基于虚拟现实技术的医学教学系统设计

张海荣, 陈云虹

(第四军医大学 教育技术中心， 陕西 西安 710032)

基于虚拟现实技术的医学教学系统设计

张海荣, 陈云虹

(第四军医大学 教育技术中心， 陕西 西安 710032)

以“临床麻醉学”课程为例，从基础教学、虚拟教学、模拟诊疗教学等方面出发，设计了一套基于虚拟现实技术的医学教学系统，利用Photoshop、Poster6.0、3D Max 6.0以及中视典完成系统开发，结果表明：系统能够形象直观的向医学学习者展示教学内容，并提供虚拟逼真的训练场景。

虚拟现实技术；医学；教学效果；人机交互

虚拟现实技术是在计算机技术的基础上，借助先进的三维图像处理技术、传感技术等，创造出逼真的虚拟世界，实现真实的体验效果和良好的人机交互[1-2]。在教学中运用虚拟现实技术能为学习者构建起逼真的学习环境，使得教学更趋生动形象，帮助学习者更加直观的理解教学内容，有效提升教学水平[3-4]。

传统的医学教学存在实验教学资源有限、教学内容抽象难懂、教学实验危险性高以及临床实践机会有限等问题。若采用虚拟现实技术运用于医学教学，能够模拟出真实的医学教学环境，弥补传统医学教学的不足，打破教学的时间和空间限制，提升医学教学的水平[5-7]。

在实际搭建虚拟现实技术医学教学系统时，大多延续传统教学中的单向灌输方式进行教学，缺少双向的沟通[8]。此外，系统往往缺少练习阶段，知识不能得到练习巩固[9]。本文从教学设计出发，在基础知识教学、三维模拟教学、模拟诊疗演练、交流沟通等方面设计一套虚拟现实医学教学系统。

1 虚拟现实医学教学系统设计

虚拟现实医学教学系统的设计，需要把握教学的目标，并以此为依据，设立合理的教学策略，采用合适的教学系统。接下来将以“临床麻醉学”教学为例，详细讲解虚拟现实医学教学系统的设计。

1.1 教学分析

教学设计的主要内容是分析教学目标及教学的重难点，从而选定教学内容、教学策略。只有明确了教学的目标，才能使教学朝着预定的方向有计划的进行。虚拟现实技术医学教学，要让学习者在通过课程的学习过程中，掌握课程的相关知识，更要加强其的参与感，通过模拟诊疗，进行反复的操作练习，提升临床操作能力。

根据教学目标，确立教学的策略，对教学内容和教学媒体进行选择，以达到学习者学习过程不断朝着教学目标前进的目的。在“临床麻醉学”课程中，可先利用传统的图文手段，构建起学习者对麻醉学的初步认识，了解麻醉的方法、种类，初步掌握如何根据病情进行麻醉的评估、准备与用药；对于麻醉的操作，可再配上视频说明，从而使教学更加直观。接下来，对于一些部位的麻醉(如脊柱的麻醉等)的操作，可利用三维人体模型，通过调整观察视角、控制缩放比例，为学习者展示麻醉剂入针的位置、深度等重要信息，加以说明针对不同的情况应该注入的剂量，从而使学习者能充分的掌握不同情况下的麻醉剂使用及注入操作。诊疗方面，可基于虚拟现实技术进行模拟诊疗，模拟不同病症时的相应麻醉策略及麻醉操作方法，并根据学习者的选择提供正误反馈及正确的处理方法，通过不断的模拟练习进一步加深对教学内容的理解。最终，通过学习者与教师之间的交流沟通，提升学习效果。

1.2 系统设计

根据教学目标和教学内容，“临床麻醉学”主要应包括图文教学、虚拟教学、模拟诊疗和学习交流4个模块，如图1所示。

图1 虚拟现实医学教学系统的结构图

导航能清晰明了的反映医学教学系统的教学策略，要充分考虑学习者的自主性，以使教学系统的实施过程中能发挥出最佳效果。应加入模块导航，在主界面中可直接轻松的跳入到任一个模块中去。

良好的交互体验，是虚拟现实技术在医学教学中的优势。系统设计过程中要充分考虑人机之间的流畅交互，通过人机的信息交互，调动学习者学习的主动性和积极性，从而使其能够在虚拟现实医学教学系统中进行知识的学习与运用。

2 虚拟现实医学教学系统开发

虚拟现实医学教学系统的实现，是在虚拟现实技术的基础上，利用三维系统建模、图形图像处理和文本编辑，搭建起虚拟现实医学教学平台，并实现畅通的人机交流。

虚拟现实医学教学系统的开发，文中首先是通过Photoshop软件进行图文教学模块的设计，让医学学习者形成对教学内容的初步认识，然后运用了3D Max 6.0和Poster6.0软件进行三维人体建模以及模型的加工进行虚拟教学，最后采用中视典软件完成人机交互学习平台的搭建，系统的开发流程如图2所示。整个教学系统操作简单，且界面人性化设计，体现教学设计和系统设计的要求，如图3所示。

图2 虚拟现实医学教学系统开发流程

图3 虚拟现实医学教学系统主界面

2.1 虚拟教学

虚拟教学相对于传统的教学，能构建出三维可旋转缩放的三维模型，更加形象直观的体现出教学的要点，并可突破传统教学方式的瓶颈，达到传统教学无法企及的效果。要实现虚拟教学，需要首先建立起三维数据库，将人体模型的三维数据存入到数据库中，这是虚拟现实医学教学系统的基础。

在构建三维人体模型数据库的构建过程中，本文首先在Poster6.0中分别构建无性人体三维模型、骨骼三维模型和静脉三维模型。如图4(a)所示。建好的模型以.3ds后缀的文件形式导出，再导入到中视典软件中进行数据库的集成。导出的文件再导入到3D Max6.0中，进行三维模型的再加工，具体做法是将骨骼模型、静脉模型分别嵌入到人体模型中，将人体模型设置为半透明状，便于学习者看清骨骼和静脉的位置。在合成完整的三维人体模型后，还需在模型上根据常用的麻醉剂入针位置，准确地在模型上做好小球状的针刺点，并依据骨骼或静脉模型为参考，精确入针点在皮肤中的位置，合成好的三维人体模型如图4(b)。

(a) 三维静脉图 (b) 三维人体合成图

在完成了模型的加工后，还需要将整个模型文件导入到中视典软件中创建模型的数据库，并与其它数据库进行集成。如图5所示。在中视典软件中建立起模型的数据库后，再进一步进行信息的整合，在模型数据库中每个入针点处加上标示，方便学习者在点击该位置时能提供详细的信息，包括适用的病症、各种病症对应需选择的麻醉剂以及不同病人对应的剂量、麻醉剂注入的入针深度等。

图5 模型导入中视典软件

2.2 模拟诊疗

依据教学大纲，建立课程规划内的病例数据库及病例的标准诊疗数据库，根据预设的模拟病例环境，建立信息框和相应的按钮，并为每个功能按钮加载脚本命令,具体的诊疗流程,如图6所示。

在学习者学习过程中，通过调用病例数据库，跳转到病症描述界面，如图7。当学习者用鼠标点击模型后，开始形成模拟诊疗。学习者能通过鼠标、键盘控制从备选的麻醉剂中取出一定剂量的麻醉剂，再模拟真实场景，形成麻醉剂插针或管，由学习者将针、管插入到模型内。整个过程中，系统将通过交互脚本记录下学习者的各种操作，并与标准诊疗数据库进行实时比对，若操作与标准诊疗数据库中的操作数据不一致，则停止继续操作，通过交互脚本产生错误信息提示，并调用标准诊疗数据库中相关操作的数据，提示正确的操作信息，强化其实际操作水平。

图6 模拟诊疗的流程

图7 模拟诊疗界面

数据库的设计均留有扩展接口，在后续的临床教学中，可以根据实际情况，总结和设计新的病例以及相关的标准诊疗步骤录入病例数据库和标准诊疗数据库，以供学习者练习使用。

模拟诊疗的实现，除了数据库外，还需要注重交互脚本的设计，如设计实现麻醉剂及其剂量的选择和入针深度的反馈。其中判断麻醉剂及其剂量的选择是否正确的判断脚本为

void main()

{if(pIn0==pIn1)

{pOut0=“麻醉剂选择正确”；}

if(pIn0==pIn1)

{pOut1=“麻醉剂剂量正确”；}

else{pOut1=“麻醉剂剂量错误。错误提示:”}

else{pOut0=“麻醉剂选择错误。错误提示:”}

out=TRUE;

}

入针的深度主要由以下脚本实现：

shared bool iIn1;

static int a;

void main()

{

if(iIn1)

{a=0; iIn1=FALSE;}

else

{++a; pOut=0.1*a;}

}

3 结束语

本文以“临床麻醉学”课程的设计为例，从图文教学、三维模拟教学、诊疗模拟、交流沟通等方面进行了虚拟现实医学教学系统的设计和开发。从基础知识讲解、重难点形象化教学到模拟操作，总结交流，逐层次、递进式的进行了医学教学，系统能够形象直观的向医学学习者展示教学内容，并提供虚拟逼真的训练场景。

[1] 庞志成.多媒体的最新技术和发展趋势[J].知识经济,2015(1):88-89.

[2] 马昕怡.浅谈三维动漫制作与虚拟现实结合技术研究[J].电子制作,2015(4):96-97.

[3] 谢蓉蓉.数字化学习背景下三维虚拟学习环境的模式与分类研究[J].远程教育杂志,2015(1):87-92.

[4] 崔国强，王小雪，刘炬红，等.学习、设计与技术:AECT 2014年会评述与思考[J].远程教育杂志,2015(1):5-22.

[5] 霍妍，刘尚辉.建立我国虚拟现实医疗中心的研究和设计[J].中国医学工程,2014(11):198-199.

[6] 莫海燕,刘静,曹慧.虚拟现实技术在康复医学中的应用与发展[J].医疗卫生装备,2014(11):100-103.

[7] 张丽,瓮长水.虚拟现实技术在老年康复医学中的应用研究进展[J].中国康复理论与实践,2012(1):44-46.

[8] 李建荣,孔素真.虚拟现实技术在教育中的应用研究[J].实验室科学,2014(3):98-101.

[9] 杜艳绥.虚拟现实技术在教育教学中的应用[J].电子技术与软件工程,2014(23):181-183.

[责任编辑:汪湘]

Medicine education system design based on virtual reality technology

ZHANG Hairong, CHEN Yunhong

(Education Technology Center, Fourth Military Medical University, Xi’an 710032, China)

In this paper, a medicine education system based on virtual reality technology is proposed with clinical anaesthesiology course as an example. This system consists of base content teaching, 3D virtual teaching, simulated-treatment training and is developed with Photoshop, Poster6.0, 3D Max 6.0 and Virtual Reality Platform(VRP). This system can offer learners with realistic training environment and intuitive teaching content.

virtual reality technology, medicine education, teaching efficiency, man-machine interaction

2015-02-10

全军军事科研计划课题(11QJ003-145)

张海荣(1973-)，男，讲师，从事教育技术理论、电子媒介应用研究。E-mail：3219783357@qq.com 陈云虹(1968-)，女，愽士，教授，从事电子媒体技术研究。E-mail：chenyunh@fmmu.edu.cn

10.13682/j.issn.2095-6533.2015.03.022

G431

A

2095-6533(2015)03-0120-05