虛擬現(xiàn)實技術在醫(yī)學教育中的應用價值*

侯振江 王鳳玲 李紅巖

虛擬現(xiàn)實(virtual reality，VR)技術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，借助必要的設備，實現(xiàn)用戶與該環(huán)境直接進行交互作用、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，給人一種身臨其境的真實感覺。

隨著VR技術的不斷發(fā)展，構建虛擬的實驗教學系統(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，從而解決學習媒體的情景化及自然交互性的要求，故在教育領域內(nèi)有著極其巨大的應用前景[1]。

1 虛擬現(xiàn)實技術在國內(nèi)外的應用

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

1.1 國外應用

VR技術最早起源于美國，1966年麻省理工學院開始了頭盔顯示器的研制，拉開了虛擬實驗研究與應用的序幕；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將超聲圖像與VR相結合，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年華盛頓大學技術中心的人機界面技術實驗室將VR技術研究引入到教育領域；德國漢堡大學K.Homhne教授領導的研究小組進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切片建立起空間模型，構建三維可視化虛擬人體圖譜(VOXEL-MAN)，為學生自由地在三維人體空間進行各種操作搭建了平臺；1985年美國國立醫(yī)學圖書館(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醫(yī)學院將一具男尸和一具女尸進行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，學生可以在計算機屏幕上對“可視人”進行冠狀面和矢狀面的解剖，并將局部圖像進行縮放，對解剖學教學發(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行青蛙解剖，觀察其肌肉和骨骼組織。

20世紀90年代末期，開展了虛擬解剖學、虛擬放射學及虛擬內(nèi)窺鏡學等學科的計算機輔助教學。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年進行了人體結構數(shù)據(jù)的采集和三維重構，構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，斯坦福大學等用VR技術成功建造了人體腿部模型，澳大利亞大學利用VR技術建造了虛擬肝腎模型，韓國漢城大學利用下肢三維虛擬模型進行步態(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準數(shù)據(jù)，日本京華醫(yī)科大學利用CT和MRI影像技術建造了“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習系統(tǒng)，建立了骨骼、肌肉和心臟等部分器官的三維模型，如華盛頓大學開發(fā)的數(shù)字解剖學家系統(tǒng)；漢堡大學開發(fā)的Voxel Man系統(tǒng)等；芝加哥大學建造了一套完整的人體虛擬解剖系統(tǒng)，學生利用虛擬的組織、器官間的模擬操作感受觸覺反饋，以便更快地掌握手術要領和技術。

1.2 國內(nèi)應用

20世紀80年代末，國內(nèi)開始進行VR技術的研究，并逐步投入到航天和軍事領域。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，又可模擬各種藥物對心臟的作用，從中篩選最佳手術方式和最佳用藥劑量和給藥方式，進行藥效對比等一系列試驗。1998年北京醫(yī)科大學用VR技術構建了32顆人恒牙的三維模型；2002年汕頭大學醫(yī)學院引進挪威的SimMan數(shù)字化虛擬人，用于臨床技能教學和考核；2003年第一軍醫(yī)大學宣布完成國內(nèi)首例女性虛擬人的數(shù)據(jù)采集；同年上海中醫(yī)藥大學建立了基于VR的現(xiàn)代化模擬醫(yī)院，用于醫(yī)學生的臨床實習[5]；2004年首都醫(yī)科大學引進美國的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)學高仿真模擬教學[6]。學生的診治操作由計算機評判，“患者”狀況隨時改變，或好轉或惡化，學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)學生學習，從而提高診療水平。浙江大學生物醫(yī)學工程研究所利用虛擬心臟進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產(chǎn)生了重大的意義。許惠玉等[7]創(chuàng)建了臨床免疫學及檢驗虛擬實驗室，將實驗的全過程以虛擬實驗室的方式生動、形象的展示在學生面前，激起了學生的學習興趣，加深了學生對實驗的了解。彭坤等[8]將自動生化分析儀學習平臺與虛擬半自動生化分析儀實訓教學系統(tǒng)整合在一起，實現(xiàn)了理論學習與實踐能力培養(yǎng)相結合，對提高臨床醫(yī)學檢驗課程教學質(zhì)量和該專業(yè)學生的職業(yè)能力兩方面都有幫助。李淑慧等[9]構建了“臨床生物化學檢驗”虛擬實驗教學系統(tǒng)，徹底打破了空間和時間限制，為學生提供獨立完成或協(xié)作完成實驗操作的生動、逼真的實驗學習環(huán)境，學生能夠自主開放地進行綜合性和設計性實驗訓練，極大地調(diào)動學生的學習積極性，培養(yǎng)學生解決問題和自主創(chuàng)新的能力，充分體現(xiàn)“以學生為主”的創(chuàng)新教學理念。

2 虛擬現(xiàn)實技術在醫(yī)學教育中的應用價值

2.1 充實理論知識的學習

VR技術有助于培養(yǎng)學生的學習興趣，拓寬學生的知識面，有效地充實理論知識學習。在虛擬實驗中學生把虛擬環(huán)境與真實相比較，在合作的基礎上進行探究，發(fā)展醫(yī)學領域的概念、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技術不僅是醫(yī)學生進行臨床實習的必要手段，也是在職醫(yī)師、專科醫(yī)師的臨床技能訓練，尤其一些新技術(如腹腔鏡手術、介入性手術等)的臨床推廣。

2.2 彌補實驗教學資源的不足

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

2.3 優(yōu)化升級軟件節(jié)省教育資源

應用VR技術，反復利用病例和場景，針對某一病理現(xiàn)象，可模擬出不同的病因，并進行相應的處理。學生以低廉的成本進行各項實踐技能訓練，掌握操作要領，強化職業(yè)技能，提高熟練程度，特別對醫(yī)務人員操作技能要求較高的前沿領域必將有更廣泛的應用，不僅節(jié)省資金，又可提高教學質(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，進行實驗內(nèi)容的變更，為學生探索式和交互式學習提供廣闊前景。

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對健康有危害的實驗，多采用電視錄像的方式來取代，學生無法直接參與并完成實驗，不能獲得感性認識。利用VR技術虛擬實驗環(huán)境和場景，學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險和危險的發(fā)生，降低操作失誤和訓練風險，增強受訓者的心理承受能力，提高訓練的質(zhì)效水平，同樣達到理想的教學效果[12-13]。

2.5 突破時間和空間的限制

利用VR技術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)給學生需要很長時間才能觀察的某些變化過程[14]。如細菌、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，有利于學生拓展視界，學習向新的領域遷移，形成知識復合和交叉[15]。利用Web提供協(xié)同虛擬技術和網(wǎng)絡平臺，還可以實現(xiàn)多人合作、遠程實驗和協(xié)同操作，為學生提供自由的學習空間，激發(fā)學生的學習興趣與熱情。

3 虛擬現(xiàn)實技術的展望

隨著VR技術的不斷發(fā)展完善，以及硬件設備性價比的不斷提高，虛擬技術必將日趨成熟，逐漸普及化、大眾化。在未來教育中，虛擬教學與傳統(tǒng)教學將并駕齊驅得到有機融合，產(chǎn)生新的虛實結合的教育教學模式，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)學教育領域產(chǎn)生深遠的影響。而VR技術作為一個新型的教育教學媒體和手段，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，并最終在教育領域應用中發(fā)揮更加重要的作用，對高教事業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生積極而深遠的影響[16]。

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