虚拟现实技术在医学教育中的应用

高 芸

（平凉医学高等专科学校，甘肃 平凉 744000）

随着现代科技的飞速发展，基于计算机仿真技术的“虚拟现实技术”智能交互教学方式也随之应运而生。

虚拟现实技术（Virtual Reality，简写为VR）是指通过多媒体技术与仿真技术的结合而生成逼真的视觉、听觉、嗅觉、触觉和运动等一体化的虚拟环境，实现人机实时交互，身临其境的感知和体验“现实世界”的一种技术［1，2］。虚拟现实技术可以将医学教育中的文字、图像、声音、视频和动画等信息汇集一体，真实或比较真实的模拟医学世界中的景象，通过新颖的教学手段和活泼的表现形式，在医学教育领域有着极其广阔的应用前景［3］。

一、医学理论教学

传统的医学理论教学是通过老师讲授、板书演示，再结合手势、挂图、模型、标本或者人体等其他辅助教学工具进行的教学。

医学虚拟教学利用计算机仿真技术，虚拟三维人体、人体器官和虚拟医疗器械等模型，构建医生操作程序，将人体特征模型与各种操作过程有机的结合，并通过人与计算机人机实时交互，为学生学习提供丰富的资源和交互学习环境。美国国家图书馆创建的三维人体解剖图谱可以让学生在交互环境中自由地观察、移动和解剖任意选定的解剖结构，逼真地重现人体解剖场面;应用动画技术可在血管、气管和心室内漫游，而不用担心医学、经济和伦理学的问题［4］。德国汉堡EPPENDORF大学医用和数学研究所建立的VOXEL-MAN虚拟三维人体系统（包括肌肉、骨骼、血管和神经等任意部分），学生可以通过头盔显示器模拟人体解剖过程，进而获取任意器官和组织名称、类型和描述等解剖消息;以任意视觉立体观察或内窥镜观察;模拟解剖和手术等;模拟放射成像;测量任意器官或组织间的距离［5］。美国医学实验室基于尸体数据库创建并在线发布了“可视人体”，学生可以了解各个器官或系统正常状态或病态时的运动行为，并体验几个虚拟的基本解剖结构［6］。2002年汕头大学医学院引进挪威的SimMan数字化虚拟人，用于学生的临床教学和考核［7］。2004年首都医科大学引进的美国HPS和智能型高级综合数字虚拟人，率先在国内开展急诊医学高仿真模拟教学，学生通过仿真系统模拟诊断和诊治不同的疾病和系统病状，计算机模拟“病人”的病况并评判，提高了学生的临床诊断和治疗能力［8］。

二、虚拟实验教学

传统的医学实验教学是在实验室内通过费用较高的动物实验和尸体解剖来完成的。在医学实验教学中，往往因为实验设备、实验动物、解剖用尸体等原因，使得一些基本的教学实验无法开展。

虚拟现实技术则既可以虚拟三维人体和器官，还可以模拟医学仪器，为学生提供生动、真实和安全的实验虚拟学习环境，突破实验教学的重点和难点。虚拟的数字化三维人体解剖图谱，可以让学生自由地观察、移动和生成人体器官和组织解剖结构;还可以通过人机交互操作，使学生以感受和体验触觉反馈。可以弥补因缺乏经费、尸体来源或实验设备造成的学生动手技能不足。

虚拟现实技术还可以避免真实实验环境对人体健康所带来的各种危险。通过模拟传染性临床症状，学生在虚拟教学环境中，可以免除被传染的顾虑，放心地完成传染病临床诊断和治疗过程。同样，学生可以通过虚拟方法学习血型鉴定和数学，避免血源性疾病的传播。

虚拟现实技术能突破医学实验的时间约束，一些需要数月甚至数十年才能观察的生物变化过程，在很短的时间内就可以让学生观察到。譬如，生物遗传学中的某些遗传定律，用动物实际做实验往往需要数月的时间，但是利用虚拟现实技术则能在短短的一堂课内就能完整地显示整个过程。

三、虚拟手术教学

传统手术教学是采用手术现场观察和操作以及动物实验等方法进行的，这些方法的缺点是很明显的，如手术教学不能重复进行，可能会给手术对象带来一定程度的伤害等。虚拟手术教学是虚拟现实技术在医学训练中最重要的应用。虚拟手术模拟器可以给学生提供一个多感知性、沉浸性、交互性和构想性的手术虚拟训练环境，学生通过视觉、听觉和触觉感受人体多种器官和组织结构，学习各种手术实际操作，体验如何应付各种临床手术的实际情况。虚拟环境还为操作者提供了方便的三维交互工具，可以模拟手术的定位与操作，在高性能的计算机环境下，还可以对手术者的操作给出实时的响应，如在外力作用下的软组织形变、撕裂、缝合等，使手术者操作的感觉就像在真实人体上的手术一样，既不会对患者造成生命危险，又可以重现高风险、低概率的手术病例［9］。

随着虚拟现实技术软硬件的迅猛发展，国际上已出现了多种虚拟手术训练系统。Choi和Han等开发了食管镜手术虚拟训练系统，使学生能感受到与虚拟软组织的接触并显示食管的变形和切割［10］。Ota和Loftin等研发的虚拟内窥镜手术模拟器既能训练学生手术技能，还可以基于完成手术的时间、血管切割长度、打结位置、手术器械平均移动行程和效率等因素评估学生的手术能力［11］。Wang和Beekers等研发了神经外科手术虚拟训练系统，可实时改变脑组织形变的三维立体显示和双手力反馈装置仿真手术器械的穿刺、牵引与切割［12］。Sinclair和Peifer等开发的眼科手术模拟器不仅能让学生模拟眼科手术训练，而且也能帮助有经验的眼科医生在把新的手术技术应用于临床之前能反复地进行模拟，以防止医疗差错的发生［13］。近年来，国内研究人员也研发了多种虚拟手术训练系统，如谭珂等开发的鼻内窥镜虚拟手术仿真系统［14］，熊岳山等研发的虚拟膝关节镜手术仿真系统［15］。

虚拟现实技术在医学教育中的应用改变了传统的医学教育模式，提高了医学院校学生临床诊断和治疗能力，越来越受到重视。但是也要认识到虚拟现实技术在医学教育还处在发展阶段，仍有很多问题亟待解决。随着虚拟现实技术的发展，虚拟医学教育一定会有着广阔的前景。

［1］唐泽圣.可视化及虚拟现实技术的新发展［J］.计算机世界，1995，25（C）:1-2.

［2］王成为，等.灵境（虚拟现实）技术的理论、实现及应用［M］.北京:清华大学出版社，1996.

［3］杨雪，等.医学虚拟实验的层次设计研究［J］.中国高等医学教育，2010，（1）:77-78.

［4］张绍祥，等.中国数字化可视人体图谱［M］.北京:科学出版社，2004.

［5］CroatMed J，KatavicV VOXEL-MAN 3D-Navigator［J］.2008，49（1）:131-133.

［6］Ackerman M.J.The Visible Human Project［J］.Proceedings of IEEE，1998，86（3）:504-511.

［7］林梅，等.建立教学模拟医院提高实验教学质量［J］.中国医学高等教育，2006，20（10）:82-84.

［8］尹毅东.医学虚拟现实技术的应用［J］.第四军医大学学报，2007（23）:88-89.

［9］Burdea G，Coiffet P.Virtual real technology［M］.Wiley，John＆Sons，Incorporated，USA，2003，6.

［10］Choi C，Han H，An B.Developmentofa surgical simulator for laparo-scopic esophageal procedures［C］.Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc，2006:819-822.

［11］Ota D，Loftin B，SaitoT，et al.Virtual reality in surgical eductation［J］.Compute Biol Med，1995，25（2）:127-137.

［12］Wang P，Becker AA，Jones IA.A virtual reality surgery simulation of cutting and retraction in neurosurgery with force-feedback［J］.Compute Methods Programs Bio med，2006，84（1）:11-18.

［13］Sinclair M J，Peifer J W，Haleblian R，et al.Computer-simulated eye surgery.A novel teaching method for residents and practitioners［J］.Ophthalmology，1995，102（3）:517-521.

［14］谭珂，等.一种鼻内窥镜虚拟手术仿真系统［J］.计算机工程，2006，32（16）:243-244，276.

［15］熊岳山，等.虚拟膝关节镜手术仿真系统的关键技术研究［J］.国防科技大学学报，2007，29（1）:76-80.