學(xué)科的臨床教學(xué)、人員培訓(xùn)、技能評(píng)估和科學(xué)研究中[2]。

對(duì)于模擬研究,國(guó)外利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立虛擬的人體模型,借助于跟蹤球、HMD、感覺(jué)手套,可以很容易了解人體內(nèi)部各器官結(jié)構(gòu)[3]。另外,在遠(yuǎn)距離遙控外科手術(shù),復(fù)雜手術(shù)的計(jì)劃安排、為手術(shù)過(guò)程提供操作和信息上的輔助、預(yù)測(cè)手術(shù)結(jié)果及改善殘疾人生活狀況,乃至新型藥物的研制等方面,都使用模擬技術(shù)開(kāi)展研究。

同時(shí),借助計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行虛擬生物解決方案,特別是醫(yī)學(xué)教學(xué)過(guò)程中較為復(fù)雜的手術(shù)過(guò)程等,使用計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)模擬、指導(dǎo)醫(yī)學(xué)手術(shù)所涉及的各種過(guò)程,在時(shí)間段上包括了術(shù)前、術(shù)中、術(shù)后,同時(shí)對(duì)于手術(shù)計(jì)劃制定,手術(shù)排練演習(xí),手術(shù)教學(xué),手術(shù)技能訓(xùn)練,術(shù)中引導(dǎo)手術(shù)、術(shù)后康復(fù)等都有多項(xiàng)研究成果[4]。

結(jié)合計(jì)算機(jī)人工智能的研究,國(guó)內(nèi)外的研究機(jī)構(gòu)以智能仿真技術(shù)為核心開(kāi)展病人模擬系統(tǒng),解決醫(yī)學(xué)生臨床教學(xué)所面臨問(wèn)題。

二、虛擬醫(yī)學(xué)系統(tǒng)實(shí)踐研究

作為輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主體,虛擬醫(yī)學(xué)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)直接影響最終的實(shí)踐效果,因此利用已有教學(xué)資源與軟件平臺(tái)相結(jié)合來(lái)開(kāi)發(fā)虛擬教學(xué)系統(tǒng),通過(guò)對(duì)已有的醫(yī)學(xué)教學(xué)資源進(jìn)行分析設(shè)計(jì),結(jié)合相關(guān)的軟件平臺(tái),在傳統(tǒng)教學(xué)及平臺(tái)的基礎(chǔ)上,利用模擬技術(shù)開(kāi)發(fā)虛擬教學(xué)平臺(tái),使之更加形象生動(dòng)的體現(xiàn)復(fù)雜的教學(xué)過(guò)程。然后利用模擬技術(shù)通過(guò)軟件平臺(tái)模擬不能開(kāi)設(shè)的或資源緊張的實(shí)驗(yàn)。對(duì)于醫(yī)學(xué)教學(xué)中不能開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)或有限的教學(xué)資源,通過(guò)軟件平臺(tái)模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程或教學(xué)過(guò)程,最終使學(xué)生掌握此相關(guān)知識(shí)。

借助虛擬醫(yī)學(xué)系統(tǒng),首先在理論教學(xué)過(guò)程中將復(fù)雜的醫(yī)學(xué)過(guò)程進(jìn)行形象表示,在實(shí)驗(yàn)教學(xué)之前,先通過(guò)虛擬醫(yī)學(xué)系統(tǒng)對(duì)學(xué)生進(jìn)行培訓(xùn)。由于醫(yī)學(xué)過(guò)程的復(fù)雜性,眾多實(shí)驗(yàn)及理論必須通過(guò)親身實(shí)踐才能掌握,因此,對(duì)于過(guò)程復(fù)雜、要求較高、需要反復(fù)鍛煉的教學(xué)過(guò)程通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)表達(dá)在醫(yī)學(xué)系統(tǒng)中。

虛擬醫(yī)學(xué)系統(tǒng)與其他教學(xué)方法和系統(tǒng)相比有其獨(dú)有的特性。計(jì)算機(jī)輔助的模擬技術(shù)可將醫(yī)學(xué)教學(xué)中復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)及操作數(shù)字化,通過(guò)直觀的表達(dá)學(xué)生易于學(xué)習(xí)和掌握,在傳統(tǒng)教學(xué)方法和模式的基礎(chǔ)上,提供多樣性的主動(dòng)學(xué)習(xí)的環(huán)境,具有較強(qiáng)的人機(jī)對(duì)話功能,容易建立起雙向交互式人機(jī)界面,使學(xué)生從被動(dòng)學(xué)習(xí)到主動(dòng)積極靈活的學(xué)習(xí),提高教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量。

除此之外,模擬系統(tǒng)還可以解決醫(yī)用資源不足的問(wèn)題,可以利用虛擬手術(shù)器等模擬,并可利用操縱桿,選擇任一結(jié)構(gòu)的模型將其從數(shù)字化虛擬中獨(dú)立出來(lái),進(jìn)行更精細(xì)的觀察,這樣的過(guò)程可以進(jìn)行反復(fù)練習(xí),分組進(jìn)行,方便師生,不僅節(jié)約資源,還解決現(xiàn)實(shí)資源不能重復(fù)利用的問(wèn)題。

利用模擬技術(shù)在醫(yī)學(xué)教學(xué)中進(jìn)行開(kāi)發(fā)與應(yīng)用有多種形式[5],比如虛擬實(shí)驗(yàn)室可用于課堂教學(xué)和學(xué)生自學(xué),可以提高教學(xué)效果、增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造力和想像力等。

醫(yī)學(xué)模擬教學(xué)可以應(yīng)用于普通的理論及實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng),比如解剖學(xué)、生理學(xué)、藥理學(xué)、物理診斷學(xué)、護(hù)理學(xué)等,也可以應(yīng)用在臨床教學(xué)中,如婦產(chǎn)科、兒科、急診科、麻醉科、外科、內(nèi)科及內(nèi)窺鏡等的學(xué)習(xí)。

通過(guò)虛擬醫(yī)學(xué)教學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用,不僅為教師、學(xué)生提供一種新的學(xué)習(xí)方式,也為學(xué)校及臨床提供積極的輔助手段,利用模擬技術(shù)構(gòu)建醫(yī)學(xué)虛擬教學(xué)系統(tǒng)可以改善傳統(tǒng)教學(xué)方式和教學(xué)手段的不足,提高教學(xué)的效果和效率。同時(shí)可以提高學(xué)生的動(dòng)手能力,節(jié)約實(shí)驗(yàn)資源。

三、應(yīng)用推廣前景

虛擬醫(yī)學(xué)教學(xué)系統(tǒng)的試點(diǎn)及應(yīng)用為學(xué)校、教師及學(xué)生提供一條嶄新的教與學(xué)的方式。

醫(yī)學(xué)教學(xué)系統(tǒng)可以結(jié)合新的技術(shù)開(kāi)展新型的理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué),提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。同樣,虛擬現(xiàn)實(shí)也可以應(yīng)用于臨床及實(shí)踐操作中,為實(shí)習(xí)醫(yī)生或?qū)W生提供新的實(shí)驗(yàn)資源。

同時(shí),其他專業(yè)或課程也可以借鑒虛擬醫(yī)學(xué)教學(xué)系統(tǒng)作為理論教學(xué)或者實(shí)驗(yàn)教學(xué)的輔助手段。

四、結(jié)束語(yǔ)

不管在醫(yī)學(xué)研究還是教學(xué)領(lǐng)域,模擬技術(shù)作為一種新的手段和其他計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合,成為推動(dòng)醫(yī)學(xué)教學(xué)改革和發(fā)展以及解決醫(yī)學(xué)研究的新的熱點(diǎn)方向。

模擬技術(shù)在醫(yī)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用為中國(guó)醫(yī)學(xué)教育改革與發(fā)展提供了一條新的途徑,利用模擬技術(shù)不僅可以在滿足資源的要求,還可以生動(dòng)形象的表達(dá)教學(xué)過(guò)程,并且在一定程度上綜合了一整套新的教學(xué)方法,使學(xué)生得到一個(gè)完整醫(yī)學(xué)學(xué)習(xí)過(guò)程的訓(xùn)練及模擬。

當(dāng)然,虛擬醫(yī)學(xué)教學(xué)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中還存在一定的不足：沒(méi)有真實(shí)環(huán)境的實(shí)物感,不能完全反映現(xiàn)實(shí)醫(yī)學(xué)過(guò)程,也不能完全表達(dá)真實(shí)環(huán)境中的意外情況等。下一階段我們將針對(duì)實(shí)踐應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題和發(fā)現(xiàn)的不足,繼續(xù)展開(kāi)研究,努力提高醫(yī)學(xué)虛擬系統(tǒng)的應(yīng)用效果。

[1]劉 怡,曾照芳,李 驕.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的肝臟構(gòu)建及其相關(guān)研究[J].中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào),2007,26（2）：7462750.

[2]徐 晤,王志榮,黃一虹,等.虛擬與現(xiàn)實(shí)結(jié)合的心電圖軟件的構(gòu)建[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)教育技術(shù),2007,21（1）：33235.

[3]李 橋,潘 燕,孫文紅,等.虛擬儀器在醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2005,22（1）：28230.

[4]邱 峰,張際平,高 巖.虛擬手術(shù)實(shí)驗(yàn)在醫(yī)學(xué)教學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2009,19（7）：1272129.

[5]楊曄琴,高歌心,蔡福滿,等.虛擬教學(xué)平臺(tái)在護(hù)理實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國(guó)高等醫(yī)學(xué)教育,2011（5）：64265.

Practice and application research on virtualmedical teaching system

ZHANGLan2hua,ZHANGJin2chi,ZHANG Zhao2chen,et al
（College of Information and Engineering,Taishan Medical College,Taian 271016 Shandong,China）

In order tomake full useof themedical teaching resource and satisfy the requirementofmedical experiments,based on the custom teaching platform,the authors have developed the practice and application research on virtualmedical teaching system taking advantageof the virtual reality and simulation technology and combining the original teaching resourceson software platform.It reflects the complex teaching process directly and visually,also provides a new method in the teaching and experimentswhich are difficult to develop in the limitedmedical resources.The practice has verified that it is feasible to develop the virtualmedical teaching and experiment inmedical teaching.

virtual reality；simulation；teaching system

G642.0

A

100221701（2012）1020080202

2011208

張?zhí)m華,男,博士,講師,研究方向：醫(yī)學(xué)信息學(xué)及復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)建模與算法。

中華醫(yī)學(xué)會(huì)醫(yī)學(xué)教育分會(huì)醫(yī)學(xué)教育研究課題（20101403）；山東省高等學(xué)校科技計(jì)劃項(xiàng)目（J10LC59）。

●教學(xué)管理