藥學專業VR交互仿真實訓中心建設和應用研究

萬春艷

(揚州市職業大學 醫學院 藥學系, 江蘇 揚州 225000)

虛擬現實[1](Vitrual Reality,VR)即利用圖像建模與傳感技術構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據完成交互和仿真學習。實訓中心是藥學教學[2]的重要板塊,是促進理論學習不斷深化的重要途徑。藥學是涉及有機化學、藥理學、藥物代謝機理、新藥研發、藥物活性的綜合性科學。藥學教學內容涵蓋了大量高花費、高損耗的大型、綜合性實驗內容,在有限的教學資源配置條件下,很多實驗受到限制。因此利用虛擬現實技術建設藥學專業人機交互仿真實訓中心,具有重要意義。

國內外學者對虛擬現實技術在醫藥學實訓中的應用展開了大量研究。美國科學家[3]將虛擬現實技術應用在手術預設規劃模型中,可讓醫生在虛擬現實環境中完成術前模擬；學者Shinbane[4]設計了虛擬藥物分解系統,探究藥物分子和病癥細胞間的作用機理。國內學者顏苗[5]將虛擬現實技術應用在醫藥學科研中,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數字技術,設計無限次循環應用藥學虛擬場景,讓學生面對各類危險性實驗操作時,可大膽實驗論證結果或完成實驗創新。

1 基于VR技術的藥學專業人機交互仿真實訓中心硬件建設

1.1 仿真實訓中心建設目標

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

1.2 硬件建設

1.2.1 仿真實訓中心平臺系統結構

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,供虛擬場景應用。為完成手動實驗操作,在虛擬仿真平臺中需要設定操控系統,并設置單桿與各類按鍵；為滿足藥物代謝動力學[9]的需求,應當根據藥物在生命體內吸收、分布、代謝與排泄的過程,綜合數學和運動學模型實時仿真代謝藥物目標的虛擬場景；為實現藥物分子學中的克隆、DNA印漬術、轉化、酶切和連接、堿法提取質粒的操作,需要實時測算分子數據,并隨時解算目標分子狀態；發酵實驗則需要隨時調整參數,并與外界發酵過程對比,實時更新數據,并調節實驗環境溫度和濕度,完成半實物仿真實驗。基于這些需求,仿真實訓中心平臺系統結構如圖1所示。

圖1 仿真實訓中心平臺系統結構

1.2.2 仿真實訓中心平臺硬件構成

仿真實訓中心平臺以經濟性、可靠性和高效性為原則,并根據圖1的系統結構,構建如圖2所示的平臺結構,其硬件設備由操控系統、具備多圖形輸出通道的可編程GPU主控設備、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 仿真實訓中心平臺用戶操作模式

使用者可按照藥學實驗要求完成可重復、具有針對性的虛擬實驗訓練。圖3給出仿真實訓中心平臺用戶操作模式原理圖。操作分為兩部分,一為藥物實驗模塊,二為用戶控制模塊,兩者間實時進行數據轉換。如圖3所示。

2 基于VR技術的藥學專業人機交互仿真實訓中心軟件建設

藥學專業人機交互仿真實訓中心軟件選用C#和MATLAB混合編碼方式編寫,針對藥物代謝動力學板塊,利用Visual Studio 2017的WinForm窗口完成數據分析,并利用MATLAB 2017a的超強運算能力,完成各藥學實驗部分的算法設計。系統分為3D藥學課程講解[10]、實驗設計和分析及設備控制三個板塊。實驗設計和分析即選用系統提供的各種算法,進行各種藥品選型、參數設置等操作,完成藥物基礎實驗、藥物合成、藥物分析、藥物代謝動力學、分子藥物學及發酵性等實驗。

2.1 藥學專業人機交互仿真實訓中心系統主界面設計

主界面的設計要便于使用者應用系統提供的各功能板塊完成對應的實驗或學習課程。Visual Studio 2017在WinForm窗口設計時采用大量控件,便于用戶應用,并可在不同功能組間切換。如圖4所示。

2.2 實驗設計和分析模塊設計

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

圖2 仿真實訓中心平臺構成

圖3 仿真實訓中心平臺用戶操作模式

圖4 主界面設計

2.2.1 離線實驗操作和分析

離線實驗操作和分析指傳統藥學實驗過程,可直接利用實訓系統所提供的虛擬現實藥物和環境完成實驗。本文的藥學專業人機交互仿真實訓中心系統,采用可視化設計[11]方式,將很多較為繁瑣的藥學實驗操作和分析過程展現給使用者。運行區主要包括菜單欄、工作欄和狀態欄。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聯實驗數據。本文的人機交互仿真實訓中心系統采用兩種方式關聯實驗數據(事件關聯和對象關聯)。當現有關聯數據較少時,可利用雙擊列表框方式進行數據處理,并對窗體設定四個選擇鍵,可對多組數據全選和單選,如圖6所示。

圖6 關聯實驗組數據提取

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場實驗設備回傳數據進行處理。本文人機交互仿真實訓中心系統軟件在在線實驗操作模式下,服務器與系統構建TCP/IP連接,并每隔40 ms給服務器發送數據,每次傳送的數據為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實驗,并在線回傳至藥學專業人機交互仿真實訓中心系統。圖8為藥物分子隨血液在身體內循環作用于各處病癥體的全身模型。

2.2.3 設備控制

設備控制主要針對半實物藥學仿真實驗,對人機交互仿真實訓中心的大型設備進行實驗控制,并將數據在線聯網上傳至實訓中心系統,如圖9所示。

圖8 藥物代謝3D全身模型

圖9 設備控制

3 藥學專業人機交互仿真實訓中心應用研究

3.1 使用者感知體驗因子設計和研究假定

藥學專業人機交互仿真實訓中心建設的目標是便于開展教學、科研任務(包括科研縱向項目和企業橫向項目),而使用者的體驗是評判實訓中心建設項目建設質量和應用質量的最佳標準。

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

圖10 使用者感知體驗因子設計

編碼研究假設La1感知易用性對藥學實驗成功率存在正向影響La2感知有用性對藥學實驗成功率存在正向影響La3感知安全性對藥學實驗成功率存在正向影響Lb1感知易用性對藥學實驗高效性存在正向影響Lb2感知有用性對藥學實驗高效性存在正向影響Lb3感知安全性對藥學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 樣本分析與問項設計

3.2.1 樣本分析

本文共發放1 000份問卷[12],其中學生875人,教師105人,各醫藥項目輔助研究人員20人(揚州大學醫藥研究所、揚州大學基礎醫學研究所),問卷回收比例100%,去除無效問卷58份,最終有效樣本數目為942份。樣本狀況分析如表2。

表2 樣本狀況分析與統計

3.2.2 問項設計

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

表3 問項設計

3.2.3 信度和效度校驗

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

表4 各變量Cronbach α

效度指問卷問項能有效測量所需數據的程度。本研究采用軟件SPSS 22.0檢測問項相關性,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 結構方程下的藥學專業人機交互仿真實訓中心應用實證研究

3.3.1 結構方程數學模型

結構方程數學模型[15]即通過參量估測,構建、評價和校驗多組因參量與自參量的因果關聯。為分析感知因子易用性、有用性、安全性和應用成本對用戶體驗的成功率高、高效和滿意度的影響,本文釆用結構方程模型完成假設檢驗。在結構方程模型中,把學生、教師、研究人員的個人、應用狀況作為環境變量調節,構建結構方程模型。

結構方程模型如式(1)和式(2):

K=Pmβ+λ

(1)

Q=Pnα+ω

(2)

式中:K為外源參量構成的參量和,λ指外源標準矯正參數,Pm指外源參量和外源潛在參量間的關聯,β為外源潛在參量構成的向量和。Q是內生參量構成的向量和,ω是內源標準矯正參數,Pn為內源參量和外源潛在參量間關聯,α是內源潛在參量所構成的向量和。

潛在參量間的關系如式(3):

α=εα+ηβ+Δ

(3)

式中:ε為內源潛在參量間的關系,η指外源潛在參量對內源潛在參量的影響度,Δ是校正參數,即結構方程未被辨識的部分。

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

3.3.2 結構化分析步驟和結果

本文對藥學專業人機交互仿真實訓中心的應用實證研究的結構化分析步驟如下。

(1) 給出結構化模型:設置初始解析式,并對常量進行分析；

(2) 辨識結構化模型:對所設定數學模型進行預設參數分析,根據模型設定,將未知解轉換為可行解；

(3) 預估結構化模型:利用最大似然法和最小二乘法進行分析；

(4) 評價結構化模型:在預估后,對結構化模型的完整狀況及單獨參數進行判斷；

(5) 調整結構化模型:若擬合狀態不好,則利用調整算法擬合。

本文利用結構化模型進行擬合參量的結構有效度評價。自由度(DOF)值越小則結果越好,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)和設定擬合標準(NFI)結果均高于0.75,則所得結果與真實狀況接近。本研究實證結果表明,結構化模型整體擬合度好,如表6所示。

表6 結構化模型整體擬合度

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

表7 路徑系數和顯著性表

注:***為P<0.001的顯著性。

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

表8 假設驗證結果

4 總結和展望

4.1 總結

藥學專業人機交互仿真實訓中心是醫學院校教育現代化與科研建設的重要支撐,是醫藥學與計算機技術的深度融合,具有強大的推廣發展潛質和應用前景,必將在教學和科研中發揮重要作用。

本文首先給出基于VR技術的藥學專業人機交互仿真實訓中心建設目標,進而分析了實訓中心的軟硬件建設,包括系統結構、平臺硬件構成、用戶操作模式、系統主界面、實驗設計和分析模塊及設備控制設計。

進而給出藥學專業人機交互仿真實訓中心應用研究,給出感知體驗因子設計和研究假定,并從使用者感知和體驗角度,從感知易用性、有用性、安全性和應用成本及成功率、高效性、使用滿意度出發進行樣本分析和問項設計,并進行信度和效度校驗。研究表明,問項均表現出較好的內部一致性和穩定性。最后采用結構方程模型進行藥學專業人機交互仿真實訓中心應用實證研究,包括結構方程數學模型、結構化分析步驟和結果。

4.2 展望

VR藥學專業人機交互仿真實訓中心下一步建設和應用方向,將是進一步推進實驗改革,完善管理機制,進行設備與資源共享。推進實驗改革是指建設與VR藥學專業人機交互實訓中心更加匹配的實驗模式,如應用VR技術篩選潛在功能性藥物,完成復雜性科研項目,培養學生參與復雜性實驗能力和創新能力。

完善管理機制則需要制定和VR藥學專業人機交互仿真實訓中心相適應的規則,并嚴格執行,保障各種醫藥學精密設備、VR設備、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,各課題組或教學實驗應用實驗資源需在實訓中心網站下載申請表,同時完善實驗室電子化監管,及時掌控庫存明細。進行設備與資源互享,即逐步實現多院校和多科研院所對大型儀器及虛擬設備、資源和數據的共享。