虚拟现实技术在医学专业实验教学的应用

柯文婷

摘要：虚拟现实技术是一个巨大的、正在成长的市场，被广泛应用于诸多领域，将虚拟现实技术应用于医学教学，能有效地解决临床实验教学模拟度低，实践与理论教学脱节等方面存在的问题。虚拟现实技术能使理论型的知识学习起来更加直观，提高学生与模拟现场的互动程度，更好地让学生亲临其中。更加容易把握操作类知识的学习整个流程；其次，相较于传统的医学实验教学方法，学习解剖学各脏器和各组织虚拟现实技术有其不可取代的优势。

关键词：虚拟现实技术；实验教学；临床医学

中图分类号：G424 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）33-0134-02

1 引言

实验教学是高等院校培养高素质合格人才的重要实践性环节，它是学生巩固和加深对理论知识的理解，锻炼在实践中发现问题、分析问题和解决问题的能力。虚拟实验室在培养学生的实践能力、研究能力、创新能力和综合素质等方面有着其他教学环节所不能替代的独特作用。

医学临床实验对于各脏器和组织的解剖教学，目前只有“课本——手术台”这种方式①，这种学习方式只能对尸体或者活体动物解剖进行学习，而手术的过程是不可逆的，传统的教学方式不仅成本高，学习效果也不佳。一名优秀的医生，需要经历无数台临床手术积累丰富的经验，不仅风险大，而且周期长！传统讲授课本的教学方法，医学的概念理论和图片画面，不够直观立体，学生不能仅仅通过阅读就获得相关知识，更难以理解透其中的精髓。由于现实条件的种种限制，观摩手术过程来学习临床医学的机会更是少之又少，很多医学生只能等去到医院实习了，才能见识到规范的手术过程，这使得理论与实践严重脱节。

2 虚拟现实技术

虚拟现实技术是近年来非常热门的多媒体应用技术之一，是一系列高新技术的汇集，它是一门涉及仿真技术、人工智能、传感器技术、图像处理技术、多媒体技术、人机交互技术、计算机网络以及高度并行等的综合集成技术，还包括人的行为学研究等多项关键技术[2]。它是多种多媒体应用技术更深层次的渗透和集成，能够给使用者带来逼真的体验，为人类观察由于种种原因不方便直接观察各种微观和宏观世界提供了极大的便利。用户可以通过建立虚拟模型，观察、操纵虚拟对象，浏览者通过三维鼠标、立体眼镜、立体头盔和数字手套等传感器与计算机建立联系，通过人的运动、力觉、触觉、听觉等感知，甚至还能模拟真实的味觉和嗅觉，传递给人的神经系统，最终产生一个拟人化的三维逼真虚拟环境，并与之交互。[3]

3 虚拟现实的软件系统

3.1虚拟现实技术软件系统组成

实现VR技术应用的关键在于虚拟现实的软件系统，比起国内，国外运用虚拟现实技术的时间要早不少。

虚拟现实建模语言VRML（Virtual Reality Modeling Language）是一種用于建立模拟世界场景的建模语言，是基于Internet的三维网页制作的主流语言，具有平台无关性。VRML本质上是一种解释性的面向对象的三维语言。

VRML的对象是结点，复杂的景物可以由结点的子结点的集合构成，对实例进行复用可以得到结点，对结点赋名和定义后，可建立动态的虚拟世界。VRML标准现在已经发展了新的标准X3D，X3D经过ISO国际认证，称为可拓展的三维语言，VRML具有以下特性：

1）应用C/S软件系统体系结构，可以直接从Internet调入VRML程序。

2）具有多媒体特性，能够使用VRML实现各种图形视频的制作。

3）能够创建3D场景和造型，增强了的静态场景，实时 3D 渲染、脚本支持。

4）实现感知的功能，用户和造型可以进行动态交互。

目前具有代表性的VR技术还有：Java 3D、Cult3D、Web3D中的X3D，还有在服务器上应用的Su-perscape VRT、MPIVega等，它们为在虚拟医学系统中应用VR技术提供了工具。

3.2虚拟现实技术硬件系统组成

虚拟现实技术硬件系统组成主要包括触觉和动觉系统、跟踪球、语音识别器、感觉手套、3D声音定域器、声音合成器虚拟现实发生器和高性能的计算机等。

4 国外研究现状

计算机辅助骨科手术（CAOS）是利用先进的成像设备，如磁共振成像（MRI）、正电子发射断层扫描（PET）、计算机断层扫描（CT）、数字血管减影（DAS）、超声成像（US）以及医用机器人（MR），采用相关计算机技术，对所采集的图像信息进行处理，定位和标记人体骨骼的解剖结构，利用计算机相关算法和规则，制定最佳的手术方案。另外，在3D定位系统和图像监视下，还能在正式手术前进行手术模拟。在骨科手术中，通过特定的引导系统，使用医用机器人和计算机进行手术干预，为医生提供强有力的方法和工具。

Sonocard Project是德国国家信息技术研究中心开发的一种交互式应用软件[4]。这种应用软件可以借助企业内联网或者因特网，进行课堂环境下的医疗培训。这种培训产生的真实感让学生能够让学生感觉如同在现实环境下进行各种各样的心脏病理实验一样。Sonocard Project通过研究以案例为基础的课程，更好地为医学生提供心脏超声波检查等方面的教育和医疗培训。

德国的计算机与医学数学研究所（汉堡大学），采集了人体解剖图谱后将之数字化，并建立了的三维图像。通过被测试者的磁共振成像和计算机断层扫描图像或组织切片图片建立三维模型，利用人工智能技术，把各部位的相关领域知识填充到空间模型中。学习者可在建立的空间模型中进行各种操作。[5]

美国国家图书馆从1985年开始研究如何将人体解剖数字化，分别对一具女性尸体和男性尸体进行0.33mm和1mm的MR和CT扫描后，将尸体冰冻之后进行1mm薄切片后采集图片并数字化，重建图像的矢状面和冠状面映像，再压缩数字图像数据，建立了“可视人”。[6]

5 VR技术的医学应用

VR技术的医学应用是指对特定的医学场景的真实再现。从医学图像开始，发展到虚拟人体、虚拟医疗系统、虚拟实验室和药物研究。虚拟实验室能够突破时间、空间的限制。通过真实地还原临床手术的现实场景，利用虚拟现实技术构建的虚拟实验室不需要考虑各种现实限制，学生可以突破时间限制观察手术过程，也可以亲自进行操刀手术而不用担心由于技术或经验的不足，造成医疗事故。加深了学生对实验内容的印象，进一步激发和促进学生的思考问题、分析问题的能力。

5.1 手术培训

在临床手术中，有80%的手术失误都是由于人为错误操作而引起，所以对临床医生的手术训练极其重要。医生在走向真正的手术台前，需要进行大量的练习[7]。虚拟现实系统让学习者可以不受标本、场地的限制，为学习者提供一个理想的训练平台。 准医生们通过观察高分辨率的人体3D图像，通过使用触觉工作台来模拟触觉，让准医生感受切割组织时的器械触感，给操作者的感觉就像对真实人体进行手术，这种培训既不会危及患者的安全，而且还能逼真地还原低概率高风险的手术案例供准医生们进行重复练习，例如，通过虚拟导管插入动脉的模拟器，可以使学生反复实践导管插入动脉时的操作；通过测量切口的压力和角度、组织损伤等指标，监测外科手术技术的训练进度。

5.2 手术预演

虚拟现实技术可以使用患者的真实数据在计算机中创建模拟环境，让医生在虚拟环境中进行手術预演，可增加网络功能，在外地专家的指导下工作，合理、定量地选择最佳手术方案，减少对手术部位附近组织的损伤，提高肿瘤定位准确度。虚拟系统可以预演整个手术过程，让医生在正式手术前预知可能会出现的突发状况，能有效地提高手术的成功率。

6 发展与展望

虚拟现实技术在医学临床实践方面的应用具有深远的实践意义。临床医学生在上手术台前，借助虚拟现实系统，可重复模拟手术，提高操作熟练程度并制定最佳手术方案。虚拟现实技术虽然取得了一些研究成果，但距离推广应用仍有相当大的差距。中国的虚拟现实技术较晚起步，但随着国家对虚拟技术的重视和投入，虚拟现实技术在医疗上将会更广泛和更深入的应用，这将给医学教育带来重大变革。

参考文献：

[1] 贺细菊.动物器官在人体解剖学实验教学中的应用探索[J].解剖学研究，2014（1）：67-69.

[2] 宋昌统.虚拟现实技术在高职高专计算机专业中的教学研究[J].信息与电脑，2015（24）：162-164.

[3] 袁超.多媒体虚拟现实技术的发展和应用[J].视听界：广播电视技术， 2006（1）.

[4] 孙秀伟.虚拟现实技术（VR）在医疗中的应用展望[J].临床医学工程，2007（5）：17-20.

[5] 张晗.虚拟现实技术在医学教育中的应用探讨[J].西北医学教育，2010，18（1）：48-51.

[6] 孙秀伟.虚拟现实技术（VR）在医疗中的应用展望[J].临床医学工程，2007（5）：17-20.