虚拟现实技术在高等医学教育中的应用

罗　溪，李松声，王月帆，严振鹏，段万里，聂　菲，肖　良

第二军医大学：12014级临床医学专业学员八队；22012级海军临床医学专业海医一队；32014级海军临床医学专业海医五队；4海军医学系海洋生物技术教研室，上海　200433



虚拟现实技术在高等医学教育中的应用

罗溪1，李松声2，王月帆1，严振鹏3，段万里3，聂菲4，肖良4

第二军医大学：12014级临床医学专业学员八队；22012级海军临床医学专业海医一队；32014级海军临床医学专业海医五队；4海军医学系海洋生物技术教研室，上海200433

【摘要】：虚拟现实技术是仿真技术、计算机图形学、人机接口技术等多种技术的集合，是一门前沿交叉技术。随着计算机网络技术的不断进步，虚拟现实技术已广泛应用于医学相关领域，尤其是在基础医学知识教育和临床技能培训方面，应用虚拟现实技术可以摆脱传统教学的诸多限制，不仅可以创新教学理念、拓展教学空间、提升教学质量，还能提高教学效率、减少耗材投入，从而有效推动教学改革与发展。虽然虚拟现实技术目前仍处于初步发展阶段，但其特有的优越性决定了它广阔的应用前景。

【关键词】：虚拟现实；医学教育；外科手术

【DOI】：10.13566/j.cnki.cmet.cn61-1317/g4.201604015

现今，网络技术不断进步，信息革命高速发展，传统教育在先进网络信息技术的冲击下面临新的挑战。如何充分利用现代教育技术组织海量的医学教育资源，通过计算机网络技术建构数字化的医学知识体系，形成与时代同步的新型教育模式是高等医学教育面临的重要问题［1-2］。医学虚拟现实教学是网络信息技术和虚拟现实技术在医学教育领域的具体应用和实际推广，不仅直观性强、可重复性好，还克服了传统医学教育高风险、高成本以及高能耗的“三高”弊端，可以辅助教师更好地完成课堂教学任务，帮助学生理解基础理论知识，掌握临床技能，是传统医学教育的有效补充与拓展［1-2］。

1　虚拟现实技术

虚拟现实技术（virtual reality）的运用源于20世纪60年代，它是一种在计算机图形学、计算机仿真技术、人机接口技术以及传感技术的基础上发展起来的多学科交叉的新生技术［1］。它通过计算机技术生成一个逼真的感觉世界（实体），允许参与者（用户）使用人的自然技能（如头部转动、眼球转动、手势及其他动作），对虚拟实体进行交互考察，以此模拟或体验真实过程，具有沉浸（Immersion）、交互（Interaction）以及构想（Imagination）等特征［2］。20世纪80年代以后，随着数字化科技手段的不断发展，虚拟现实技术得以进一步完善而更加精确、直观和形象化，并逐渐应用于医学、军事、设计以及艺术等诸多领域，带来了巨大的经济和社会效益［1］。在高等医学教育中，运用虚拟现实技术可以模拟真实的患者、解剖区域及临床任务等教学内容，从而让学生综合运用多种感官自主探索和体会，在开放、自主以及交互的虚拟环境中开展高效、安全且经济的学习实践［3］。与传统医学教学存在的内容抽象难懂、临床实践机会有限且危险性高、实验教学资源短缺等问题相比，虚拟现实教学能有效利用信息技术模拟出真实的医学教学环境，打破时间和空间的限制，从而达到夯实学生理论基础，增强学生实践能力，提升医学教学水平的目的［4］。

2　虚拟现实技术在基础医学教育中的应用

现行的医学本科教育中，研究正常人体形态结构的《系统解剖学》是所有医学生接触医学的第一课。通过学习解剖学，医学生可以了解正常人体的形态结构，为进一步理解人体的各种生理现象和病理变化奠定基础。传统的人体解剖学授课以课堂教学为主，以挂图、模型以及标本等教学工具为辅，并配以尸体解剖实践来加深学生的理解，具有良好的教学效果［5］。但是，由于观察标本的实践时间有限、标本本身的质量参差不齐且来源匮乏等因素的存在，人体解剖学课程的教学质量受到严重影响。利用虚拟现实技术构建一个三维虚拟人体，医学生可以通过计算机屏幕先对虚拟人体进行解剖，再通过旋转和缩放局部图像达到最佳的视觉效果，然后进行观察和学习。此法既有助于加深学生对具体解剖学知识的理解，也有助于减少授课过程中解剖标本的使用频率，从而大大降低了解剖学课程的教学成本［6］。对于部分难以暴露或者分离困难的解剖细节，比如蝶骨的结构、纷繁复杂的神经走形，等，一方面可以通过虚拟人体直接展示其结构让学生清楚地观察，另一方面则可以通过虚拟人体的训练功能，让学生在虚拟环境中练习解剖操作，预演手术过程，更加高效地利用好极为珍贵的尸体标本，从而提高解剖手术的成功率。此外，运用虚拟现实技术不仅可以模拟人体的形态结构，还可以模拟出人体各大系统的实际工作状态。比如在运动系统的学习过程中，虚拟人体可以真实模拟出躯体的屈、伸、收、展、旋等各种运动，使学生掌握其组成结构的同时，更好地理解运动系统的工作过程，从而帮助学生完成结构与功能存在统一性这一重要概念的建立［7］。除了解剖学，在其他基础医学学科的教学中，虚拟现实技术也能发挥重要作用，如《生理学》中各器官应对环境变化产生的生理效应及其机理，《生物化学》中人体内生化反应的真实过程等都能凭借逼真的模拟清晰地展示出来。毫无疑问，这将极大的增加医学生对基础医学知识的直观认识和学习兴趣，从而提高基础医学的教学效果［8-9］。

3　虚拟现实教学在临床医学教育中的应用

虚拟现实技术在临床医学教育中的应用同样十分广泛。利用虚拟现实技术开展的临床虚拟教学不受病例、场地以及时间等诸多因素的制约，可以使教学活动根据需要随时随地展开，大大增加医学生的实践机会，从而取得良好的教学效果［10］。比如虚拟手术仿真与训练系统可以通过建立3D模型来模拟手术环境，让医学生在虚拟环境中练习操作，预演手术过程，再根据从虚拟人体上获得的治疗数据和系统所记录的人体反应进行分析判断，最后做出科学的个性化诊断，设计缜密的治疗方案，从而达到训练医学生手术技能、提高手术成功率的目的［11］。目前，一些专门针对医学培训、实习和研究而开发出来的虚拟现实系统仿真程度高，与传统教学活动相比具有明显的优越性和良好的教学效果［12］。

3.1在显微外科教学中的应用

在显微神经外科手术教学中，如何将基础的神经解剖知识与影像学资料相结合，形成立体的结构概念，继而在手术中准确地定位一直是显微神经外科的教学难题。颅底和大脑深部结构复杂，在此进行手术，既要尽可能暴露病变部位以完全切除病变组织，同时也要减少对周边组织的影响，风险极大［13］。而手术的培训过程耗时耗力，难以重复，严重影响了显微神经外科医师的培养过程。利用虚拟现实技术重建神经外科三维解剖图像，如结合脑血管CTA和头部MRI对患者头部进行三维图像重建，可以清晰显示动脉瘤及其周围结构的空间形态，有利于医师更直观地掌握病变部位的解剖结构，全面理解相关的影像学资料［14］。利用患者CTA和MRI影像重构手术标本模型，再通过虚拟现实系统提供的切割、移动等工具模拟从切开头皮、钻颅骨、打开骨窗，到暴露病变部位等一系列过程，有效地模拟了真实的显微神经外科手术的定位过程。不同患者的颅内病变位置以及周围结构的毗邻情况具有明显的个体化特性，虚拟现实系统可以对每个患者的CTA、MRI等影像学资料进行数字化重构并比对人体数据库，继而对不同的手术入路进行模拟和评价（如出血量、肿瘤切除率等指标），帮助医师选择最合理的治疗方案，以最大化地减少手术风险，因而虚拟仿真系统同时具有培养显微神经外科医师和辅助提高手术成功率的作用［14-15］。

3.2在麻醉学教学中的应用

在《临床麻醉学》课程中，可先利用虚拟现实技术构建三维人体模型，便于学生熟知骨骼和静脉的位置。之后，再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标记，并以骨骼和静脉模型为参考，确定皮肤上入针点的位置。通过视察视角的调整和视图比例的缩放，学习者可以清楚地了解麻醉剂入针的位置、深度等重要信息［4］。在注入操作训练方面，结合3D成像系统和机械臂，利用虚拟现实技术可以搭建一个“触感手术台”来培养学习者的穿刺感觉。在“触感手术台”系统中，学习者佩戴3D眼镜，视野中可以模拟出麻醉穿刺的实际场景，然后通过操作机械臂模拟穿刺过程。学习者使用虚拟的手术器械触及虚拟人体时，“触感手术台”系统会计算实际操作中产生的相应阻力的同时用强力微型马达控制机械臂给予适当阻力，让学习者获得逼真的触感，体验注射器的针头刺穿患者皮肤，扎入血管的过程。通过在这种虚拟现实环境下的不断练习，学习者可以积累麻醉穿刺的经验，从而增加真实麻醉穿刺的成功率以满足临床麻醉的实际需要，达到提高教学效果的目的［16-17］。

3.3在口腔医学教学中的应用

操作技能培训在口腔医学的教学和临床实践中不可或缺，但目前口腔诊疗操作技能培训所采用的体外牙石膏模型和人工牙联合仿头模训练系统皆存在着一定的局限性。如体外牙供给有限、人工牙与真牙在结构和材料上存在差别、训练时的真实感和有效性不尽如人意，等。此外，牙体病理模型较单一，无法全面模拟实际临床中的常见病例和疑难病例也是传统口腔诊疗操作技能培训中的明显缺陷。虚拟现实技术可以高保真地模拟实际临床中的各种病例，允许学生不受材料和时空的限制进行反复练习和实践，在降低训练成本的同时让学生能够熟练应对不同类型的口腔疾病［18］。虚拟现实技术还可以连续记录操作过程的三维运动和力的数据，进行回放观摩和分析，使教学、训练和考核环节变得可量化和标准化。可以预见，虚拟现实技术将是未来口腔诊疗操作技能培训的最适工具之一［19］。

4　虚拟现实技术面临的挑战

虚拟现实技术的应用前景十分广阔，但总体上在医学教学中的应用还处于初级阶段。目前面临的主要困难是：①虚拟现实系统设备价格昂贵。无论是虚拟人体、虚拟场景还是机械臂，高昂的价格都使其暂时难以大规模推广；②三维建模繁琐、硬件性能要求高。人体模型的精细程度决定了仿真效果，并直接影响教学效果。而精细的人体模型不仅需要复杂精密的建模，还需要具备与之匹配的高性能硬件，这些苛刻的要求使虚拟现实系统的构建难度较大；③数据量庞大。在目前的网络条件下，虚拟现实系统运行所需的数据交换时间偏长也是不可回避的问题。视频传输、数据下载以及网络互动交流难以流畅进行，影响了教学质量［20］；④在虚拟现实系统中，使用者会在身体保持相对静止的情况下获得某些运动感，由此引发的相对运动错觉在一定程度上会让使用者失去方向感，导致晕动病，从而影响手术操作；⑤力检测和力反馈技术还不够成熟。使用者与虚拟人体组织之间力觉信息交互的实现仍需要传感器设计和信号处理等技术的完善，从而进一步提升虚拟现实真实感，与临床实践更加紧密地拟合。

综上所述，面对大数据时代对医学教育领域的冲击，虚拟现实技术顺应时代发展的潮流，有效整合现有的医学教育资源，帮助学生获取医学知识、精进临床技术、培养科研思维，促进了医学教育的改革创新［6］。除应用于上述的基础医学（如解剖学）、临床医学（如显微外科）、麻醉学以及口腔学的教学实践外，虚拟现实技术在其他医学课程体系中（如诊断学、内科学、妇产科学、儿科学，甚至于军事医学、特种医学等几乎所有涉及医学的相关学科的教学中）都有不同程度的应用，并且取得了较好效果［21］。虽然存在价格昂贵、技术手段尚不成熟等诸多应用阻力，但是，作为一种适应现代医学教学发展潮流的新兴技术，随着计算机技术的不断发展，相关软件硬件的更新换代，虚拟现实技术必将在医学教育中发挥越来越重要的作用。

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【中图分类号】：G434

【文献标志码】：A

【文章编号】：1004-5287（2016）04-0420-04

基金项目：第二军医大学2015年度任职教育教改课题（RZJYA201507）

收稿日期：2016-04-11

作者简介：罗溪（1995-），男，兰州人，本科在读，主要研究方向：虚拟仿真医学实验教学。

通信作者：肖良（1983-），男，湖南浏阳人，讲师，博士，主要研究方向：医学教育实践。电话：15921431590；E-mail：hormat830713@hotmail.com

Application of virtual reality to higher medical education

Luo Xi1，Li Songsheng2，Wang Yuefan1，Yan Zhenpeng3，Duan Wanli3，Nie Fei4，Xiao Liang4

1Team 8，Grade 2014 of Clinical Medicine；2Team 1，Grade 2012 of Naval Clinical Medicine；3Team 3，Grade 2014 of Naval Clinical Medicine；4Department of Marine Biotechnology of Faculty of Naval Medicine，Second Military Medical University，Shanghai 200433，China

【Abstract】：Virtual reality technology is a collection of simulation technology，computer graphics，human-computer interface technology and other technologies；it is a state-of-art cross-disciplinary technology.With the development of computer and network technology，virtual reality technology is broadly applied to many medical fields，particularly basic medical knowledge education and clinical skills training.Virtual reality displays excellent advantages in overcoming some restrictions of traditional medical education.It is beneficial for innovating educational conceptions，expanding education space，improving teaching quality and efficiency，and saving consumables，suggesting that it will greatly prompt the reform and development of medical education.Although virtual reality is still at its preliminary stage with a lot of disadvantages，it is expected to have broad application to medical education because of its unique superiority.

【Key words】：virtual reality；medical education；surgery