麻醉学虚拟仿真实验平台建设方案的探索

张洋 宋英 秦霞 张咏梅

麻醉学院承担培养麻醉学专业复合型人才的任务，麻醉学专业培养目标包括基础医学、临床医学、麻醉学方面的理论知识及能力，实践中存在高风险、高成本、高运维问题。虚拟仿真实验平台建设是实践教学改革、教学应用研究和普适性教学的新型实践阵地，通过虚拟现实技术转化为“高沉浸感、高交互性、高构想性”的新型实践方式，进行与专业相关的应用性、实践性教学，为医学生教学实践和应用研究提供先进工具及有效手段[1]。徐州医科大学麻醉学院通过虚拟现实、动作捕捉、人工智能、大数据等技术合作，实现麻醉学院虚拟实践教学[2-3]。

1 平台建设内容

1.1 虚拟现实交互实验中心

该中心可实现多人互动沉浸式VR虚拟现实方案，大场景多人联机空间数据实时追踪的VR应用，软件可以自由搭建虚拟环境，在硬件系统中结合交互工具。预计建设所需场地面积50～70平米，同时可容纳4人实时互动仿真操作，适用于麻醉学院的VR教学与实训中心。第一，针对麻醉学院本科教学，建设机能实验学VR虚拟仿真课程软件和开放式网络3D教学课件，整合现有实体实验课程，融入麻醉设备学实验内容，开发麻醉解剖学教学课件，通过VR技术将所有标本还原到虚拟中并加以详细描述作为数字资产，供学生通过VR的形式体验学习，同时通过VR技术与现有设备结合（如模拟人、呼吸机等），进行麻醉解剖、麻醉设备及麻醉机能实验学的实践教学[4]；第二，针对麻醉学院研究生科研技术培训，开发相应分子生物学、生物化学及电生理学实验操作培训课程，适用于解决关键实验室技术的保留与传承，加快研究生实验精准操作掌握的进度；第三，针对临床麻醉、急救、疼痛、危重病、麻醉护理专业的临床多人交互虚拟现实仿真实验操作，充分利用现有硬件设备（如模拟人、呼吸机等），开发相应的临床、护理及紧急救援VR课程，适用于本科实习、临床规培等培训与实践教学。

1.2 虚拟现实实践研发中心

该系统可通过应用动作捕捉设备输出精准的单人或多人动捕数据，支撑教师与学生的互动、实践性的课程实践，适用于护理康复、虚拟手术、虚拟解剖等专业师生教育教学课题研究。康复训练方面可利用动作捕捉设备做步态分析、运动能力自动化检测、关节活动度检测、康复训练表现监测等课题研究；医疗课程动画制作方面通过人体动作来驱动数字模型快速产出作品[5]。

1.3 混合现实实践教学中心

基于MR头戴式显示器开发的轻量级，多人大空间体验，可实现40人以上同时体验，设备方便快捷运营简单，可实现班级化VR教学以及网络化开放式3D教学，可为学生提供丰富的VR教育资源，既可用作VR教室也可当作传统机房，同时可作为爱国主义教育体验中心，并可作为思政党建宣教中心。

2 平台建设方案

2.1 沉浸式虚拟现实系统功能

虚拟现实交互体验中心利用的是大范围多人互动商用VR解决方案。通过该解决方案可以让用户开发大场景多人联机、空间数据精准实时追踪的VR应用[6]。多人大空间商用虚拟现实系统通过专业摄像头实时追踪场地中的所有刚体对象，如头显、控制器、道具等，获取到被追踪物体的光学数据后，结合刚体上的惯性传感器元件对数据进行防抖动平滑处理以及光学信息丢失补偿处理，最后生成高质量的实时追踪数据并广播至所有的应用客户端。使用手持式虚拟现实控制器，完成与虚拟场景或对象的交互，实现完善的虚实结合体验。

2.2 沉浸式虚拟现实系统设计

多人大空间商用虚拟现实系统是一套能够适用于大场地空间、多人同时在线互动的虚拟现实完整解决方案[7]。这套解决方案包括如下几个组成部分。

（1）沉浸式显示系统。通过虚拟现实头显和相应搭载的高性能图形计算机，提供高显示性能、低延迟的画面显示。搭配虚拟现实头显，提供顶级图形渲染能力。配合光学系统实现六自由度定位跟踪[8]。同时提供定位数据的处理、虚拟现实交互系统的本地数据处理功能。

（2）交互操作系统。虚实交互，这一套虚拟现实解决方案提供灵活的虚拟现实交互手段，观察者/使用者和主管人员都可以使用标准的虚拟现实交互手柄其他设备进行交互。

（3）多人协同。在虚拟交互空间内，体验区面积可以根据实际场地需求灵活配置，满足多人同时体验交互、操作。使用者配戴头显进入沉浸式虚拟环境中，与虚拟/实际物体进行交互。体验者可在物理空间内自由走动，360度自由观察[9]。

（4）实时定位系统。惯性定位模块输出高刷新率的、不受遮挡的运动数据，与光学定位相结合，获取到被追踪物体的光学数据后，结合刚体上的惯性传感器元件对数据进行防抖动平滑处理以及光学信息丢失补偿处理，提供高性能的混合定位数据，最后生成高质量的实时追踪数据并广播至所有的应用客户端，这是其他的方案所无法匹敌的优势[10]。

2.3 沉浸式虚拟现实软件支撑建设

上述构建的虚拟软件引擎能够充分发挥虚拟现实系统的功用，直接将3D模型导入虚拟现实环境中，并且通过方案中的人机交互工具进行修改、调整、装配，达到直观的模型演示目的，并且自由搭建虚拟环境，在方案中的硬件系统中结合交互工具，实现上述平台功能[11]。

2.3.1 麻醉本科专业教学课程软件建设 第一步，经学院相关专业人才讨论后，拟在采购硬件基础上编写1个麻醉机能实验学VR虚拟仿真教学课件《Swan-Ganz漂浮导管对血流动力学的检测》，检测学院自我开发能力，掌控软件开发流程技术瓶颈，为进一步扩大课程软件建设奠定基础；第二步，全面建设机能实验学本科教学VR虚拟仿真课程软件和开放式网络3D教学课件，整合现有实体实验课程，融入麻醉设备学实验内容，开发麻醉解剖学教学课件，充分发挥虚拟仿真平台本科实验教学功能；第三步，开发“模拟人”虚实结合仿真实践引擎，进一步增强现有设备的利用，拓展平台实践教学能力[12]。

2.3.2 麻醉相关本科专业及研究生实践教学课程软件建设 第一步：依据上述本科机能实验学、麻醉设备学及麻醉解剖学虚拟仿真实验内容，建设急救医学、危重病医学、疼痛及麻醉护理专业的VR虚拟仿真课程软件和开放式网络3D教学课件；第二步：麻醉研究生实验关键技术培训VR虚拟仿真课程软件的建设，如《触液神经核的定位注射》等[13]。

2.2.3 临床实习培训及医师规范化培训实践操作课程软件建设 针对临床麻醉、急救、疼痛、ICU、麻醉护理专业建设临床虚拟现实仿真实验操作软件，充分利用“模拟人”虚实结合实践教学，开发相应的临床、护理及紧急救援VR课程，用于本科临床实习培训及医师规范化培训[14]。

3 小结

麻醉学院虚拟仿真实验平台建设尚处于起步阶段，在今后将会依托学科优势，并结合学院产学研计划，进一步优化麻醉学校虚拟仿真教学资源，推进麻醉学院虚拟仿真实验平台建设，搭建运行管理平台，做好教学辅助功能开发，综合应用人机交互、虚拟现实、三维建模等技术手段，完善教学内容，提升麻醉学院教学质量，推进麻醉学院实验信息化、技术化更好更快的发展，也为麻醉学院培训更多的创新型人才做出有益的探索。