榮康 李祥林 殷志杰 王帥 劉泉源 王文

醫(yī)學影像被稱作現代醫(yī)學的“火眼金睛”，在疾病診斷和治療過程中起著不可替代的作用。醫(yī)學成像技術和影像診斷水平的高質量發(fā)展依賴于高素質醫(yī)學影像人才，當前醫(yī)學影像專業(yè)人才培養(yǎng)過程中，仍然存在著時間、空間和學習資源緊缺等多種困難[1]。虛擬現實（virtual reality，VR）技術是基于計算機、多媒體和通訊等科學技術而快速發(fā)展起來的新一代信息技術。通過VR 技術構建“醫(yī)學影像中心”和“醫(yī)學影像設備”等虛擬仿真教學模型和場景，結合科學的教學流程及實驗設計，能夠解決醫(yī)學影像教學中場地受限、設備貴重、使用維護成本高、無法拆解演示等多種教學難題。VR 技術在醫(yī)學影像專業(yè)理論和實驗教學中的應用，能夠豐富教學形式，提升學生學習成效，切實提高教育教學水平和人才培養(yǎng)質量。

1 VR 技術在醫(yī)學影像教學中的優(yōu)勢

VR 是一種融合了多種信息技術的人機交互系統(tǒng)，它利用硬件設備收集使用者行為，通過計算機處理并生成數字化環(huán)境，將所生成圖像和反饋實時輸送至使用者的頭盔或眼鏡式顯示器中[2]。VR 技術的突出特征是具有沉浸性、交互性、多感知性和構想性，使用者不僅能夠通過VR“身臨其境”地感受虛擬世界場景，還可以通過反饋設備與虛擬空間中的人和物進行交互，獲得逼真的體驗和經歷，展現出諸多優(yōu)勢[3]。

1.1 打破教學空間和時間限制

VR 具有沉浸性和構想性，根據不同階段學習需求，VR 技術既能夠再現醫(yī)院實景，又可以創(chuàng)造特定的虛擬學習場景[4-5]。學習者不需踏入醫(yī)院，就可以通過VR設備“身處”醫(yī)院環(huán)境中，獲取“真實”的觀感和操作體驗，突破了時間和空間等客觀條件限制，拓寬學習和認知界限[6]。

1.2 靈活多變的教學形式

VR 虛擬環(huán)境具有交互性和多感知性，學生和教師可以通過視覺、聽覺、觸覺等感知方式感受虛擬教學環(huán)境中的事物，近距離、多角度觀看三維演示，有類似實物的觀感和操作、實訓體驗[7]。在VR 場景中加入指引、提示和測試環(huán)節(jié)，學習方式靈活多變，學生由知識被動灌輸轉變?yōu)橹鲃芋w驗和投入，更大程度激發(fā)學習的趣味性、積極性、主動性。

1.3 更直觀的學習過程

傳統(tǒng)影像教學過程中，由于場地和時間限制、輻射防護要求嚴格，學生到醫(yī)院現場體驗影像科醫(yī)生和技師的操作的機會非常少。然而唯有深入醫(yī)院和醫(yī)療一線，才能使學生高效獲取知識，快速提高醫(yī)療技能。利用新一代信息化教學手段，學生僅需穿戴VR 設備即可有置身醫(yī)院一般體驗，反復練習設備操作，練習醫(yī)患溝通技巧，高效獲取學習要點，培養(yǎng)職業(yè)素養(yǎng)能力。

2 VR 技術在教育教學中的應用現狀

VR 技術在教育中的應用，國外起步較早，發(fā)展相對成熟。如美國z Space 教育系統(tǒng)可使用觸控筆操作移動VR 顯示器上的3D 虛擬教學模型，并配合3D 眼睛觀看，觀感生動立體，已經被廣泛運用在科技、工程、藝術等學科的課內外教育中，并在世界范圍內推廣。華盛頓大學數字解剖學家系統(tǒng)、德國VOXEL-MAN 虛擬人系統(tǒng)被多個國家運用在解剖教學中[8]。2018 年，強生醫(yī)療專業(yè)教育學院發(fā)布VR 骨外科培訓項目，包含關節(jié)置換、骨折治療等多個實訓模塊，在醫(yī)護人員技能培訓中使用成效顯著。

近年來，我國高校不斷加快實驗教學信息化建設，虛擬仿真實驗室建設、虛擬教研室建設等被納入教育信息化國家戰(zhàn)略。隨著5G 網絡等“新基建”快速建設，VR 技術與云計算、人工智能等新技術共同推進了教育教學改革，成為我國教學信息化革命的有力工具[9-12]。重慶醫(yī)科大學打造了VR 實驗室，能夠模擬多種實驗教學環(huán)境，結合有效的教學手段，改進了教學過程，發(fā)揮學生的實踐能力[13]。聯(lián)想集團、網龍華漁等公司聯(lián)合高校，開發(fā)了多款VR 教室產品[14]。王思瑤等[15]將VR 運用在醫(yī)學生心肺復蘇術（cardiopulmonary resuscitation，CPR）培訓中，證明VR 技術能提高學生學習興趣和主動性，提高學生的CPR 學習效果和操作水平。左俊等[16]將VR 技術應用于骨折急救培訓中，結果證明VR沉浸式教學在骨折急救培訓中能充分調動學生積極性、顯著提升學生實踐能力和提高教學效果，具有良好的應用前景。何威震等[17]運用3Ds Max 建模技術、Unity 3D 平臺與Vuforia AR 技術，設計包含設備拆裝、結構原理與故障教學等多項功能的醫(yī)用直線加速器虛擬仿真教學系統(tǒng)，并證實了其對于學習效果具有提升作用?？梢?，我國的VR 教學雖然處于發(fā)展初期，卻有百花齊放之勢。

3 醫(yī)學影像VR 教學探索

3.1 醫(yī)學影像專業(yè)教學困境

醫(yī)學影像專業(yè)教學實踐中，主要困難有以下幾點：（1）醫(yī)學影像理論知識涉及到數學、物理、機械、計算機等多學科交叉，成像原理知識復雜抽象，理解難度較大。（2）理論知識與臨床應用的銜接不夠緊密，復雜理論往往難以得到具體演示。（3）人才培養(yǎng)過程中重視技能與實踐，學生需要鍛煉影像設備操作、解決臨床問題和醫(yī)患溝通等綜合職業(yè)能力。學校和教學醫(yī)院需要開展充足的實踐學習和技能訓練，對教學條件、硬件和師資都提出了更高要求。（4）醫(yī)學影像設備多為大型精密設備、價格昂貴，在醫(yī)療中使用頻率高，由于時間、空間和放射類設備的防護要求限制，學生很少獲得操作設備的實訓機會。（5）醫(yī)院中的設備和物資首先要保障醫(yī)療的需求，然后才能夠用于醫(yī)學教育，學生實習實訓時會占用一定的醫(yī)療資源。

3.2 VR 技術在醫(yī)學影像專業(yè)教學中的實踐

通過深入醫(yī)院、影像設備生產企業(yè)調研，將影像設備及其內部結構和臨床應用場景數字化建模，研發(fā)出醫(yī)學影像中心VR 教學系統(tǒng)、醫(yī)學影像設備學、醫(yī)學影像成像理論教學系統(tǒng)等多種VR 教學軟件，應用理論實驗一體化教學、混合式教學和學生自主學習相結合教學模式，能夠有效解決醫(yī)學影像專業(yè)教學中的難點。

“醫(yī)學影像中心VR 教學系統(tǒng)”綜合了多個三甲醫(yī)院影像科、超聲科、介入科、核醫(yī)學科和放療科的科室布局和設備結構，融入醫(yī)學影像學設備學、醫(yī)學影像檢查技術和輻射防護知識點，包含數字化X 線攝影（digital radiography，DR）、計算機斷層掃描（computed tomography，CT）、磁共振（magnetic resonance，MR）、數字減影血管造影（digital subtraction angiography，DSA）、正電子發(fā)射計算機斷層顯像（positron emission tomography-computed tomography，PETCT）等多種常見醫(yī)學影像設備。學生可通過VR 頭盔進入虛擬的醫(yī)學影像中心場景中，使用VR 手柄在虛擬場景中實現漫游、設備操作等人機交互動作。本教學系統(tǒng)可用于新生入學教育，增強職業(yè)認同感；臨床技能培訓、練習和操作，不占用醫(yī)療資源，不受時間限制；人文素養(yǎng)與思政教育，學習醫(yī)學影像歷史文化、醫(yī)患溝通技巧；拓展訓練，事故模擬，加強醫(yī)療安全教育。

“醫(yī)學影像設備學VR 教學系統(tǒng)”通過VR 復現難以輕易拆解、體積龐大、結構精密的醫(yī)學影像設備內部結構，學生可使用VR 眼鏡近距離觀察CT、MRI、DR 等設備的3D 模型，使用VR 手柄實現虛擬設備拆解交互，虛擬設備結構標注有名稱和功能、參數講解。該系統(tǒng)既能幫助教師課堂演示，也可用于學生課后自主學習。

針對醫(yī)學影像技術和生物醫(yī)學工程等專業(yè)的學習要求，設計醫(yī)學影像設備安裝與維修實驗模塊，學生通過多人協(xié)同式VR 設備進入虛擬空間中學習、體驗影像設備安裝和故障維修等操作，還可用于解決工程師培訓、技能考核等需求。

4 VR 教學難點分析

4.1 缺乏真實感與實物感

筆者在VR 中感知到的環(huán)境都是計算機生成圖形數據，而非真實存在的物體。學生練習操作時只能看到設備的移動和變化，并不能真實觸摸到設備和器材。虛擬與現實之間的感官差距，容易導致學習者“出戲”，心里真實感不足[18]。

4.2 學習資源缺乏，學習與交互過程較為固定

由于VR 技術在教學中的普及程度不高，相關課程和教學內容的數字資源仍不夠完善，已有課程分散、呈碎片化，沒有形成成熟的教學體系。VR 實驗步驟固定、靈活性差，無法完全模擬真實醫(yī)療環(huán)境中的多種未知狀況。

4.3 師生的間交流與互動過程受限

頭戴式VR 顯示器使人沉浸在計算機虛擬環(huán)境中，無法實時觀察現實環(huán)境，教師和學生之間缺乏表情、動作等交流方式，將導致教師與學生之間的交流和互動受到一定限制。

4.4 對教師教學技能要求較高

VR 教學過程中教師不僅要講解知識，還需要進行操作演示和引導、故障排除等，更重要的是保障學生使用VR 時的安全。新的教學方式需要教師熟練掌握VR 的使用方法，快速更新教學理念，提高教學技能。

5 解決方式及對策

針對VR 教學系統(tǒng)當前存在的問題，還需不斷嘗試和探索，通過多種技術手段統(tǒng)籌解決，以促進其更好地發(fā)揮優(yōu)勢。

5.1 升級硬件，增加人機交互形式

通過反饋手柄和數據手套以及定制化的互動設備，加強虛擬環(huán)境中操作者與物體的交互觸感、豐富交互形式，以達到更大程度的仿真體驗。例如在握持虛擬物體時，反饋手套可給人手一個反作用力或振動，使操作者的手部具有握持感和觸碰感。

5.2 優(yōu)化軟件場景，豐富學習資源

不斷細化VR 虛擬場景中的細節(jié)，完善場景真實度，以建立完整的課程數字資源。加強教學系統(tǒng)中不同的實踐模塊之間的關聯(lián)，使其豐富的模塊之間緊密關聯(lián)、自然過渡，形成完善的課程體系。

5.3 打破固定操作步驟，增強學習過程隨機性

在VR 實訓操作場景中設計可能出現的隨機事件，根據真實情況設定不同的觸發(fā)概率，使得每次學生進入學習系統(tǒng)中時都能夠出現不同的操作模塊和參數，提高學習挑戰(zhàn)度。學習過程中設計突發(fā)情況及醫(yī)患溝通案例等，使學生在學習專業(yè)知識的同時能夠獲得思政教育、提高人文素養(yǎng)。

5.4 加強師資培訓，更新信息化教學理念

加強VR 知識普及、教師教學技能培訓，定期在校內外面向各專業(yè)師生開展VR 影像中心體驗活動、VR 教學技術師資培訓等，實現在加強專業(yè)知識科普和教育的同時，推進VR 在教學中的應用。

6 總結與展望

高等教育的快速發(fā)展離不開信息技術的推動，加速新一代信息技術、通信技術與教育的深度融合是促進中國教育事業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇。VR 技術在我國尚處于起步階段，各行各業(yè)對其理解還未足夠深入，應用還不夠廣泛。通過初步探索，證明了VR 技術在醫(yī)學影像專業(yè)教學中的應用展現出很多優(yōu)勢，同時也存在許多難點有待進一步突破。通過VR 技術在醫(yī)學影像專業(yè)中的研究與實踐，表明新一代信息技術應用于教育教學中能切實提高教學質量，是一種解決教學難點和痛點的新途徑，并可拓展和復制到多學科、專業(yè)教學中。未來，筆者還將繼續(xù)深化信息技術與教育教學的融合，不斷完善VR教學系統(tǒng)的同時大膽探索5G、大數據以及云計算等新技術與醫(yī)學影像專業(yè)教育的結合與應用，培養(yǎng)高素質應用型醫(yī)學影像人才。