浅谈虚拟现实技术对现代医学教育的影响

李 檬，罗泰来，牛 振

模拟训练在过去的40年中，已广泛用于航空、商业、核电和军事领域。模拟教学可分为模块模拟和情景模拟。模块模拟是使用模块式的教学模具，对单一的技能进行操练。情景模拟则是使用标准化患者(standardized patients，SP)等，对特定的场景以及病例进行模拟，训练学员对相应情景的反映。两种模拟方式各有优点，但均有不足之处。虚拟现实(virtual reality，VR)技术则能将两者优点结合，既能模拟特定的场景，又能让学员进行重复的练习。

1 VR技术的概念

VR技术是20世纪60年代中期由Ivan Sutherland最先完成的［1］。1965年第一台头戴式现实器的制成，意味着虚拟现实技术的诞生。VR一词是由喷气推动实验室的创始人Jaron Lanier首先提出来的，又称之为虚拟环境(virtual environment，VE)，是美国国家航空和航天局及军事部门为模拟而开发的一门高新技术。VR不同于一般的多媒体或仿真技术，它是多种技术的综合与集成，其主要的相关技术包括［2］:传感器技术、促动器技术、实时仿真技术、数字仿真技术、计算机辅助设计技术、人工智能技术、场景生成技术和多媒体技术等。根据VR技术的使用媒介不同，可分为:沉浸式VR、桌面式VR、假性VR和逆向VR等。

VR系统包含4个部分:软件、硬件、输入设备和输出设备。硬件部分包括［3］:(1)传感器(sensors)。例如能够检测观察者身体运动的头位置传感器等。(2)印象器(effector)。印象器指能够刺激观察者产生立体效果的立体显示装置，如头盔显示器等。(3)连接传感器与印象器以产生模拟物理环境的特殊硬件，如工作站。VR技术之所以能够掀起如此大的研究热潮，其原因不仅在于它自身的理论发展与完善，更主要的在于它在各个领域的广泛应用以及可以预见的广阔发展前景。

2 VR技术在教学中的作用

2.1 虚拟环境，安全高效

在远程教学中，往往会因为实验设备、实验场地、教学经费等方面的原因，而使一些应该开设的教学实验无法进行。利用VR系统，可以弥补这些方面的不足，学生足不出户便可以做各种各样的实验，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。

以往对于危险的或对人体健康有危害的实验，一般采用电视录像的方式来取代实验，学生无法直接参与实验，获得感性认识。利用VR技术进行虚拟实验，则可以免除这种顾虑。学生在虚拟实验环境中，可以放心地去做各种危险的或危害人体的实验。例如，虚拟的化学实验，可以避免化学反应所产生的燃烧、爆炸所带来的危险;虚拟的外科手术，可避免由于学生操作失误，而造成“患者”死亡的医疗事故。

2.2 模拟训练，环境逼真

VR技术能够为学生提供生动、逼真的学习环境，学生能够成为VE的一名参与者，在虚拟环境中扮演一个角色，这对调动学生的学习积极性，突破教学的重点、难点，培养学生的技能都将起到积极的作用。

VR系统可设置不同的战场背景，给出不同的情况，而受训者则通过立体头盔、数据服和数据手套(或三维鼠标)操作传感装置，从而做出或选择相应的战术动作。输入不同的处置方案，体验不同的作战效果，进而像参加实战一样，锻炼和提高战术水平、快速反应能力和心理承受力。与常规的训练方式相比较，VR训练具有环境逼真，“身临其境”感强、场景多变，训练针对性强和安全经济，可控制性强等特点。如美空军用VR技术研制的飞行训练模拟器，能产生视觉控制，能处理三维实时交互图形，且有图形以外的声音和触感，不但能以正常方式操纵和控制飞行器，还能处理VR中飞机以外的各种情况，如气球的威胁、导弹的发射轨迹等。

3 VR技术在医学训练中的应用

3.1 VR系统

VR系统是通过虚拟技术，结合计算机软件等建立虚拟操作平台，对有创类手术、操作和相关检查进行虚拟仿真练习。现有的VR系统包括手术类、操作类和检查类。手术类有:腹部外伤手术、腹腔镜胆囊、膀胱切除术、鼻内窥镜手术、膝盖和肩部关节镜手术、血管手术等。操作类型有:静脉导管插入、腰椎穿刺、硬膜外麻醉、骨髓活检、心脏导管插入术、下腔静脉滤器置入、心包穿刺、环甲膜切开术、开胸手术等。检查类包括:眼压检查、超声检查、宫腔镜检查、输尿管镜、支气管镜、上消化道内窥镜等。

3.2 虚拟人和虚拟医疗环境

使用虚拟人技术，医生便能远程通过视频电话指导患者进行康复治疗和其它相关项目，如创伤救治、团队训练和演练等。医疗VE是通过虚拟患者和治疗方案的人机界面评估，通过网络了解就诊地点、家庭或医院环境的医疗状况，改进对医疗环境的预警和诊断。其应用领域包括康复指导、远程医疗、远程教育、医疗演习、急诊应急救助等。

3.3 虚拟医院

虚拟医院的目标是通过使医学专家信息数字化，降低访问医学信息的门槛，方便可访问治疗点的医疗人员和其他人员(如患者)的访问。虚拟医院分为患者网页、医护人员网页、管理人员网页等。患者网页主要内容为25个常见病及急救方法、用户保健信息等，可供进行虚拟练习使用。医护人员网页链接了82个海上常见的医学问题，提供了权威医学答案。还链接保健、海军职业与环境卫生、医疗程序、继续医学教育模拟训练课程等。

4 小结

VR技术在医学训练中具有非常多的优点，包括:有效、经济和更加合乎伦理及人文关怀。通过VR技术，对操作课程进行仿真模拟，能有效提高训练质量。同时VR技术可以让学员进行反复多次的练习，从而降低成本。最关键的是，模拟仿真的手段，对真实患者无伤害，更符合医学伦理及人文关怀。

VR技术的运用，促进了临床教学模式的转变。传统教学模式为床边教学模式，一般是由带教老师带领实习生“看一个、做一个和教一个”。这种模式受带教老师能力素质的影响很大，训练内容与数量受运气影响较多。而VR技术则能实现“看一个、模拟操作很多次、完整做一个，再教给大家”。这样的模式将带教老师素质和运气因素对训练效果的影响降到最低，同时提高实习生的训练质量。

VR技术能涵盖多个教学环节，如:开始学习阶段、实验室基本技能练习阶段、病床边学习阶段、术前规划和手术演练。因此，VR技术是一种安全、高效、实用的教学工具，是当今社会医学教育研究的热点之一。

VR技术在国内推广的同时也存在一些问题，如:价格较高、师资缺乏和衔接不畅等问题。VR技术的设备相对昂贵，大规模建立先期投入较大;针对VR技术的师资训练国内还较少，缺乏相应的专职教师;VR技术训练和传统训练模式如何衔接，促进医学生教育质量的提高，还有待进一步研究。

［1］Carl M，Steve ET.Virtual reality［J］.Comput Graph Appl，1994，14(1):15-16.

［2］Frank B.Tomorrow's space:journey to the virtual worlds［J］.Comput Graph，1993，17(6):687-690.

［3］Stephen RE.What are virtual environments［J］.IEEE Comput Graph，1994，14(1):17-22.

(本文编辑:张阵阵)