虚拟现实技术在医学教育中的应用价值*

侯振江 王凤玲 李红岩

虚拟现实(virtual reality，VR)技术是利用计算机生成逼真的视、听及触觉一体化特定范围的一种模拟环境，借助必要的设备，实现用户与该环境直接进行交互作用、相互影响，从而产生等同真实环境感受与体验的自然交互技术，给人一种身临其境的真实感觉。

随着VR技术的不断发展，构建虚拟的实验教学系统已成为可能，由于其能够创建与现实社会类似的环境，从而解决学习媒体的情景化及自然交互性的要求，故在教育领域内有着极其巨大的应用前景[1]。

1 虚拟现实技术在国内外的应用

作为一门新兴的学科，VR在医学领域的应用备受瞩目。早在1993年的统计结果显示，世界市场上出现的805个VR应用系统中就有49个应用于医学[2]。因此，VR技术在医学教育中的应用研究显得尤为重要。

1.1 国外应用

VR技术最早起源于美国，1966年麻省理工学院开始了头盔显示器的研制，拉开了虚拟实验研究与应用的序幕；1992年世界上第一个VR开发工具问世，同年北卡罗来纳大学将超声图像与VR相结合，将实时的超声扫描图像经信号变换输送到医生所戴头盔的显示器，医生依赖于头盔的“看穿”能力，可看到超声图像映迭到患者身体上[3]；1993年华盛顿大学技术中心的人机界面技术实验室将VR技术研究引入到教育领域；德国汉堡大学K.Homhne教授领导的研究小组进行了解剖三维可视化研究，用受试者的CT和MRI横截面影像或组织学切片建立起空间模型，构建三维可视化虚拟人体图谱(VOXEL-MAN)，为学生自由地在三维人体空间进行各种操作搭建了平台；1985年美国国立医学图书馆(NLM)开始了人体解剖图像数字化的研究，并由科罗拉多州立大学医学院将一具男尸和一具女尸进行CT和MRI扫描，图像数据处理后，建立了“可视人”，并于1995年出版发行了CD盘片，学生可以在计算机屏幕上对“可视人”进行冠状面和矢状面的解剖，并将局部图像进行缩放，对解剖学教学发挥了重要作用；1995年在Internet上出现了“虚拟青蛙解剖”，“实验者”可以在屏幕上亲自动手进行青蛙解剖，观察其肌肉和骨骼组织。

20世纪90年代末期，开展了虚拟解剖学、虚拟放射学及虚拟内窥镜学等学科的计算机辅助教学。1989年美国提出了“可视人体计划”，开始数字化虚拟人体的研究[4]；1991年进行了人体结构数据的采集和三维重构，构成存在于计算机中的解剖虚拟人；韩国、日本、德国和澳大利亚也相继启动了“可视人体计划”，韩国实施了可视人体5年计划，斯坦福大学等用VR技术成功建造了人体腿部模型，澳大利亚大学利用VR技术建造了虚拟肝肾模型，韩国汉城大学利用下肢三维虚拟模型进行步态分析，2001年日本启动了为期10年的人体测量国家数据库建造计划，完成7～90岁34 000人178个人体部位的测定，制定出日本人的人体标准数据，日本京华医科大学利用CT和MRI影像技术建造了“日本可视人”。国外已经开发出新的计算机人体解剖模拟学习系统，建立了骨骼、肌肉和心脏等部分器官的三维模型，如华盛顿大学开发的数字解剖学家系统；汉堡大学开发的Voxel Man系统等；芝加哥大学建造了一套完整的人体虚拟解剖系统，学生利用虚拟的组织、器官间的模拟操作感受触觉反馈，以便更快地掌握手术要领和技术。

1.2 国内应用

20世纪80年代末，国内开始进行VR技术的研究，并逐步投入到航天和军事领域。2001年开始数字化可视人体研究，在虚拟几何人阶段中成功构建了男女解剖虚拟人数据集，在物理虚拟人阶段开发出人工关节、人工喉及人工心脏等实用软件，在生理虚拟人阶段实现局部器官的生理虚拟，如将心脏的生理功能信息附加在几何和物理虚拟心脏上，既可模拟各种心脏手术，又可模拟各种药物对心脏的作用，从中筛选最佳手术方式和最佳用药剂量和给药方式，进行药效对比等一系列试验。1998年北京医科大学用VR技术构建了32颗人恒牙的三维模型；2002年汕头大学医学院引进挪威的SimMan数字化虚拟人，用于临床技能教学和考核；2003年第一军医大学宣布完成国内首例女性虚拟人的数据采集；同年上海中医药大学建立了基于VR的现代化模拟医院，用于医学生的临床实习[5]；2004年首都医科大学引进美国的HPS和智能型高级综合数字虚拟人，率先在国内开展基于VR的急诊医学高仿真模拟教学[6]。学生的诊治操作由计算机评判，“患者”状况随时改变，或好转或恶化，学生可感受真实的临床操作体验。VR也可模拟不同的疾病和系统病状，供医学生学习，从而提高诊疗水平。浙江大学生物医学工程研究所利用虚拟心脏进行心电逆问题研究等，这些虚拟人、虚拟人体图普及虚拟人体器官对临床教学产生了重大的意义。许惠玉等[7]创建了临床免疫学及检验虚拟实验室，将实验的全过程以虚拟实验室的方式生动、形象的展示在学生面前，激起了学生的学习兴趣，加深了学生对实验的了解。彭坤等[8]将自动生化分析仪学习平台与虚拟半自动生化分析仪实训教学系统整合在一起，实现了理论学习与实践能力培养相结合，对提高临床医学检验课程教学质量和该专业学生的职业能力两方面都有帮助。李淑慧等[9]构建了“临床生物化学检验”虚拟实验教学系统，彻底打破了空间和时间限制，为学生提供独立完成或协作完成实验操作的生动、逼真的实验学习环境，学生能够自主开放地进行综合性和设计性实验训练，极大地调动学生的学习积极性，培养学生解决问题和自主创新的能力，充分体现“以学生为主”的创新教学理念。

2 虚拟现实技术在医学教育中的应用价值

2.1 充实理论知识的学习

VR技术有助于培养学生的学习兴趣，拓宽学生的知识面，有效地充实理论知识学习。在虚拟实验中学生把虚拟环境与真实相比较，在合作的基础上进行探究，发展医学领域的概念、解决问题的基本技能以及从虚拟真实情境迁移的能力，必将产生极大的教育价值。VR技术不仅是医学生进行临床实习的必要手段，也是在职医师、专科医师的临床技能训练，尤其一些新技术(如腹腔镜手术、介入性手术等)的临床推广。

2.2 弥补实验教学资源的不足

在实验教学中，由于实验设备、场地及经费等方面的因素，使一些应该开设的实验项目无法进行，不能满足实验教学的需要。利用虚拟现实系统，对元器件和设备库进行无限复制和组合，无人为损坏，使学生完成各种实验，获得与真实实验一样的体会，从而丰富感性认识，加深对教学内容的理解。在虚拟的教学环境中实验设备可以重复使用，且不会有任何物理上的损耗，最大程度的节约了教育教学资源，弥补了传统教学环境的不足[10]。

2.3 优化升级软件节省教育资源

应用VR技术，反复利用病例和场景，针对某一病理现象，可模拟出不同的病因，并进行相应的处理。学生以低廉的成本进行各项实践技能训练，掌握操作要领，强化职业技能，提高熟练程度，特别对医务人员操作技能要求较高的前沿领域必将有更广泛的应用，不仅节省资金，又可提高教学质量[11]。一次性经费投入，通过软件系统的修改，不断优化升级资源内容，进行实验内容的变更，为学生探索式和交互式学习提供广阔前景。

2.4 模拟真实情境避免各种危险

传统的对于人体有危险或对健康有危害的实验，多采用电视录像的方式来取代，学生无法直接参与并完成实验，不能获得感性认识。利用VR技术虚拟实验环境和场景，学生可以放心做各种可能会发生危险或危害人体的实验，如有毒的化学实验、高压强电的实验以及传染性强的艾滋病实验，消除顾虑，避免诸多人身伤害风险和危险的发生，降低操作失误和训练风险，增强受训者的心理承受能力，提高训练的质效水平，同样达到理想的教学效果[12-13]。

2.5 突破时间和空间的限制

利用VR技术可以彻底打破时间和空间的限制，在很短的时间内呈现给学生需要很长时间才能观察的某些变化过程[14]。如细菌、病毒培养过程，需要1周乃至数周的观察，用动物做实验往往需要数月的时间观察生物遗传的某些定律，而利用VR技术在一堂课内就可以实现。尤其是对某些不常见、难以直接观察的变化，可以全方位、多角度地再现出来，有利于学生拓展视界，学习向新的领域迁移，形成知识复合和交叉[15]。利用Web提供协同虚拟技术和网络平台，还可以实现多人合作、远程实验和协同操作，为学生提供自由的学习空间，激发学生的学习兴趣与热情。

3 虚拟现实技术的展望

随着VR技术的不断发展完善，以及硬件设备性价比的不断提高，虚拟技术必将日趋成熟，逐渐普及化、大众化。在未来教育中，虚拟教学与传统教学将并驾齐驱得到有机融合，产生新的虚实结合的教育教学模式，以其强大的沉浸度、交互性及多感知的人性化特性，必将对以实践为主要特怔的医学教育领域产生深远的影响。而VR技术作为一个新型的教育教学媒体和手段，必将以其强大的优势和潜力，受到教育工作者的重视和青睐，并最终在教育领域应用中发挥更加重要的作用，对高教事业的发展产生积极而深远的影响[16]。

[1]王秀娟.基于校园网的医学虚拟实验室研究[J].中国科技信息,2009(21):98-99.

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[3]施楚君.SimMan综合模拟人在临床技能教学中的应用[J].西北医学教育,2004,2(12):152-153.

[4]白桂有,杨博贵,张正治.数字化虚拟人体在医学上的应用进展[J].中国临床解剖学杂志,2006,24(6):705-706．

[5]焦安权,钟声.虚拟现实技术在医学领域的发展与应用研究[J].海南医学院学报,2008,14(5):584-586.

[6]尹毅东.医学虚拟现实技术的运用[J].第四军医大学学报,2007,23(1):88-89.

[7]许惠玉,孙风永,曹元,等.临床免疫学及检验虚拟实验室的创建[J].齐齐哈尔医学院学报,2009,30(18):2304-2305.

[8]彭坤,王易振,张静文,等.虚拟半自动生化分析仪实训教学系统的构建[J].重庆医学,2010,39(18):2430-2432.

[9]李淑慧,韩起,陈莎,等.虚拟实验在《临床生物化学检验》教学中的应用探析[J].国际检验医学杂志,2013,34(1):116-117.

[10]吴祥恩.虚拟现实技术在“现代教育技术”课程中的应用研究[J].中国电化教育,2011(3):96-100.

[11]孟祥宇,全江涛,丛蓉.虚拟现实技术在现代教育中的应用研究[J].重庆科技学院学报(社会科学版),2011(5):188-189,196.

[12]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.

[13]高建华,邓亚明.虚拟现实技术在现代教学中的应用研究[J].电脑开发与应用,2011,24(1):22-23.

[14]周杰.应用虚拟现实技术提高开放大学医学教育质量[J].继续医学教育,2012,26(6):39-41.

[15]周彩根.虚拟现实技术及其在高等教育领域的应用[J].产业与科技论坛,2012,11(18):63-64.

[16]徐辉,马秀峰.虚拟现实教育应用探析[J].山西师范大学学报(自然科学版)研究生论文专刊,2010,24(6):95-97.