醫學教育中虛擬現實技術的整合運用研究

何蕙香　胡清福　鄭珊虹　杜振雙

[摘要] 隨著科技的進步，我國醫療水平也正迅速發展。近些年，虛擬現實技術（VR）的發展與使用正以快速的步伐改變著醫學教育模式。該項技術主要通過仿真技術與多媒體技術相結合，形成生動、逼真的虛擬環境，用戶能夠在虛擬環境中用自然的方式進行體驗，從中獲得身臨其境的感受。如今，計算機技術在各個領域中得到普及，我院在教學中廣泛應用虛擬現實技術，并取得了較好的成效。本文介紹虛擬現實技術的特點與種類，探討該項技術在醫學教學中的應用價值。

[關鍵詞] 醫學教育;虛擬現實技術;交互性;輔助治療

[中圖分類號] G434? ? ? ? ? [文獻標識碼] B? ? ? ? ? [文章編號] 1673-9701（2020）25-0155-04

A study of the integrated application of virtual reality technology in medical education

HE Huixiang? ?HU Qingfu? ?ZHENG Shanhong? ?DU Zhenshuang

Department of General Medicine，the Second Affiliated Hospital of Fujian Medical University，Quanzhou? ?362000，China

[Abstract] With the progress of science and technology， the medical level of our country is also improving rapidly. In recent years， the development and application of virtual reality（VR） technology are changing the medical education mode at a rapid pace. This technology mainly relies on the combination of simulation technology and multimedia technology to form a vivid and lifelike virtual environment， in whichthe users can get experiencesin a natural way and feel personally on the scene. Nowadays， computer technology has been popularized in various fields. VR technology has been widely applied in teaching in our hospital， which has achieved good results. This paper introduces the characteristics and types of VR technology， and explores its application value in medical teaching.

[Key words] Medicine teaching; Virtual reality（VR） technology; Interactivity; Adjuvant therapy

近些年，虛擬現實技術（Virtual reality，VR）作為一項新技術正廣泛應用于教育、醫療、軍工以及娛樂等行業中。目前，醫學教學虛擬現實技術正逐步形成，其是將醫學、生物力學、材料學、計算機圖形學、機械學、計算機視覺、機械力學機器人以及數學分析融為一體的新型交叉研究技術[1-2]。與其他教育相比，醫學教學不止涉及醫學知識，還要將醫學領域的最新動態與學生的動手能力相結合。而虛擬現實技術正結合了醫學教學的特點，通過虛擬性、互動性等特點將有限的實驗資源與抽象的教學內容變得更形象、更真實，我院應用虛擬現實技術在進行教學的過程中發現學生學習的積極性有所提高，該項技術能夠激發學生的興趣，提高其想象力與感知能力，可更好地提高教學質量[3-4]。而隨著科技的進一步發展，虛擬現實技術在醫學教育領域中不斷滲透，未來也必將成為醫學教育技術的發展趨勢。

1 虛擬現實技術的概述

1.1 虛擬現實技術（VR技術）

主要依靠計算機技術，將仿真技術、傳感技術以及圖形學等相結合形成一個逼真的感官世界，讓使用者通過自身的聽覺、視覺、嗅覺等對虛擬世界進行交互、感知等，也是一種模擬真實的體驗。隨著互聯網與大數據的應用，這項技術早已應用于軍事、生產、醫學等領域中[5]。現階段，虛擬現實技術正處于應用階段，在醫學領域中的應用也逐漸增多，如醫學教學、康復、輔助治療等。

1.2 虛擬現實技術的種類

VR技術是一個接近現實世界的一種虛擬環境，使用者可通過聽覺、視覺、嗅覺等感受到逼真、立體的感受，還能與其進行交互活動。虛擬現實技術包括以下幾類：

1.2.1 桌面式虛擬現實? 桌面式虛擬現實系統通過計算機圖像技術生成一個模擬3D空間，使用者可通過鼠標與鍵盤進行人機交互，但是在使用時會受到外界干擾，只能進行簡單的選擇、旋轉與拖拽等操作，與真實環境進行互動還有一定差距。

1.2.2 沉浸式虛擬現實? 該技術通過多媒體技術、傳感技術與計算機3D圖像處理技術，使用者借助虛擬現實手柄、手套、三位位置傳感器等輸入設備及電腦顯示器、耳機、頭盔顯示器等輸出設備與虛擬空間進行交互。與桌面式虛擬現實技術相比，其具有交互性、感知性以及沉浸感較強[6-7]。

1.2.3 增強式虛擬現實? 該技術將真實環境與虛擬3D對象相結合，是沉浸式虛擬現實技術的變體。通過頭盔顯示器與手套等設備加強了使用者的真實感，同時還具備實時性、互動性、虛實結合等特點。

1.2.4 分布式虛擬現實? 該項技術又被稱為數碼錄像機（Digital video recorder，DVR），也是一種虛擬現實系統，通過網絡，將位于不同物理環境的多個虛擬環境或多個使用者相互連接。若多個使用者同時進入一個虛擬現實環境，也可以利用計算機與其他的使用者相互連接并進行信息共享。在分布式虛擬現實系統中，多個使用者可以借助網絡在同一個虛擬環境中操作和觀察，可達到相互協同工作的目的[8-9]。可以說，這是一項能夠支持多個使用者通過網絡進行實時交互的技術，任何一個使用者都能夠借助計算機網絡，通過虛擬現實環境與他人進行交互并進行信息共享。

2 醫學教學中虛擬現實技術的應用

2.1 VR技術在醫學教學中的優勢

醫學教學的實驗對象較為特殊，專業名詞較多，結構較復雜，傳統的教學多為理論教學結合實驗教學，常使用教科書、多媒體課件、教學模型、標本等教學資源，這些只能呈現出二維平面圖像，缺乏立體效果，無法滿足學生的教學需求，調動不了學生學習的積極性，而虛擬現實技術很好的克服了這些不足之處。通過VR技術，一臺計算機就可顯示出3D立體效果，既彌補了標本不足的問題，還能讓學生更直觀、更靈活的掌握知識[10-12]。其中，在進行基礎醫學實驗時，一些仿真軟件能夠幫助學生進行實驗與操作前的指導工具，模擬實驗操作的過程，讓學生能夠無限制的進行虛擬操作演練，教師從旁指導，不僅能夠降低實驗風險，還能提高教學質量。

2.2 VR技術在醫學教學中的運用

2.2.1 用于醫學理論教學? VR技術改變了傳統的醫學理論教學模式，以往醫學院校教學多以課堂教學為主，教師口頭教授、板書結合手勢進行演示，再以模型、掛圖、標本等作為輔助教學工具，再使用解剖或動物實驗加深學生的印象，提高學生的動手實踐能力[13]。而這些并不能滿足學生的學習需求，近些年，多媒體教學將圖像、聲音、視頻、文字等相結合，呈現出更新穎、生動活潑的教學方式。而虛擬現實技術的使用則打破了以往的教學模式，我院在教學中使用VR技術進行輔助教學。將人體各器官的生理學與解剖結構等教學模型存儲于數據庫中，使用時可隨時取出展示，運用這種方法后，能夠將我院以往無法進行的實驗項目得以開展，不僅減少了我院的教學經費，還能讓學生更全面的掌握理論知識，調動學生的積極性，激發學生的興趣，提高其想象力與創造思維能力[14-15]。

2.2.2? 用于醫學實驗教學? （1）建立合成藥物分子結構模型。VR技術可讓研究人員測試不同新藥物的特性，通過虛擬仿真器使研究人員直觀看到或感受藥物分子與其他生物化學物質相互作用影響的過程，我院使用VR技術減少了反復試驗所帶來的污染與實驗人員的損傷，還加速了藥物的研發過程[16]。（2）實現虛擬人體。利用VR技術可模擬人體的各部位、器官以及功能等，不僅能夠模擬人體的骨骼、動力學、大腦結構、功能、人臉、神經、器官、心臟等，還可通過計算機生成的三維人體模型模擬整個的治療過程，學生可通過這項技術進行臨床基本操作的訓練[17]。如教學過程中最常見的是人體解剖教學，我院在教學過程中，通過虛擬現實技術，建立了一套完整的教學系統，包括操作與評價系統。學生通過虛擬現實技術獲得三維立體的視覺感官，不僅能夠看到人體各器官、血管、骨骼等細微的解剖結構以及所處的空間位置，還能夠通過這項技術進行360°任意軸面的旋轉，方便學生在腦中呈現三維立體概念。這項技術的應用彌補了我院以往在教學中存在的感官缺陷，學生好評度也較高。（3）模擬診斷與治療。我院在進行放射診斷的教學中，教師在虛擬環境中利用三維小器械在有意義的部位做標記，不僅不會影響到原始數據，還方便了研究，對診斷某些疾病具有重要的意義。在進行腫瘤高劑量放療過程中，難免會損傷到周圍組織器官，而利用VR技術可減少這種傷害，通過為虛擬患者制訂放療計劃，將目標區域細致的展示給醫生，并將不同部位理想的照射劑量進行計算，還能夠調整劑量，優化方案，將放療造成的損傷降到最低[18-19]。（4）虛擬外科手術。虛擬現實技術可為外科醫生提供外科手術仿真器，讓醫生在進行復雜的外科手術之前能夠反復練習，練習后將其運用到實際手術中[20]。如神經外科手術難度較大，培訓的過程非常耗時，并且很難重復培訓。我院在此項培訓中應用了虛擬現實技術，將患者頭顱與血管影像進行重構，再通過系統提供的移動、切割等工具模擬手術的全過程，如切開頭皮、鉆顱骨以及打開骨窗等過程，不僅全程模擬了真實的神經外科手術過程，還讓學生通過重復操作熟練掌握這項手術的操作過程。此外，這項技術不僅能夠讓醫生對各種不同病例進行聯系，還能夠根據某個患者的特點生成真實三維人體模型，為提高手術成功率做出了巨大的貢獻。對于我院的學生而言，虛擬外科手術可為其提供更多的手術演練機會，對提高其手術操作技能具有良好的效果[21]。

虛擬現實技術是集視、聽、觸、嗅、運動等感覺于一體的交互式虛擬環境，使用者通過傳感、交互、跟蹤以及顯示設備，可從任意角度與虛擬環境中的人或物體進行交互，其感受真實，仿佛身臨其境一般。而醫學是實踐性極強的一門學科，實驗幾乎貫穿了整個醫學教學過程，但是，實驗教學質量卻受到一定因素的影響，虛擬現實技術作為一種新型的教學手段應用在醫學教育中，受到了教育界的高度重視與關注。該技術能夠應用在基礎醫學教育教學、臨床醫學教學、中醫教學、醫學遠程教育等教學領域中，不僅能夠滿足醫學教學改革的需要、學生學習的需要、現代社會對教學媒體發展的需要，還能夠對發展、探索現代教育思維、提高醫學教育技術及水平、改善醫學教育實驗環境、優化教學過程以及培養具備創新能力與創新意識的人才產生重要的價值。傳統的教學方式很難將醫學教育中實踐性較強、較為抽象的內容直觀的展現給學生們，利用虛擬現實技術，將其引入醫學教育中，構建醫學虛擬教學系統能夠彌補這些不足。不僅能夠突破空間與時間的限制，將原本抽象的內容變為直觀，有助于學生理解，同時，運用虛擬現實技術的交互性，能夠將知識與技能有效的傳達給學生。

本文主要介紹了虛擬現實技術的內容、種類，以及這項技術在醫學教育中的應用，由此可見，虛擬現實技術應用在醫學教育領域有助于學生掌握醫學知識，原本抽象、枯燥的醫學內容通過虛擬現實技術展現出來，可調動學生的積極性，激發學生的學習興趣，促進了學生個性化學習，提高學生自主學習能力，學習成績與教學質量均有較大的提高。但是這項技術應用于醫學教育中也存在一些不足之處，該教學系統開發周期較長，現階段，我國醫學教育中使用虛擬現實技術尚處于發展中階段，很多技術方面的開發工具及資料較為有限，因此，仍需要多方共同努力，完善這項技術在醫學教育中的應用。

總而言之，在醫學教學中應用虛擬現實技術能夠彌補傳統教學中缺乏實驗設備、實驗經費以及實驗場地等教學資源方面的不足，通過虛擬現實技術，能夠讓學生親身體驗各種實驗，對提高其醫學理論知識與實踐動手能力有著積極的意義，不僅能夠加深其對教學內容的理解，還能提高整體教學質量。此外，虛擬現實技術能夠有效避免真實情境中危險，對于一些兇險的、罕見的病癥，可反復進行演練，可提高麻醉學、急救醫學等臨床技能。隨著虛擬現實技術的不斷發展與完善，該項技術在醫學教學中已日漸普及與成熟，將在醫學教學領域中得到更廣泛的應用。同時，這項技術為醫學教育領域注入了新的活力，也將為現代教育帶來新的挑戰與機遇。

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（收稿日期：2020-03-13）

[基金項目] 福建省科技計劃項目（2019Y0027）