虛擬現實技術在研究生生物醫學實驗教學中的探索與應用

楊梅松竹，李 輝，陳金華，朱耀峰

（吉首大學 醫學院，湖南 吉首 416000）

醫學研究生教育是培養醫藥衛生人才、維護人類健康的重要環節，與醫療和教育兩個關鍵的民生問題息息相關。醫學研究生教育不僅要向學習者傳授醫學專業知識與科技前沿動態，更要注重實踐操作能力和深度學習能力等綜合素質的訓練，目的是培養具備疾病診療能力、健康宣傳能力、科研探索能力以及知識傳播能力的新時代醫生。

傳統教學模式中，能力培養的許多方面未能融入到教學實踐中去。例如，偏抽象的教學內容難以通過語言表達，實踐性強的教學內容難以在講述中實現，富于情感體驗的教學內容難以進行口頭描述。并且，由于受到時間、場地以及儀器設備等條件的制約，生物醫學實驗教學資源有限、部分生物醫學實驗危險性大、臨床實踐機會缺乏等矛盾都嚴重影響著醫學研究生培養的質量和效果。

醫學研究生實驗技能訓練和科研思維培養任務重。無論學術型還是專業型醫學研究生，本科階段由于繁重的課程學習任務，未能提前全面接觸醫學科學研究與生物醫學實驗；研究生階段由于較短的學制和較重的專業學習任務，缺乏對生物醫學實驗技能的長期系統化訓練。此外，科研思維的培養，比如如何激發醫學前沿科學知識的深層次學習，如何建立科學研究與已有醫學知識的聯系，如何尋找潛藏的臨床問題，如何謹慎地、批判性地檢驗科學假說，如何將醫學科學研究與臨床實際應用相結合等，是一個龐大而復雜的體系。

本文聚焦于生物醫學實驗技術這一支撐醫學科學研究的重要專業基礎課程，探討虛擬現實技術在生物醫學科研實驗中的應用，探索提高醫學研究生實驗技術以及激發科研思維的教學方法，為醫學研究生實踐操作技能與深度學習能力培養等問題提供新的思路和策略。

一、虛擬現實技術的基本情況

虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術即綜合利用計算機圖形系統和顯示控制等接口設備，在計算機上生成可交互的三維環境，從而提供沉浸式體驗的技術。隨著計算機科學、信息傳播、人工智能和三維重建等現代化技術的發展，VR 技術已經廣泛應用于醫學教育和臨床醫療的各個領域。VR 技術在醫學教育與實踐中的應用具有以下三個特性。（1）沉浸感。通過視覺、聽覺、觸覺和媒介對虛擬世界賦予身臨其境般地感知，創設“真實”的學習情境。（2）交互性。模擬環境內物體的可操作程度和從環境得到反饋的自然程度，構建“實踐”教學活動；（3）構想性。通過構建存在的或未知的世界用于解決實際工程問題，創造“形象”的應用環境。由此可見，VR 技術的特性可明顯增強課堂師生互動性、提高學生實踐參與度，使課堂氛圍更生動、內容記憶更深刻、知識掌握更牢固。因此，VR 技術在教育實踐中的應用將為醫學教育和研究帶來一次劃時代的革命。

近十年來，科學技術的巨大進步推動了VR 技術的迅猛發展。尤其在新冠肺炎疫情持續反復的背景下，VR技術在各個領域的應用展現出顯著優勢。VR 技術在線上教學、遠程指導、虛擬實驗、線上討論、遠程醫療等多方面的應用發揮了無可替代的作用。同時，國內外各大企業，如華為、小米、聯想、創維、OPPO、谷歌、微軟等均進入VR 技術研發領域，在VR 產業的關鍵核心軟件和硬件技術上不斷取得重大突破。為VR 技術在醫學教育和實踐中的應用提供了必要條件。

二、虛擬現實技術在生物醫學科研實驗中的應用

實踐表明，生物醫學實驗技能訓練是培養醫學研究生動手能力、創新能力和科研素質的關鍵環節，是理論與實踐相結合的橋梁。醫學研究生通過將生物醫學實驗技能與臨床專業知識進行轉化，加深對疾病發生發展規律與機制的理解，進一步提升發現和解決臨床實際問題的能力，從而實現科研更好地服務于臨床的目的。通過VR 技術的應用，強化生物醫學實驗技能、提高實驗操作技術水平、提升科研思維能力，為開展醫學科學研究打下堅實基礎。下面就虛擬現實技術在生物醫學三類實驗中的應用展開討論。

（一）虛擬現實技術在醫學形態學實驗中的應用

醫學形態學實驗對應于醫學本科教育中的人體解剖學、組織學與胚胎學、病原微生物學、病理學和臨床病理學等課程。然而，研究生教學和科研則是基于本科階段所學的醫學形態學知識在形態學相關實驗技術上的應用，主要用于組織、細胞和病原菌等研究對象的標記、定位與定量等。然而，傳統的染色類形態學實驗存在可重復性差、結果評價缺乏客觀性、圖片效果不佳等問題。將VR技術于醫學形態學實驗可以有效避免以上問題。“虛實結合”結構展示如圖1 所示。

圖1 “虛實結合”結構展示

利用VR 技術開展形態學實驗虛擬操作，實現實驗的可重復性。查閱GeneCards 和The human protein atlas 等數字圖譜網絡平臺了解目標蛋白在細胞中的定位及表達水平；借助Wiley online library、protocols.io 等實驗技術網絡平臺根據蛋白類型和細胞定位選擇合適的染色步驟和試劑；利用3DsMax 建模、VRMI 格式網絡輸出和Java Applet 等技術手段實現實驗操作模擬與通訊互交。通過綜合利用形態學相關VR 技術進行虛擬操作，實現特殊染色、免疫化學染色及免疫熒光染色等形態學實驗的可重復性，最大程度避免臨床樣本和動物模型組織切片的浪費和抗體等試劑的損耗，節省實驗條件摸索時間，提高實驗效率。

通過VR 技術構建形態學實驗結果客觀性評價體系。按照實驗目的，在掌握了實驗原理、選擇了適當的操作步驟和試劑、確定了合適的實驗條件等前提下，對組織切片進行染色。進一步，利用顯微數碼互動系統、數字虛擬組織切片掃描系統等圖像采集模塊，獲取高清數字虛擬圖像；運用Image J、ImageXpress Micro Confocal 等數字成像分析系統對數字圖像進行分析與統計。可實現石蠟連續切片同一視野、不同染色方式的圖片采集和對比分析，對不同標記類型、不同細胞定位的染色結果進行定量分析和差異比較，并呈現數字地形圖、熱圖等多種可視性結果，構建形態學實驗結果客觀性評價體系。

VR 技術極大提高了圖片展示效果。形態學研究結果的展示主要通過圖片來體現，圖像處理相關VR 技術的運用使得圖片展示效果得到大幅提升。組織或細胞免疫熒光染色可通過應用ZEN、DVM 等數字顯微鏡軟件獲得單通道圖像，并進行多通道不同組合方式的圖像合成。應用Adobe illustrator、Canvas 等矢量圖形處理軟件中黑白平衡、角度校正、降噪銳化及Flash 渲染等技術模塊，可獲得高精度、高視覺效果矢量圖。Vectra Polaris 多光譜掃描成像系統通過光譜拆分成像技術有效識別多重熒光信號，同時進行組織切片全景掃描，搭配Halo 數字病理圖像分析平臺，可獲得低光譜重疊率、高清晰度、低背景、可拆分熒光圖像，使得以多種蛋白或核酸分子為研究對象的多重免疫熒光染色技術在病灶微環境和細胞空間分布等高端病理分析技術中得到廣泛應用。

VR 技術在醫學形態學實驗中的應用極大地發揮了其“形象”的特征，超越了傳統形態學實驗的阻礙，擴大了形態學研究的探索方向，增加了實用性強的形態學技術方法，提高了形態學實驗結果的顯示效果。

（二）虛擬現實技術在分子生物學實驗中的應用

醫學科學研究相關的分子生物學實驗包括基因編輯技術、分子結構與功能分析、細胞工程技術、細胞信號轉導調控等實驗技術，涉及細胞水平、蛋白質水平、核酸水平等多個層面。存在實驗條件要求高，儀器設備貴重且操作復雜，需要使用多種有毒有害試劑，實驗結果難以預測等問題。而這些問題均可通過VR 技術得到很好的替代和補充。

基因編輯技術以及基因組、轉錄組和蛋白組等多組學研究相關的實驗儀器設備貴重且操作復雜。MinION、OmicsDI 和TARGET 等數據挖掘和數字可視化綜合組學分析平臺在多組學研究中的運用，可多狀態、多維度精準檢測出關鍵致病基因并分析其表達調控方式，使得通過CRISPR 基因編輯工具干擾或刪除關鍵基因從而闡明其生物學功能成為可能。Signosis、Chromium 等單細胞基因表達分析技術的應用，能夠在單細胞水平上對基因表達水平進行測定，從而鑒定細胞類型和狀態、定量細胞群體異質性、動態了解細胞躍遷、篩選用于功能研究的關鍵候選基因。

分子空間結構和互作功能分析是研究蛋白質、核酸等分子結構與功能的實驗技術。采用VR 技術進行模擬計算可以對目標分子的結構和功能進行模型構建和結果預測，既能獲得可靠的分子模型和預測結果，又能大幅度減少有毒、有害試劑的使用。比如，Discovery Studio、SDSCI 和3D-JIGSAW 等同源建模法即利用已知蛋白序列預測同源蛋白質結構，通過結構分析揭示蛋白質功能等模擬計算的方法預測蛋白質的空間結構和生物學功能；AutoDock、ZDOCK 和RosettaDock 等分子對接工具可以對蛋白質與蛋白質之間、蛋白質與DNA 或RNA 之間的相互作用進行模擬計算；此外，還可以通過Discovery Studio、NAMD 和GROMACS 等分子動力學平臺構建蛋白質分子模型，通過研究蛋白質內部運動和構象動態變化了解蛋白質的特性和生物學功能。

細胞工程技術是指利用工程學技術在細胞水平或細胞器水平對細胞進行遺傳學改造，實驗條件要求高。采用基因克隆計算機輔助設計、DNA 或基因合成、轉基因等技術進行基因表達與細胞信號轉導調控網絡、完整基因組和細胞的人工設計與合成，模擬細胞工程學改造過程，獲得特定遺傳性狀的細胞模型。利用Sholl Analysis 和Imaris software 等模擬計算軟件，通過基因表達分析與信號轉導調控預測信號轉導過程中的關鍵調控分子，通過對相應抑制劑的模擬篩選預判關鍵分子是否具有成為治療靶點的潛能，從而分析研究其可行性。

基于VR 技術開發的各項分子生物學實驗模塊，可以讓學生不受時間、場地、儀器設備、實驗試劑等條件的制約，通過反復模擬實驗過程、優化實驗步驟、分析實驗結果，幫助研究生更好地探討、闡述、證明相關科學問題，進而提升研究水平。各小組總結匯報如圖2 所示。

圖2 各小組總結匯報

（三）虛擬現實技術在醫學機能學實驗中的應用

目前，VR 技術作為虛擬仿真技術的重要組成部分已經廣泛應用于本科醫學機能實驗教學中空氣栓塞、高鉀血癥和失血性休克等經典驗證性實驗。而針對科學研究涉及的機能學相關實驗研究，尤其是行為學、藥理學、腫瘤學等醫學研究重要指標，VR 技術應用較少。研究生可借助醫學虛擬仿真實驗平臺，利用基于VR 的醫學機能學實驗設備，開展科學研究相關的動物體內實驗。

相比傳統行為學實驗，VisuGait、KWB 等動物步態分析系統可對動物行走過程的足印信息進行清晰地采集，對動物足跡的步行周期、支撐距離、支撐時長、擺動時長、制動時長、步頻等多項指標進行自動識別和分析，提供單只腳爪獨立“病態”曲線，客觀而精確地反映動物步態變化情況；曠場實驗通過搭載VisuTrack 視頻采集和SuperMaze 動物行為分析等軟件，自動采集和比較動物在靜止、緩慢運動和快速運動等三種狀態的時間差異分析動物自主運動能力，利用熱圖、矩陣圖顯示動物在曠場不同區域所待時間、尿便次數、直立次數和修飾次數等行為評估動物焦慮相關情緒行為；以全形態識別技術為核心的Gene&I 水迷宮分析系統，通過四部位定位檢測動物在水迷宮轉圈行為、與平臺夾角、離平臺距離等參數，更加全面、客觀評價動物學習記憶能力。

虛擬仿真實驗是在沒有實體動物、試劑、儀器等情況下，基于計算機虛擬現實和仿真動畫技術建立網絡化虛擬實驗室，構建互交式、動態操作、可多角度和多層面觀察與操作的虛擬實驗環境。VBL-100、BHW-CS 等虛擬仿真實驗系統能夠模擬藥物體內轉化、藥物代謝動力學和藥物毒理性等整個藥理學實驗流程，通過反復地無實物訓練，熟悉動物實驗的各項基本操作，掌握實驗的原理及重點。進一步，采用虛實結合的模式，為后續的實驗動物研究、創新性實驗設計、自主操作手法和準確預測結果等提供學習與訓練平臺。

在腫瘤學動物體內實驗研究過程中，小動物超聲成像、活體成像等影像學技術被廣泛應用于致瘤、轉移、耐藥等方面。IVIS Spectrum、Perkinelmer 等小動物活體成像系統既可實現對熒光、生物發光和切倫科夫輻射等多種發光信號的成像檢測，實時觀察基因表達水平、細胞動態變化、腫瘤增殖轉移等生物學過程；又可通過模擬算法對成像結果進行三維重建，進行無創性活體動物體內光學信號精確定量和定位；并融合3D 成像技術與不同模式的三維影像系統，實現功能性成像與結構性成像的有機結合，進而對腫瘤在體內的發生發展過程進行實時、動態、精確的可視化監測和分析。

通過VR 技術在醫學機能學實驗中的應用，有利于高效和標準化的培養研究生行為學、藥理學和腫瘤學等體內實驗操作技能，減少實驗過程中人為因素導致的偏差，提高研究結果的可信度和精確性；有利于改善傳統實驗教學過程中，由于研究生操作手法不標準、試驗流程不熟悉導致的動物意外死亡風險，并降低被動物抓傷、咬傷等生物安全風險；有利于在虛擬環境下分析和判斷實驗結果的過程中，激發研究生的科研興趣，鍛煉其科研思維，為后期實際操作打下堅實的基礎。總之，將VR 技術應用到醫學機能學實驗教學中，可以更高效地訓練研究生實驗技能和科研思維等綜合能力。

三、結束語

利用VR 等信息技術輔助教學是我國面向21 世紀高等教育改革的一項重要策略，對推動和培養具有獨立思維和創新精神的高素質人才具有重要作用。VR 技術應用實驗教學能生動形象地表現復雜的實驗內容，能全面營造逼真的實驗操作環境，能有效提高研究生探查科研問題的效率，進而幫助教學者更清晰、更明了地表述實驗原理和研究目的，幫助學習者更直觀、更充分地理解研究指標與研究目標之間的關系。因此，在本科生教育和研究生培養過程中都值得廣泛應用。

然而，VR 技術在教學實踐的應用與探索過程中也存在一些問題。（1）VR 技術對軟硬件的要求較高。需要對應的平臺和系統的支撐，要達到理想的教學效果需要建立多套差異化的計算系統。（2）缺乏全面、細致的醫學實驗虛擬教學研討平臺。生物醫學實驗種類繁多，且隨著醫學技術的發展還在不斷推陳出新，建立一個中國特色的虛擬實驗教學與研討體系是一項龐大而影響深遠的系統工程。（3）醫學生學習目的偏離。與傳統實驗教學相比，VR 技術使得醫學生學習的自主性和靈活性大幅提升，但對于深度學習能力不足的學生，無制約的自主學習會迷失方向，導致知識體系碎片化。如果缺乏專業老師的引導和管理，無法達到理論和實踐相結合的教學目的。

綜上所述，在生物醫學實驗技術教學實踐中，亟需構建基于VR 技術與實體教學實驗有機結合的教學模式，實現VR 技術與醫學教育內容融會貫通的深化和改進，摸索培養醫學生發現問題、解決問題的能力。盡管在前期教學實踐中取得了一些成效，但如何進一步系統發揮VR 技術的綜合優勢，持續提高VR 技術在教學應用中的疊加效果，促進醫學人才培養質量的提升，是我們一直努力的目標。