虛擬現實技術在中醫教學中的應用及其發展研究

戴紅芬，肖駿，周小莉，徐孟，劉曉偉

（1.湖北中醫藥大學，湖北 武漢 430065；2.湖北省中醫院光谷院區，湖北 武漢 430073；3.武漢大學，湖北 武漢 430073）

1 引言

虛擬現實技術是一種可應用于各種不同領域的新興技術，混合了人機界面、圖形、傳感器技術、高端計算等現代科技。虛擬現實技術是通過最新的電腦科技及軟件技術手段，生成全方位多感官的認知環境，客戶可以通過一定的輸入輸出設備直接與其進行交互操作，從而可以得到身臨其境的感覺[1-3]。

如今虛擬現實技術成功應用于工程、建筑設計、飛行員和軍事訓練中，同樣地，在醫學教育、培訓和診斷中，虛擬現實技術已然已經應用于全身解剖模型、交互式三維可視化的醫學圖像、一些簡單外科手術的模擬等。傳統醫學的教學模式通常是根據教材內容順序進行講授，能夠較好地調控教學進度，同時讓學生系統地學習高度提煉、總結學科知識及理論體系，但許多教學內容相對抽象，難以用言語表達使學習者體會到位，在中醫的教學過程中，需要較詳盡的傳授醫學知識及醫學動態，尤其注重培養學習者的實踐動手能力的培養。實踐性強的教學內容在傳統的教授模式中難達到較為理想的效果。此外，實驗教學資源有限、部分醫學實驗風險性大、學者在臨床上實踐機會不多，使得中醫教育的質量和效果受到嚴重影響[4-5]。如果將虛擬現實技術用于中醫教學，給初學者搭建一個完全模擬實際情況的虛擬平臺學習系統，將對初學者的學習效果和質量起到事半功倍的效果，更能直接將抽象理論知識直接轉化為實際認知和操作，并通過三維交互使得學習者在虛擬環境中有直接參與和實踐機會，從而打破時間和空間的限制，規避真實實驗或操作的失誤對患者可能造成的影響，同時這種類型的模擬訓練可以高效的練習操作，可使學習者不斷地進行探索、判斷、分析和總結等思維活動，從而節約培訓實踐和成本[6-8]。

2 虛擬現實技術主要技術

虛擬現實能讓操作者參與并沉浸在所搭建的環境，通過交互設備，使體驗者仿佛置身于現實環境中，獲得相應看似真實的體驗。虛擬現實技術原理見圖1。

圖1 虛擬現實技術原理

虛擬現實的主要技術包括：①動態環境建模技術。該技術主要是對實體環境進行3D模型搭建，如Unity3D等引擎根據獲得實際的空間數據來搭建三維可視化的虛擬環境。其中3D數據模型的獲取可以通過人體造影成像、CAD三維建模以及非接觸式建模等技術生成。②實時三維圖形生成技術。該技術應用已經很完備了，最重要的部分是實時性的保證，為達到相應的應用效果，其對硬件刷新頻率有一定的要求。在維持3D畫面質量和復雜程度的前體下，刷新數據及視頻界面的頻率適當增加，則其畫面感會更加舒服、流暢，最優情況是在30幀以上。③立體顯示和傳感器技術。該技術是實現虛擬現實技術呈現完美的逼近現實的載體。通過當前多種先進的傳感器和顯示技術，如力反饋控制器、3D顯示器、空間定位器等等，來實現人與虛擬環境的交互，極大的提升了虛擬現實技術的應用效果和體驗。④應用系統開發工具。虛擬現實對某一個領域的應用是通過平臺進行的。開發者通過對應的應用開發工具來搭建，可以避免從原始的底層做起，提高了工作效率和應用推廣的可行性。當前，虛擬現實的開發工具軟件系統有很多。比如Virtools系列、WTK；MuliGen系列軟件是一個交互式的圖形建模系統；MuliGen-Pasadigm公司的Vega可用于實時視覺和聽覺仿真，使用簡單；SGI公司的IRIS Performer可用于生成實時可視仿真和其它交互式三維圖形應用。⑤多種系統集成技術。一個完整的虛擬現實系統，必然是通過軟硬件多系統的集成構成，融合多種技術，實現復雜功能[9-10]。

3 虛擬現實技術在中醫教學中的應用

虛擬現實技術目前在中醫學方面有所應用，比如遠程指導；其在中醫學教學中的應用主要有以下兩個方面。

3.1 中醫脈診教學 脈診是通過按壓、感覺人體特點部位的脈搏跳動情況，并據此判斷人體的一些生理狀況。其深淺沉浮變化均與臟腑功能、氣血運行密切關鍵。若臟腑氣血失和，血脈運行會受到影響，脈像亦隨之改變，故脈診可輔助了解疾病的發展及預后。

臨床上主要需掌握脈診的把脈指法、指力輕重以及每次按脈時間，才能正確進行脈診，故對經驗和主觀感覺依存度較高,長期以來影響著脈學的學習和推廣。

基于虛擬現實技術的仿真技術為傳授脈診提供了新的方式。應用該仿真技術可對脈相信息的分析模擬，科研觀察、定量診斷方面提供寶貴的根據。通過基于虛擬現實技術的可調閉環脈診平臺，能夠讓初學者在交互工具上，進行身臨其境的脈診，完全模擬實際操作。同時可通過最新的數據庫技術，將診斷信號通過算法和工具形成專家系統，將能進一步豐富脈診的科學性及虛擬現實脈診技術的指導性。

3.2 針灸教學 針灸是針法和灸法的總稱。針法針灸通過進行相應的配穴針刺治療，以通經脈，調氣血，和陰陽，平臟腑。針灸學是中醫領域不可或缺的一部分，也是現代臨床醫學診療的組成部分，針灸是通過人體的經絡、穴位知識，并通過疾病的方式位置種類，在穴位、刺激、效應這種動態關系之中選最恰當的手段來進行針灸治療，因此，針灸的掌握和研究較為復雜。

當前針灸教學所常采用的是人體塑模工具來進行，上面有粗略的人體穴位和經絡的走勢圖，但學習者還需依據文字資料和各個穴位特點來確定穴位的精準位置。傳統針灸教學當中，通過直觀的二維圖或者計算機模型觀看了解各個穴位的名稱和所在位置，然而該方式直觀性能差，學習難度大，分塊的模型不利于顯示和觀察。

基于上述分析，本文認為虛擬現實技術特點結合針灸學可以更好的幫助中醫針灸教學工作。基于虛擬現實技術的針灸教學，通過人體掃描或者核磁共振等成像技術進行建模，將穴位在虛擬的3D模型上實時的表現出來，可實現穴位三維結構表達與相關醫療功用信息顯示，如經絡循行演示、穴位定位顯示、人體模型多自由度旋轉、點穴操作實現等，使學習者易于理解與掌握。初學者在進行具有穴位顯示的3D虛擬模型上可以直接通過力反饋控制器或位置傳感器等操作，并通過3D顯示器顯示操作環境，該方式可以完全模擬針灸操作，設定多種臨床針灸治療的情形，初學者在電腦上反復練習，可有效掌握針灸學臨床思維方式和有關規律，從而提高教學質量和降低醫療風險。

4 虛擬現實技術在中醫教學中的優勢

中醫教學的傳統模式主要是課堂授學以及其他插圖，模具，以及動物實驗、尸體解剖來進行教學。由于醫學領域的特殊性，其交互方式受一定的條件限制，并具有一定的危險性。然而當虛擬現實和傳統醫學教育相結合時，可以使得醫學教育具有很強的針對性、實用性，能突破原有局限的書本化教學方式。

4.1 有助于解決中醫實驗教學資源緊缺的難題，利用虛擬現實的技術優勢創設逼真的教學情境,使學習者在系統中獲得近似于真實實驗的操作體會，該項技術的使用可以節約大量的試驗設備，樣本如試驗動物、組織等等，一次投入使用，重復利用率高，學生和老師都可以進行操作，教學、測試、分析以及進行研究。從這方面來說可以極大的解決教學資源緊缺的問題，在有關地區采用還可以緩解教育資源分布不均的矛盾。例如利用虛擬現實系統進行尸體解剖，在虛擬的尸體上進行處理，而操作者又可以實時觀察所解剖的結構，組織，并且可以進行操作、處理，浸入式的學習操作能幫忙學生提高動手能力，并且解決尸源緊缺的問題。

4.2 可以極大的節省時間。如相關的實踐操作，可以迅速開展，不受儀器設備、實驗對象、物理空間等外界條件限制，可隨時進行相關教學。又如經絡循行，這些在傳統的教學中只能依靠教師的口頭講述傳授的抽象知識，可利用虛擬現實技術的模擬，使學生詳細觀察以獲得形象生動的概念及知識，大大促進學習者對該學科的理解和掌握。除此之外，很多漫長的變化發展過程，可以通過虛擬現實技術配合當前先進的計算機運算處理技術，來模擬醫學變化的發展規律，可以直觀的進行深入的了解，而且能夠在此基礎上進行操作，打破時間的局限性。

4.3 可快速提高學習者的中醫臨床經驗和實操能力，虛擬現實技術可以充分地利用現有的計算機軟件和硬件資源，模擬各種不同的疾病和系統病狀供學生進行直觀的學習和感受，促進學習效果的進步。例如：腕踝針虛擬教學系統，可以充分地利用現有的計算機軟件和硬件資源具有病癥體驗教學模塊，可模擬臨床的不同的病癥，學習者需要選擇正確的針刺點，并完成整個扎針過程的模擬，讓學生通過練習和此系統適當的引導學習臨床醫學知識。

4.4 虛擬現實技術可大幅提升中醫學教育質量，解決傳統醫學大部分只能在書本上學習的局限性，學習者利用交互設備能夠和在現場一樣進行操作，增強了實踐性，能幫助學生熟練掌握有關醫學診療的專業技能。

5 虛擬現實技術面臨的挑戰

虛擬現實技術經過近年的快速發展，各方面性能逐步完善，其應用前景十分廣闊，但仍然面臨著一些關鍵技術有待改進和突破，在中醫學教學中的應用還處于初級階段。實際應用主要存在以下難題：①當前硬件相關的發展技術還不夠完善，設備還不夠貼合虛擬現實技術的使用要求，硬件在分辨率、刷新速度、使用便捷程度上還有待提高，并且造價昂貴，在中醫學教學中大規模推廣應用還不成熟。②當前相關的模型搭建以及系統平臺搭建還不夠完善，相關模型工作比較復雜，系統平臺軟件的開發需要大量的精力和花費，對應的編程還有待進一步開發，以及其他相關問題還有待解決。③當前效果不夠理想，虛擬現實系統運行所需的數據交換時間偏長，互動交流難以流暢進行，而力檢測及反饋技術、語音識別、人工智能等還不夠成熟，環境真實感較差，容易出現眩暈和人眼疲勞等現象，影響教學質量，同時與臨床實踐還需更加緊密結合。

6 結語

中醫教學與虛擬現實技術的有機結合，改變了傳統的教育模式，具有沉浸性、交互性、時效性以及多感知性等多種優點，但當前虛擬現實技術還處于發展階段，許多關鍵技術有待發展完善。隨著虛擬現實技術的發展，相關軟件硬件性能不斷提高，其在中醫教學領域的應用也會加更廣泛和深入，結合其它的教學模式，相互補充，可讓中醫教學方法更趨完善。

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