柯文婷

摘要：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一個(gè)巨大的、正在成長(zhǎng)的市場(chǎng)，被廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)教學(xué)，能有效地解決臨床實(shí)驗(yàn)教學(xué)模擬度低，實(shí)踐與理論教學(xué)脫節(jié)等方面存在的問(wèn)題。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能使理論型的知識(shí)學(xué)習(xí)起來(lái)更加直觀，提高學(xué)生與模擬現(xiàn)場(chǎng)的互動(dòng)程度，更好地讓學(xué)生親臨其中。更加容易把握操作類(lèi)知識(shí)的學(xué)習(xí)整個(gè)流程；其次，相較于傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，學(xué)習(xí)解剖學(xué)各臟器和各組織虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有其不可取代的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；臨床醫(yī)學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）33-0134-02

1 引言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等院校培養(yǎng)高素質(zhì)合格人才的重要實(shí)踐性環(huán)節(jié)，它是學(xué)生鞏固和加深對(duì)理論知識(shí)的理解，鍛煉在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。虛擬實(shí)驗(yàn)室在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、研究能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)等方面有著其他教學(xué)環(huán)節(jié)所不能替代的獨(dú)特作用。

醫(yī)學(xué)臨床實(shí)驗(yàn)對(duì)于各臟器和組織的解剖教學(xué)，目前只有“課本——手術(shù)臺(tái)”這種方式①，這種學(xué)習(xí)方式只能對(duì)尸體或者活體動(dòng)物解剖進(jìn)行學(xué)習(xí)，而手術(shù)的過(guò)程是不可逆的，傳統(tǒng)的教學(xué)方式不僅成本高，學(xué)習(xí)效果也不佳。一名優(yōu)秀的醫(yī)生，需要經(jīng)歷無(wú)數(shù)臺(tái)臨床手術(shù)積累豐富的經(jīng)驗(yàn)，不僅風(fēng)險(xiǎn)大，而且周期長(zhǎng)！傳統(tǒng)講授課本的教學(xué)方法，醫(yī)學(xué)的概念理論和圖片畫(huà)面，不夠直觀立體，學(xué)生不能僅僅通過(guò)閱讀就獲得相關(guān)知識(shí)，更難以理解透其中的精髓。由于現(xiàn)實(shí)條件的種種限制，觀摩手術(shù)過(guò)程來(lái)學(xué)習(xí)臨床醫(yī)學(xué)的機(jī)會(huì)更是少之又少，很多醫(yī)學(xué)生只能等去到醫(yī)院實(shí)習(xí)了，才能見(jiàn)識(shí)到規(guī)范的手術(shù)過(guò)程，這使得理論與實(shí)踐嚴(yán)重脫節(jié)。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是近年來(lái)非常熱門(mén)的多媒體應(yīng)用技術(shù)之一，是一系列高新技術(shù)的匯集，它是一門(mén)涉及仿真技術(shù)、人工智能、傳感器技術(shù)、圖像處理技術(shù)、多媒體技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以及高度并行等的綜合集成技術(shù)，還包括人的行為學(xué)研究等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)[2]。它是多種多媒體應(yīng)用技術(shù)更深層次的滲透和集成，能夠給使用者帶來(lái)逼真的體驗(yàn)，為人類(lèi)觀察由于種種原因不方便直接觀察各種微觀和宏觀世界提供了極大的便利。用戶可以通過(guò)建立虛擬模型，觀察、操縱虛擬對(duì)象，瀏覽者通過(guò)三維鼠標(biāo)、立體眼鏡、立體頭盔和數(shù)字手套等傳感器與計(jì)算機(jī)建立聯(lián)系，通過(guò)人的運(yùn)動(dòng)、力覺(jué)、觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等感知，甚至還能模擬真實(shí)的味覺(jué)和嗅覺(jué)，傳遞給人的神經(jīng)系統(tǒng)，最終產(chǎn)生一個(gè)擬人化的三維逼真虛擬環(huán)境，并與之交互。[3]

3 虛擬現(xiàn)實(shí)的軟件系統(tǒng)

3.1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)軟件系統(tǒng)組成

實(shí)現(xiàn)VR技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵在于虛擬現(xiàn)實(shí)的軟件系統(tǒng)，比起國(guó)內(nèi)，國(guó)外運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的時(shí)間要早不少。

虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言VRML（Virtual Reality Modeling Language）是一種用于建立模擬世界場(chǎng)景的建模語(yǔ)言，是基于Internet的三維網(wǎng)頁(yè)制作的主流語(yǔ)言，具有平臺(tái)無(wú)關(guān)性。VRML本質(zhì)上是一種解釋性的面向?qū)ο蟮娜S語(yǔ)言。

VRML的對(duì)象是結(jié)點(diǎn)，復(fù)雜的景物可以由結(jié)點(diǎn)的子結(jié)點(diǎn)的集合構(gòu)成，對(duì)實(shí)例進(jìn)行復(fù)用可以得到結(jié)點(diǎn)，對(duì)結(jié)點(diǎn)賦名和定義后，可建立動(dòng)態(tài)的虛擬世界。VRML標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展了新的標(biāo)準(zhǔn)X3D，X3D經(jīng)過(guò)ISO國(guó)際認(rèn)證，稱(chēng)為可拓展的三維語(yǔ)言，VRML具有以下特性：

1）應(yīng)用C/S軟件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，可以直接從Internet調(diào)入VRML程序。

2）具有多媒體特性，能夠使用VRML實(shí)現(xiàn)各種圖形視頻的制作。

3）能夠創(chuàng)建3D場(chǎng)景和造型，增強(qiáng)了的靜態(tài)場(chǎng)景，實(shí)時(shí) 3D 渲染、腳本支持。

4）實(shí)現(xiàn)感知的功能，用戶和造型可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)交互。

目前具有代表性的VR技術(shù)還有：Java 3D、Cult3D、Web3D中的X3D，還有在服務(wù)器上應(yīng)用的Su-perscape VRT、MPIVega等，它們?yōu)樵谔摂M醫(yī)學(xué)系統(tǒng)中應(yīng)用VR技術(shù)提供了工具。

3.2虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)硬件系統(tǒng)組成

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)硬件系統(tǒng)組成主要包括觸覺(jué)和動(dòng)覺(jué)系統(tǒng)、跟蹤球、語(yǔ)音識(shí)別器、感覺(jué)手套、3D聲音定域器、聲音合成器虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)生器和高性能的計(jì)算機(jī)等。

4 國(guó)外研究現(xiàn)狀

計(jì)算機(jī)輔助骨科手術(shù)（CAOS）是利用先進(jìn)的成像設(shè)備，如磁共振成像（MRI）、正電子發(fā)射斷層掃描（PET）、計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）、數(shù)字血管減影（DAS）、超聲成像（US）以及醫(yī)用機(jī)器人（MR），采用相關(guān)計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)所采集的圖像信息進(jìn)行處理，定位和標(biāo)記人體骨骼的解剖結(jié)構(gòu)，利用計(jì)算機(jī)相關(guān)算法和規(guī)則，制定最佳的手術(shù)方案。另外，在3D定位系統(tǒng)和圖像監(jiān)視下，還能在正式手術(shù)前進(jìn)行手術(shù)模擬。在骨科手術(shù)中，通過(guò)特定的引導(dǎo)系統(tǒng)，使用醫(yī)用機(jī)器人和計(jì)算機(jī)進(jìn)行手術(shù)干預(yù)，為醫(yī)生提供強(qiáng)有力的方法和工具。

Sonocard Project是德國(guó)國(guó)家信息技術(shù)研究中心開(kāi)發(fā)的一種交互式應(yīng)用軟件[4]。這種應(yīng)用軟件可以借助企業(yè)內(nèi)聯(lián)網(wǎng)或者因特網(wǎng)，進(jìn)行課堂環(huán)境下的醫(yī)療培訓(xùn)。這種培訓(xùn)產(chǎn)生的真實(shí)感讓學(xué)生能夠讓學(xué)生感覺(jué)如同在現(xiàn)實(shí)環(huán)境下進(jìn)行各種各樣的心臟病理實(shí)驗(yàn)一樣。Sonocard Project通過(guò)研究以案例為基礎(chǔ)的課程，更好地為醫(yī)學(xué)生提供心臟超聲波檢查等方面的教育和醫(yī)療培訓(xùn)。

德國(guó)的計(jì)算機(jī)與醫(yī)學(xué)數(shù)學(xué)研究所（漢堡大學(xué)），采集了人體解剖圖譜后將之?dāng)?shù)字化，并建立了的三維圖像。通過(guò)被測(cè)試者的磁共振成像和計(jì)算機(jī)斷層掃描圖像或組織切片圖片建立三維模型，利用人工智能技術(shù)，把各部位的相關(guān)領(lǐng)域知識(shí)填充到空間模型中。學(xué)習(xí)者可在建立的空間模型中進(jìn)行各種操作。[5]

美國(guó)國(guó)家圖書(shū)館從1985年開(kāi)始研究如何將人體解剖數(shù)字化，分別對(duì)一具女性尸體和男性尸體進(jìn)行0.33mm和1mm的MR和CT掃描后，將尸體冰凍之后進(jìn)行1mm薄切片后采集圖片并數(shù)字化，重建圖像的矢狀面和冠狀面映像，再壓縮數(shù)字圖像數(shù)據(jù)，建立了“可視人”。[6]

5 VR技術(shù)的醫(yī)學(xué)應(yīng)用

VR技術(shù)的醫(yī)學(xué)應(yīng)用是指對(duì)特定的醫(yī)學(xué)場(chǎng)景的真實(shí)再現(xiàn)。從醫(yī)學(xué)圖像開(kāi)始，發(fā)展到虛擬人體、虛擬醫(yī)療系統(tǒng)、虛擬實(shí)驗(yàn)室和藥物研究。虛擬實(shí)驗(yàn)室能夠突破時(shí)間、空間的限制。通過(guò)真實(shí)地還原臨床手術(shù)的現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建的虛擬實(shí)驗(yàn)室不需要考慮各種現(xiàn)實(shí)限制，學(xué)生可以突破時(shí)間限制觀察手術(shù)過(guò)程，也可以親自進(jìn)行操刀手術(shù)而不用擔(dān)心由于技術(shù)或經(jīng)驗(yàn)的不足，造成醫(yī)療事故。加深了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的印象，進(jìn)一步激發(fā)和促進(jìn)學(xué)生的思考問(wèn)題、分析問(wèn)題的能力。

5.1 手術(shù)培訓(xùn)

在臨床手術(shù)中，有80%的手術(shù)失誤都是由于人為錯(cuò)誤操作而引起，所以對(duì)臨床醫(yī)生的手術(shù)訓(xùn)練極其重要。醫(yī)生在走向真正的手術(shù)臺(tái)前，需要進(jìn)行大量的練習(xí)[7]。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)讓學(xué)習(xí)者可以不受標(biāo)本、場(chǎng)地的限制，為學(xué)習(xí)者提供一個(gè)理想的訓(xùn)練平臺(tái)。 準(zhǔn)醫(yī)生們通過(guò)觀察高分辨率的人體3D圖像，通過(guò)使用觸覺(jué)工作臺(tái)來(lái)模擬觸覺(jué)，讓準(zhǔn)醫(yī)生感受切割組織時(shí)的器械觸感，給操作者的感覺(jué)就像對(duì)真實(shí)人體進(jìn)行手術(shù)，這種培訓(xùn)既不會(huì)危及患者的安全，而且還能逼真地還原低概率高風(fēng)險(xiǎn)的手術(shù)案例供準(zhǔn)醫(yī)生們進(jìn)行重復(fù)練習(xí)，例如，通過(guò)虛擬導(dǎo)管插入動(dòng)脈的模擬器，可以使學(xué)生反復(fù)實(shí)踐導(dǎo)管插入動(dòng)脈時(shí)的操作；通過(guò)測(cè)量切口的壓力和角度、組織損傷等指標(biāo)，監(jiān)測(cè)外科手術(shù)技術(shù)的訓(xùn)練進(jìn)度。

5.2 手術(shù)預(yù)演

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以使用患者的真實(shí)數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中創(chuàng)建模擬環(huán)境，讓醫(yī)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行手術(shù)預(yù)演，可增加網(wǎng)絡(luò)功能，在外地專(zhuān)家的指導(dǎo)下工作，合理、定量地選擇最佳手術(shù)方案，減少對(duì)手術(shù)部位附近組織的損傷，提高腫瘤定位準(zhǔn)確度。虛擬系統(tǒng)可以預(yù)演整個(gè)手術(shù)過(guò)程，讓醫(yī)生在正式手術(shù)前預(yù)知可能會(huì)出現(xiàn)的突發(fā)狀況，能有效地提高手術(shù)的成功率。

6 發(fā)展與展望

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)臨床實(shí)踐方面的應(yīng)用具有深遠(yuǎn)的實(shí)踐意義。臨床醫(yī)學(xué)生在上手術(shù)臺(tái)前，借助虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，可重復(fù)模擬手術(shù)，提高操作熟練程度并制定最佳手術(shù)方案。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)雖然取得了一些研究成果，但距離推廣應(yīng)用仍有相當(dāng)大的差距。中國(guó)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)較晚起步，但隨著國(guó)家對(duì)虛擬技術(shù)的重視和投入，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)療上將會(huì)更廣泛和更深入的應(yīng)用，這將給醫(yī)學(xué)教育帶來(lái)重大變革。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 宋昌統(tǒng).虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高職高專(zhuān)計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)中的教學(xué)研究[J].信息與電腦，2015（24）：162-164.

[3] 袁超.多媒體虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用[J].視聽(tīng)界：廣播電視技術(shù)， 2006（1）.

[4] 孫秀偉.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）在醫(yī)療中的應(yīng)用展望[J].臨床醫(yī)學(xué)工程，2007（5）：17-20.

[5] 張晗.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用探討[J].西北醫(yī)學(xué)教育，2010，18（1）：48-51.

[6] 孫秀偉.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）在醫(yī)療中的應(yīng)用展望[J].臨床醫(yī)學(xué)工程，2007（5）：17-20.