虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育中的重要性

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1、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育中的重要性 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育中的重要性 2017/07/03 摘要：虛擬現(xiàn)實(shí)（VirtualReality，VR）技術(shù)的發(fā)展正逐漸改變著當(dāng)今醫(yī)學(xué)教育模式。著重分析桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)、沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)這3種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)及其存在的問題，闡述3種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用及其優(yōu)勢，并指出虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)未來的發(fā)展方向。 關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；醫(yī)學(xué)教育；桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)；沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) 目前虛擬現(xiàn)

2、實(shí)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到娛樂、制造、軍工、醫(yī)療、教育等各個行業(yè)。醫(yī)學(xué)教育與其他教育有所不同，醫(yī)學(xué)教育不僅要講述醫(yī)學(xué)知識，還要結(jié)合醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的最新發(fā)展動態(tài)，更要著重培養(yǎng)學(xué)生的動手能力。醫(yī)學(xué)教育具有實(shí)驗資源和臨床機(jī)會有限、教學(xué)內(nèi)容抽象等特點(diǎn)，可通過具有虛擬性、沉浸性、互動性、多感性等特點(diǎn)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)更真實(shí)、形象地展示教學(xué)內(nèi)容，從而增強(qiáng)學(xué)習(xí)者的積極性、提高其感知力和想像力，甚至可以讓學(xué)生自己調(diào)控學(xué)習(xí)節(jié)奏，進(jìn)而提高教學(xué)質(zhì)量。 1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)與種類 虛擬現(xiàn)實(shí)是通過計算機(jī)技術(shù)生成一個接近于真實(shí)世界的虛擬環(huán)境。這個虛擬環(huán)境不僅可以提供逼真立體的視覺，還能提供聽覺、味覺、觸覺、嗅

3、覺等多種感覺，使得用戶可以完全沉浸其中，并且可以與其進(jìn)行交互。通常根據(jù)用戶對虛擬世界沉浸度和交互方式的不同，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)分為三大類：桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)、沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。本文詳細(xì)介紹這3種技術(shù)的概念和特征，分別探討這3種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域的應(yīng)用及其優(yōu)缺點(diǎn)。 1.1桌面式虛擬現(xiàn)實(shí) 桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)利用計算機(jī)圖像等技術(shù)構(gòu)建一個模擬的3D空間，一般可通過顯示器在二維平面顯示三維模型圖像，通過鍵盤和鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)較為簡單、技術(shù)相對成熟，但它不能完全與現(xiàn)實(shí)空間相隔離，用戶還是會受到外界環(huán)境的干擾，與虛擬模型的交互也只是簡單的選擇

4、、拖拽、旋轉(zhuǎn)等操作，相較于真實(shí)環(huán)境的互動還有很大差距。 1.2沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí) 沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)利用計算機(jī)3D圖像處理技術(shù)、傳感技術(shù)、多媒體技術(shù)模擬產(chǎn)生一個3D的虛擬空間，用戶可以借助特定的輸入設(shè)備（工作站、虛擬現(xiàn)實(shí)手套、虛擬現(xiàn)實(shí)手柄、三維位置傳感器等）和輸出設(shè)備（頭盔顯示器、PC顯示器、手機(jī)、耳機(jī)等）與該虛擬空間進(jìn)行交互。通過3D圖像處理技術(shù)，用戶帶上頭盔顯示器能產(chǎn)生立體的視覺；通過音頻處理技術(shù)，用戶的左右耳可以感受到不同的立體聲音；在虛擬手套中增加觸點(diǎn)等方式讓用戶體驗到觸覺。因此，沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)使得用戶在虛擬空間中沉浸度更高，達(dá)到視覺、聽覺和觸覺等多感官的模

5、擬。通過虛擬現(xiàn)實(shí)手柄和虛擬現(xiàn)實(shí)手套，用戶可以進(jìn)行自由操作；通過位置傳感器對用戶的運(yùn)動進(jìn)行實(shí)時跟蹤，根據(jù)用戶的運(yùn)動軌跡實(shí)時變換用戶的視角；通過虛擬現(xiàn)實(shí)手套實(shí)時獲得用戶手部的姿態(tài)；通過力學(xué)反饋裝置用戶可以施加不同大小的力，系統(tǒng)根據(jù)用戶力的大小使虛擬物體發(fā)生形變。因此，沉浸式的虛擬現(xiàn)實(shí)可以讓用戶實(shí)時操控一個虛擬世界，如同在真實(shí)世界中的互動。沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)的區(qū)別在于：（1）多感知：桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)只能給用戶提供視覺這一種感覺，而沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)通過虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔提供視覺，通過耳機(jī)實(shí)現(xiàn)聽覺，通過虛擬現(xiàn)實(shí)手套實(shí)現(xiàn)觸覺，通過手柄實(shí)現(xiàn)力覺，可為用戶提供多種感覺的互動。（2）沉浸感：沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)

6、完全與現(xiàn)實(shí)世界相隔離，創(chuàng)建的虛擬空間十分逼真，并通過多感知讓用戶如同在真實(shí)世界中。（3）交互性：沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)可讓用戶的手通過虛擬現(xiàn)實(shí)手套等設(shè)備在虛擬空間內(nèi)部與虛擬對象進(jìn)行交互，同時可感覺到虛擬對象的重量等。桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)只能通過鼠標(biāo)在虛擬對象的外部進(jìn)行操作。 1.3增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AugmentedReality，AR）技術(shù)是沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)的一種變體，區(qū)別在于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)將虛擬的3D對象和真實(shí)環(huán)境相結(jié)合[1]。AR技術(shù)仍需使用頭盔顯示器、虛擬現(xiàn)實(shí)手套等設(shè)備。AR技術(shù)還具備虛實(shí)結(jié)合、互動性、實(shí)時性和三維配準(zhǔn)的特點(diǎn)。（1）虛實(shí)結(jié)合：沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)形成了一個完全

7、合成的3D空間，用戶無法感知到真實(shí)的世界。AR技術(shù)允許用戶看到真實(shí)的世界，它將虛擬出來的物體疊加到真實(shí)世界。（2）互動性和實(shí)時性：AR技術(shù)將現(xiàn)實(shí)和虛擬世界相結(jié)合，就需要AR技術(shù)可以準(zhǔn)確地根據(jù)現(xiàn)實(shí)世界的情況來合成虛擬對象，用戶借助虛擬對象來完成現(xiàn)實(shí)世界的任務(wù)，因此需要AR技術(shù)必須具備實(shí)時性和互動性。（3）三維配準(zhǔn)：可以實(shí)現(xiàn)虛擬對象和真實(shí)世界相互匹配，通過進(jìn)行三維坐標(biāo)的配準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)。 2虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用及其優(yōu)勢 醫(yī)學(xué)教學(xué)存在專業(yè)名詞多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、實(shí)驗對象特殊的特點(diǎn)。傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)教學(xué)一般采用理論及實(shí)驗教學(xué)的方法，教學(xué)資源有多媒體課件、教科書、圖譜、視頻、尸體

8、標(biāo)本、教學(xué)模型等。這些傳統(tǒng)的教學(xué)資源一直沿用到現(xiàn)在，但在教學(xué)中存在一些問題，如教科書、圖譜、課件等只能呈現(xiàn)二維平面的圖像，沒有立體效果也不能進(jìn)行實(shí)時互動。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠克服這些缺點(diǎn)，為醫(yī)學(xué)教學(xué)提供先進(jìn)的教學(xué)方法。 2.1桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用及其優(yōu)勢 目前，桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)已經(jīng)在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、中醫(yī)等多個領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用?；A(chǔ)醫(yī)學(xué)應(yīng)用較廣泛的是虛擬解剖人體。隨著美國、中國、韓國等相繼開發(fā)了本國的虛擬數(shù)字人，國內(nèi)外已經(jīng)先后建立了多套桌面式的人體解剖學(xué)虛擬仿真軟件，如中國數(shù)字人公司中國數(shù)字人系統(tǒng)、上海橋媒公司3Dbody軟件等。這些軟件既可以彌補(bǔ)尸體標(biāo)本的不足，

9、方便教師進(jìn)行課堂教學(xué)，又可以更加直觀、靈活地讓學(xué)生進(jìn)行課堂和課外學(xué)習(xí)。除此之外，桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)還包括基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實(shí)驗的仿真軟件、中醫(yī)穴位的虛擬仿真系統(tǒng)等。這些應(yīng)用可以作為學(xué)生實(shí)驗和操作前的指導(dǎo)工具，模擬實(shí)驗的操作過程，學(xué)生可以不限次數(shù)的重復(fù)操作演練虛擬模型，教師在一旁加以指導(dǎo)，糾正他們在操作過程中的錯誤。這樣既可以有效降低實(shí)驗風(fēng)險，又有助于提高教學(xué)質(zhì)量。在醫(yī)學(xué)教學(xué)中使用桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)有以下優(yōu)勢：（1）使用方便：只需要一臺PC機(jī)就可以顯示出3D效果，方便教師進(jìn)行課堂教學(xué)和學(xué)生進(jìn)行課下學(xué)習(xí)。（2）立體直觀：桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)軟件可以提供虛擬的3D場景，如在解剖學(xué)實(shí)驗中，學(xué)生可以看到各個組織器官的名

10、稱、位置結(jié)構(gòu)以及周圍神經(jīng)血管的分布狀態(tài)，各個組織器官的位置關(guān)系，也可以移動、分割、放大、縮小、旋轉(zhuǎn)各個組織器官。這樣學(xué)生可以非常直觀地學(xué)習(xí)人體結(jié)構(gòu)。（3）提高教學(xué)效率：桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)可以提供多視角的3D模型，讓學(xué)生了解解剖結(jié)構(gòu)并建立組織器官之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，進(jìn)而加強(qiáng)對人體結(jié)構(gòu)名詞的記憶。學(xué)生可以反復(fù)在課下進(jìn)行醫(yī)學(xué)實(shí)驗的演練，進(jìn)一步提高教學(xué)效果。（4）降低教學(xué)成本：桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開發(fā)難度遠(yuǎn)低于沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，可以節(jié)約實(shí)驗資源，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率與質(zhì)量。當(dāng)然，桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)也存在不足。在模擬實(shí)驗及手術(shù)時，桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)無法讓用戶觸摸到真實(shí)的物體，如在中醫(yī)針灸療法的學(xué)習(xí)中，學(xué)習(xí)者

11、無法感知到施針的方向和力度，僅能通過鼠標(biāo)進(jìn)行點(diǎn)擊，與醫(yī)學(xué)真實(shí)的實(shí)驗及手術(shù)差距較大。 2.2沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用及其優(yōu)勢 隨著VR硬件設(shè)備的不斷升級和配套計算機(jī)技術(shù)的逐漸成熟，沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)在各領(lǐng)域的應(yīng)用產(chǎn)品層出不窮。Google、Oculus、HTC等公司保持著高密度VR產(chǎn)品的推出，國內(nèi)也開發(fā)出了3Glasses、蟻視、暴風(fēng)魔鏡等VR頭盔顯示器。沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)硬件的價格逐漸降低，VR配套開發(fā)軟件逐漸成熟，開發(fā)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)教學(xué)和臨床手術(shù)指導(dǎo)的沉浸式虛擬系統(tǒng)已成為可能。在醫(yī)學(xué)教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生佩戴頭盔顯示器，通過沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，避免現(xiàn)實(shí)世界的干擾，完全沉浸在

12、虛擬教學(xué)當(dāng)中，可以把書本的知識立體地呈現(xiàn)在三維場景當(dāng)中。2016年，DeFaria等[2]在進(jìn)行神經(jīng)解剖課程的教學(xué)中運(yùn)用了沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，采用VRWorx2.6軟件制作海馬體心室表面的虛擬現(xiàn)實(shí)3D互動視頻。學(xué)生在學(xué)習(xí)后分別進(jìn)行理論和實(shí)驗操作測試，結(jié)果顯示沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)教學(xué)而言，并不是單純地為了讓學(xué)生記憶人體解剖結(jié)構(gòu)名稱，而是讓學(xué)生更好地了解人體解剖結(jié)構(gòu)。2016年，HuangHM等[3]對使用VR4-MAX沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行醫(yī)學(xué)課程學(xué)習(xí)的167名大學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查，通過調(diào)查學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度，發(fā)現(xiàn)沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對學(xué)生的感知性有積極的影響。在臨床手術(shù)培訓(xùn)過程中，沉浸式虛擬現(xiàn)

13、實(shí)系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于眼科手術(shù)、微創(chuàng)手術(shù)、內(nèi)窺鏡手術(shù)、骨科手術(shù)、牙科手術(shù)等醫(yī)療培訓(xùn)[4]。 相比于桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)只能通過鼠標(biāo)在二維平面的拖拽進(jìn)行臨床操作，沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)通過VR圖像技術(shù)、力學(xué)反饋、運(yùn)動捕捉等模擬器創(chuàng)設(shè)更加真實(shí)的臨床實(shí)驗場景，該場景可無限次重復(fù)使用來彌補(bǔ)在臨床實(shí)踐中機(jī)會不均等、經(jīng)驗積累緩慢等不足，從而達(dá)到臨床技能培訓(xùn)的目的。2008年，MacielA等[5]開發(fā)了腹腔鏡手術(shù)的模擬器VBLAST。通過圖像處理技術(shù)、力學(xué)反饋設(shè)備和運(yùn)動捕捉系統(tǒng)構(gòu)建的虛擬腹腔鏡模擬器取代物理腹腔鏡手術(shù)模擬箱。外科醫(yī)生可以通過VBLAST實(shí)現(xiàn)腹腔鏡手術(shù)中縫合、剪切等基本操作的練習(xí)。該系統(tǒng)

14、具有良好的圖形渲染、力學(xué)交互能力，可以根據(jù)力的方向和大小顯示物體形變過程，還能將手術(shù)操作技能進(jìn)行客觀量化并且能更好地適應(yīng)達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人的使用。2011年，Chalasani等[6]開發(fā)了超聲引導(dǎo)下的前列腺活檢模擬器，它可以根據(jù)使用者的動作及技能好壞區(qū)分使用者是新手還是專家。隨著科技的發(fā)展，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)研究者又提出了虛擬現(xiàn)實(shí)自適應(yīng)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可以根據(jù)使用者的水平及使用需求制訂相應(yīng)難度的培訓(xùn)內(nèi)容[7]。在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)教學(xué)中，沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)還有很多不足之處：（1）模型的真實(shí)度欠佳；（2）不具備對比和評判不同模型的教學(xué)效果的標(biāo)準(zhǔn)；（3）長期觀看VR圖像會造成視覺疲勞，力學(xué)反饋的真實(shí)度和實(shí)

15、時性欠佳。 2.3增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用及其優(yōu)勢 AR技術(shù)能增強(qiáng)用戶與現(xiàn)實(shí)世界的感知和互動，通過虛擬對象所傳遞的信息幫助用戶完成現(xiàn)實(shí)世界的任務(wù)。目前，AR在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用包括醫(yī)學(xué)可視化、手術(shù)輔助等。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)不僅僅是一項新的技術(shù)，它還可以用來提高醫(yī)學(xué)教育水平，最終影響患者的治療效果[8]。早在1992年，北科羅拉多大學(xué)就將超聲影像疊加在患者身上，使醫(yī)生具有“透視眼”。目前增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)已經(jīng)被醫(yī)生用作輔助手術(shù)的可視化工具。如可以幫助護(hù)士更好地找到靜脈；實(shí)時地采集MRI和CT數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像融合，與患者體表形態(tài)相對應(yīng)，還可以根據(jù)患者的運(yùn)動情況進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，呈現(xiàn)給醫(yī)生患者身體的內(nèi)部視

16、圖。AR技術(shù)還被應(yīng)用于機(jī)器人輔助技術(shù)。Renaissance機(jī)器人被廣泛地應(yīng)用于脊柱外科手術(shù)當(dāng)中[9]。術(shù)前，將CT數(shù)據(jù)合成3D圖像，規(guī)劃手術(shù)區(qū)域和螺釘?shù)拈L度、方位和角度。術(shù)中，透視機(jī)器人軟件分析患者的患病位置，并與術(shù)前的CT圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，根據(jù)實(shí)際手術(shù)情況微調(diào)螺釘?shù)慕嵌燃拔恢?，機(jī)器人會自動置入螺釘。Renaissance機(jī)器人可以降低學(xué)習(xí)難度，幫助學(xué)習(xí)者建立脊柱立體概念，增強(qiáng)椎弓根置釘?shù)陌踩裕s短學(xué)習(xí)周期[10]。MAKOplasty機(jī)器人手臂輔助醫(yī)生進(jìn)行膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)置換。術(shù)前通過CT數(shù)據(jù)建立3D視圖，手術(shù)中使用NDI運(yùn)動捕捉系統(tǒng)進(jìn)行三維配準(zhǔn)，機(jī)器人根據(jù)患者情況個性化精準(zhǔn)設(shè)計假體，真正實(shí)現(xiàn)

17、手術(shù)的微創(chuàng)化和精準(zhǔn)化。隨著機(jī)器人輔助手術(shù)技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)有越來越多的基于AR技術(shù)的輔助手術(shù)機(jī)器人被投入臨床教學(xué)中。 3結(jié)語 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)教育可以提高教學(xué)質(zhì)量，豐富教學(xué)手段。本文提到的3種不同的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，可以根據(jù)學(xué)習(xí)者的實(shí)際情況設(shè)置不同的學(xué)習(xí)難度。桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備價格較低廉、操作較簡單，通過二維平面展現(xiàn)3D圖像，更適用于醫(yī)學(xué)教學(xué)中基本概念的學(xué)習(xí)。沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)隨著硬件設(shè)備的不斷發(fā)展，設(shè)備的價格逐漸趨于大眾化。沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)創(chuàng)建的模型給學(xué)生提供的觸覺、聲音、圖像更加逼真，更接近真實(shí)的臨床、實(shí)驗場景。相比于桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，更適合啟發(fā)式教學(xué)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在醫(yī)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)未來的發(fā)展方向，隨著醫(yī)學(xué)對精準(zhǔn)化的要求，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)仍需要解決一些問題，才能使其在醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域應(yīng)用得更加廣泛和有效。 參考文獻(xiàn)： [1]干旻峰，周峰，楊惠林.機(jī)器人輔助技術(shù)在骨科教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國繼續(xù)醫(yī)學(xué)教育，2015（26）：20-21.