基于医学教学的虚拟实验室建设与应用

刘尚辉，娄 岩，刘 佳，王艳华，郭婷婷

中国医科大学公共基础学院计算机教研室，沈阳 110122

·技术与教育·

基于医学教学的虚拟实验室建设与应用

刘尚辉，娄 岩，刘 佳，王艳华，郭婷婷

中国医科大学公共基础学院计算机教研室，沈阳 110122

随着网络和数字化现代教育技术的发展，又一新的虚拟现实技术正在被越来越多地应用于教育领域，尤其在医学教育中这一技术正在起着重要的作用。文章介绍了在医学院校建设虚拟实验室的一些做法，并阐述了利用虚拟实验室开展“医学虚拟现实技术与应用”教学的体会。目的在于探索和构建适合医学教育的虚拟现实实验室，使其在医学教育中发挥更大的作用。

虚拟现实技术；虚拟实验室；教育技术

【DOI】：10.13566／j.cnki.cmet.cn61-1317／g4.201506011

虚拟现实实验室是虚拟现实技术应用的重要方向。随着虚拟现实实验技术的逐步成熟，虚拟实验室在教学、科研、培训、演示、汇报、论证等诸多方面均有应用。虚拟实验室的建设是一项技术要求比较高的工作，需要有软硬件系统环境的配套支持，它已经成为高校实验室建设的发展方向。国内外理、工、农、医各类高校已根据自身科研和教学的实际需求建立了虚拟实验环境［1］，在教学中利用虚拟实验室可以高效地完成相应实验，提高教学质量。

1 医学虚拟实验室建设现状

由于人们对虚拟实验室的研究与应用方向不同、侧重的领域不同、需求的功能不同，因此，对虚拟实验室设计与建设的方案也是种类繁多。医学教学实践性较强，并且某些实验要求实验环境及实验材料成本较高，通过虚拟与真实实验的互相补充，可以达到较好的教学效果。目前，在国外高校虚拟实验室的应用案例较多，而国内只有较少的医学院校建立了虚拟实验室。在医学教学中，国内外的虚拟实验室在基础医学、临床医学等方面均有应用。如在虚拟实验室中已经开展的实验有：基础医学领域的解剖学、组织学与胚胎学、病理学、虚拟切片等形态学科的虚拟实验，还有虚拟机能实验涉及了药理学、生理学、病理生理学等多个学科；临床医学领域有虚拟诊断学、虚拟手术教学、虚拟内窥镜、虚拟口腔、虚拟三维重建、虚拟输液训练等虚拟实验，为医学教育的发展起到了很好的促进作用［2-9］。

2 虚拟实验室建设需求与功能分析

一般虚拟实验室除了具备虚拟现实软件开发平台和三维图像处理功能外，根据虚拟现实的技术特征，还应具有逼真的三维沉浸感，达到这种沉浸感主要是通过立体听觉、三维触觉或力感以及沉浸感的视觉环境来实现的。

其中，立体听觉一般通过三维环绕立体声响系统来实现，三维触觉和力感可以通过计算机触觉或力反馈设备来实现，而高度沉浸的视觉环境通常会通过大屏幕立体投影显示系统来实现。如：单通道或多通道柱面投影显示系统、球面仿真投影显示系统或CAVE沉浸式仿真环境。

此外，根据虚拟现实实时交互特征要求，这种交互可以通过多自由度的虚拟现实交互设备来实现，如：数据手套、位置跟踪器、力反馈器，等。最终形成一个完整的虚拟现实实验室系统。

3 虚拟实验室设计与建设

虚拟实验室设计与建设的目标是构建科学、合理、先进的医学虚拟实验环境，满足医学教学需求，使参与者具有身临其境的感觉和实时参与交互的能力，此目标已经实现。根据虚拟现实技术的内在要求，系统基于Windows平台和Internet架构，系统设计上强调整体性、先进性、开放性和可扩展性。系统功能上包括：二次开发与三维数据处理、沉浸式立体显示、六自由度实时交互、力和触觉反馈及立体音效输出等功能。系统组成上包括：开发和渲染平台、三维沉浸式显示系统、三维交互系统和集中控制系统四大部分。

3.1 开发与渲染平台

主要是指三维图像生成与处理系统，包括工作站和虚拟现实软件平台两个部分。具有三维图形环境生成与处理的功能，同时兼备再次开发创作的任务，对整个虚拟现实应用的开发、运算、渲染与生成起核心作用，是建立数学模型和应用数据库的基础开发平台，同时连接和协调其他子系统的工作和运转。

3.2 三维沉浸式显示系统

在虚拟实验室建设中，沉浸感的实现手段有很多，其中显示部分主要通过大屏幕立体投影来实现。根据沉浸程度的不同，通常可以分为单通道立体投影、多通道柱面立体投影、CAVE投影系统、球面投影系统，等。单通道立体投影显示是利用多台立体投影机共同将中心工作站生成的虚拟立体图像同步显示在一个巨幅柱面投影屏幕上的显示系统，可提供较为强烈的沉浸感觉。它通常包括：单通道立体投影设备、柱面投影幕以及用于图像无缝拼接的边缘融合与几何校正设备，等。

3.3 六自由度实时交互系统

实时交互是虚拟现实应用的最大价值和功能，是虚拟现实技术与三维动画和多媒体技术的区别所在。在虚拟现实的实时交互应用中通常会借助于各种不同的虚拟外设作为人机交互的工具和实现手段，常见的主要有六自由度交互系统、计算机力或触觉反馈系统、数据手套、位置跟踪器，等。这些交互设备都将安装在工作站上供用户进行人与虚拟世界的互动和交流，因此这些设备是重要的人机交互接口。

3.4 集成控制系统

一个完整的虚拟现实实验室系统都由许多设备组成，这些设备之间需要相互连接、彼此协同工作，这就需要对其进行管理与控制，中央控制系统便是承担该项工作的载体，所有设备都由其控制主机进行控制，它是虚拟现实实验室系统的管理与控制中心。

系统结构如图1所示：

图1 虚拟实验室系统结构图

4 虚拟实验室的应用

在已经建成的虚拟实验室中，可以开展一些学科的三维立体显示及交互的实验教学，学生佩戴立体眼镜观看立体屏幕上的虚拟对象，并且通过头盔、数据手套等设备与虚拟对象进行交互，激发了学生的学习兴趣并加深了对知识的理解，从而促进了教学质量的提高。如图2所示，在虚拟实验室中通过三维立体投影系统展示的虚拟人体心肺立体图片，并且通过数据手套实现全方位旋转，使观察者能够从不同角度进行学习。

图2 通过三维立体投影系统实现人与虚拟图像的交互

在医学院校计算机教学中，笔者及其教研室为医学生开设了“医学虚拟现实技术及应用”课程，向学生传授了虚拟现实技术的基本理论和技术方法，侧重讲授虚拟现实技术在医学方向的发展与实际应用，利用虚拟实验室的立体显示环境，加强实践操作和立体演示训练，激发学生学习兴趣和技术应用能力，取得了很好的教学效果。其做法可以概括为以下四点。

①根据医学虚拟现实技术和应用的发展，不断更新教学内容和实验手段，完善教材建设这一知识载体，实现了教材、课件、教学方法、教学手段的加强与提高。学生通过虚拟现实理论与技术知识的学习，可以利用3D Max，VRML等软件创作出与医学相关的模型作品，并在虚拟实验室工作站平台上进行渲染和在立体投影上展示，从而观看实验效果。在此过程中大家互相取长补短，团结协作，学生制作出了较为成型的医学形态学的作品，收到了较好的教学效果。

②通过医学图像的三维重建软件学习，学生掌握了一些目前常用的医学图像三维处理软件，如Mimics、MITK及3DMed等的使用。利用医院影像科的CT、MRI数据导入到这些处理软件中生成相应部位的三维立体图像，学生再将制作的3D模型图像在工作站平台上生成可以三维显示的文件，在立体投影上展示出来。只有在虚拟实验室里，利用立体投影系统，佩戴立体眼镜才能看到立体的三维图像，并使用数据手套等交互工具，让学生真正感受到沉浸式立体交互的实验效果，大大激发了学生学习的兴趣并加深了对相应医学知识的理解。

③为了帮助学生不受时间和空间限制的自主学习和实验课程有关内容，研发了基于Web的桌面式虚拟教学系统，系统结构流程如图3所示。

图3 基于Web的桌面式虚拟教学系统

教师或学生通过不同身份登录该系统，选择所需项目进行教学和学习。学生如果选择虚拟课程学习，则可以进入所需课程中进行相应知识与实验内容学习，这里不仅提供了与“虚拟现实技术”的课程相关资料的学习，还提供了一些医学课程的知识素材。如解剖图谱、病理图谱、生理图谱、病原生物图谱，等。学生可以在网上登录虚拟学习系统，选择所需要的资源进行自主学习。

④虚拟实验室的应用评价。为了掌握学生利用虚拟环境的学习效果，对Web桌面式虚拟教学系统中的师生互动留言板做了调查。调查对象是利用虚拟实验室和网络桌面式学习平台进行学习的380名学生。通过对其留言进行归纳分析，有96.4%的学生观点是虚拟实验室和桌面式学习平台能够帮助他们提高实验能力，在提高学习兴趣、理解学习内容等方面是有显著优势的，学习效果很好。但就医学本身的特殊性，能够在实物上真实观察和操作会使他们有更真实的感受和体验，这是虚拟实验的不足之处。只有3.6%的学生认为不用这些学习条件，通过传统的方式，如阅读相关书籍和电脑实验操作也可学习，但要花费较多学习理解的时间且学习效果一般。

该文对医学虚拟实验室的国内外现状做了分析，提出了构建虚拟实验室的设计需求、功能需求和构建方法；并以医学院校计算机课程中开设的“虚拟现实技术与应用”课程为例，介绍了利用虚拟实验室平台开展课程教学的方法、手段和实施情况，提出了在医学院校构建虚拟实验室的必要性。目前，我们正在实验利用虚拟实验室中的三维立体投影显示系统，播放医学教学视频并进行实时交互，如可以支持医学一些学科的三维模型库，如肢体、内脏、骨骼等的立体显示与跟踪交互，让学生使用数据手套等交互工具，实现沉浸式交互的学习效果。我们也应看到，虚拟实验与真实实验之间存在的区别和不足，探索虚拟与真实实验的有机结合，使虚拟实验更好地辅助真实实验并为教学服务。虚拟现实技术以其自身具备的应用优势和潜力，终将在医学教学领域广泛应用并发挥其重要的技术支持作用。

［1］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）：99-101

［2］Zhang ZM.3D-based design of virtual experimental center［J］.Adv Mate Res，2014（846）：1797-1800

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［4］崔英善，黄晓鹂，朱俊东，等.虚拟实验室在医学院校教学中的应用研究［J］.科技创新导报，2012（31）：177-177

［5］朱小飞，郭晓芳，孙瑞利，等.基于网络虚拟实验室在医学检验实验教学中的应用探讨［J］.国际检验医学杂志，2012，33（20）：2556-2557

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［7］Pescitelli MJ，Lilagan C，Huntley S，et al.The BioNetLab Anatomy Collaboratory［J］.The Faseb J，2010，24（4）：123-129

［8］Nelson D，Ziv A，Bandali KS.Republished：Going glass to digital：virtual microscopy as a simulation-based revolution in pathology and laboratory science［J］.Postgrad Med J，2013，89（1056）：599-603

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Construction and application of virtual laboratory for medical teaching

Liu Shanghui，Lou Yan，Liu Jia，Wang Yanhua，Guo Tingting
Department of Computer Science，General and Basic Education School of China Medical University，Shenyang 110122，China

With the application of network and digitalization of modern educational technology，a new virtual reality technology is being increasingly used in the field of education.This technology is playing an especially important role in medical education.This paper introduces some methods of constructing a virtual laboratory in medical colleges and our experience of using the virtual laboratory to carry out the teaching of medical virtual reality technology and application.The purpose is to explore and build a virtual reality laboratory for medical education and make it play a greater role in medical education.

virtual reality technology；virtual laboratory；educational technology

G434

A

1004-5287（2015）06-0639-03

辽宁省教育科学“十二五”规划2014年度课题（JG14DB451）“医学虚拟现实（VR）实验室系统设计与建设”以及中国医科大学“十二五”第四批医学教育科学研究立项课题（YDJK2014013）

2015-06-26

刘尚辉（1963-），女，沈阳人，硕士，教授，主要研究方向：虚拟现实技术教学与应用。

娄岩（1961-），男，沈阳人，本科，教授，主要研究方向：虚拟现实技术教学与应用。

电话：18940124415；E-mail：louyan＠mail.cmu.deu.cn