VR技术在泌尿外科教学中的应用

黄海鹏 徐小龙 黄福 张剑歌 汪小明 周立权 黄莉

泌尿外科学是外科学的一个重要学科，教学内容主要包括膀胱肿瘤、前列腺增生症、泌尿系统结石等泌尿系统常见病的诊断和治疗，内容繁多而复杂。为了不断适应学科发展的要求，提高教与学的效率，必须科学地解决教学遇到的瓶颈，引进新型的科技完善教学。虚拟现实（virtual realistic technique）技术可以利用计算机生成一种模拟环境，能使用户通过虚拟环境来切身感受真实的环境，在该虚拟的环境中进行操作。将VR技术应用于泌尿外科教学中，可以模拟泌尿系统环境进行教学，使得学生在更深刻理解泌尿外科知识的同时，在虚拟的模型上进行操作，增强操作的熟练程度。然而，作为一种应用于医学教学的新型技术，教学者以及学生都需要一定的时间和努力去适应，使得VR技术可以极好地服务于医学教学。

1 泌尿外科学

根据生理功能及解剖位置，泌尿外科学包括泌尿系及男生殖系统，泌尿系统主要包括肾上腺、肾脏、输尿管、膀胱及尿道，男生殖系统包括阴囊、睾丸、附睾、输精管、精囊、射精管，而泌尿系统与男生殖系统是通过射精管相互联系[1]。泌尿外科系统的疾病主要包括以下几种：感染、肿瘤、梗阻、损伤、尿石症、畸形、肾上腺疾病及男性科疾病，其病种是外科系统中相对较多的。

泌尿外科系统疾病的诊断主要包括体格检查、影像学检查、内镜检查。体格检查是主要的也是最基本的检查方式，在影像学检查中泌尿系平片、B超、CT、泌尿系静脉造影、逆行尿路造影等是重要的辅助检查方法，在临床上膀胱镜、输尿管镜、肾镜、输尿管软镜等内镜检查也是临床医生常用的检查方法[2]。

泌尿外科教学的目的即要让学生对泌尿生殖系统有一个整体的认识，为了让学生快速而全面地掌握泌尿外科学的必备知识以及临床操作技能，泌尿外科学的教学也要不断适应学科发展的要求。根据医学教学大纲的要求，泌尿外科的教学内容主要包括膀胱肿瘤、前列腺增生症、泌尿系统结石等泌尿系统常见病的诊断和治疗。可见，泌尿外科的教学内容是多而复杂的，但是由于授课学时少，需要有效地提高教与学的效率，使得学生能在较短的时间能较好地掌握本学科的解剖结构及最常见疾病的诊疗。因此，在临床教学过程中，必须充分认识各种教学困难，然后积极寻求更好的解决方法[3]，提高教学的效率。

2 VR（virtual realistic）虚拟现实技术

虚拟现实技术（virtual realistic technique）是一种集显示技术、计算机图形技术、传感器技术等多种技术为一体的计算机仿真系统，让用户更加真实的体验虚拟世界。主要方式即利用计算机生成一种模拟环境，能使用户通过虚拟环境来切身感受真实的环境，用户可以与虚拟的环境进行交互作用，并有助于启发构思。由上可知，VR技术的核心是建模与仿真，而沉浸、交互、构想是VR系统的3个基本特点。

VR技术在教育领域的优势和应用在于能够创建和设置学习环境，并支持语言学习、支持技能实训、支持特殊儿童学习这四个方面。VR技术能够创建模拟的学习环境系统，全方位调动学习者的视觉、听觉、触觉等，增强学习者的感受和增加实践的机会。

在教育领域方面，VR技术主要表现在可以增加学习者学习体验，让学习者能够完全融入学习环境中，拥有实现情境学习和知识迁移等方面的优势[4]。以VR技术为核心的教学倡导“做学合一”的理念，其教学设计遵循“实操为主，教学为辅”的原则，具备以下几大优势：（1）多项感知功能：学习者可通过穿戴VR眼镜、手套、耳机等，在虚拟的教学环境中，调动身体的各种感知器官真实体验仿真的学习环境；（2）存在感：学习者通过VR技术模拟实际操作的现实场景，其感知和实际训练无多大差异；（3）沉浸式的操作体验：操作者在模拟的环境中实训时，完全将自己融入环境，与现实场景难以区别，如同在现实世界中的感觉一样；（4）超强交互性：操作者在虚拟现实环境中对知识不仅是得到感性认识，还能理性的认识，对概念能进一步深化理解，并主动获取新的信息，产生新的想法，从而创新解决问题的方法；（5）新颖的表现方式：VR 技术在画面制作方面，采用目前主流3D引擎Unity等技术，使画面更加精美、运行流畅，并将虚拟仿真技术应用于教学中去。

在医学方面，VR技术也具有十分重要的意义[5]。通过计算机建立虚拟人体模型，借助于感觉手套、头戴式显示器、跟踪球，让学生能够动态地更进一步熟悉人体内部各器官的解剖结构和功能，与传统的教学方式相比，能够更进一步提高学生的学习兴趣和学习效率。90年代初，有学者模拟腹部及腿部外科手术的操作，建立了外科手术的虚拟操作环境。这个虚拟外科操作环境包括虚拟的手术相关工具，如注射器、手术刀、手术钳等，虚拟的手术台与手术灯以及虚拟的人体器官和模型等。操作者通过感觉手套、穿戴VR 眼镜等仪器，对虚拟的人体模型进行仿真手术操作。在实际的临床应用中，外科医生可在病人身上做手术前，通过虚拟现实技术的帮助，可以先在虚拟人体模型上练习相应的手术，提高熟练度，在反复练习过程中寻找更加适合的手术方式，提高手术成功率。此外，临床医生可通过模拟的环境进行远程指导手术和会诊。

一些用于医学培训、实习和研究的虚拟现实系统，仿真程度非常高，其优越性和效果是非常显著的[7]。医学生可在“虚拟实验室”中，进行“人体”解剖和各种手术操作的练习[6]。由于不受标本、场地等的限制，对于培养一名临床医生来说，该项技术可大大缩短学习周期，降低培训费用。如将导管插入动脉的模拟器，因为不是在真实人体身上操作，可以使学生反复练习导管插入动脉时的操作，直至熟练；通过模拟器可将人眼的前眼结构生成三维立体图像，并模拟出相应功能，使学生在联系眼睛手术时，可反复练习移去晶状体的全过程实验操作；此外，内镜手术模拟器、神经系统模拟器等也被常用于虚拟现实医学教学[7]。

3 VR技术在泌尿外科教学中的应用优势

像其他医科教学一样，泌尿外科的教学存在着教学内容丰富、抽象，课时短，教授模式传统而单调等问题[8-9]。VR技术以其技术上的优势，可以构建泌尿外科系统的模拟环境，使得学生可以更具体地了解泌尿外科系统的结构，实在地掌握泌尿外科教学涉及的理论知识，极大的提高泌尿外科教与学的效率。

VR技术可为泌尿外科的教学构建虚拟解剖实验室，利用电脑构建数字化三维虚拟的人体模型，使得学生可在该模型上的泌尿外科系统结构上进行多次反复的操作，在多次熟练操作的同时加深对泌尿外科系统结构等的了解，推动其在临床思维上的全面贯通。此外，VR技术还可用于模拟泌尿外科疾病的发生，使得学生可以熟悉整个疾病发生发展、诊断、处理的过程，加深其对泌尿外科疾病的全面了解和处理技能的加强[10]。

在泌尿外科临床实践中，各种内镜检查的操作包括膀胱镜，输尿管镜等都是极其常用的[11]。医学生若是不够熟练，很有可能会在实际操作中出现各种问题，甚至给患者带来难以弥补的伤害，这就需要这些操作者们在培训学习时就能熟练地掌握各种内镜检查的操作。借助于VR技术构建的虚拟模型，学生们可在虚拟的泌尿外科系统多次反复地进行操作练习，可以不断地熟练且不需要以患者的不适作为代价，并根据自己的学习情况进行摸索和改进操作手法。

4 结论与展望

VR虚拟现实技术能够为学生创建一个近乎真实的学习场景，例如虚拟人体结构模型的构建，可以通过利用仿真的人体模型，让学生能够了解人体的构造，亲身体验到人体结构的奥秘，了解人体的各个器官的功能、位置及工作过程。因此，利用虚拟仿真的学习环境，让抽象的教学环境人性化，使得学生的学习由被动变为主动，可以使得普通的教学发生质的转变。

VR虚拟现实技术应用于教学中，是一个质的飞跃。它的应用使得一种全新的科技与现实的结合体验取代传统老套的学习模式，通过计算机技术实现的虚拟现实技术使我们在教学当中能够将知识和新的技能结合，快速达到教与学的相互渗透。目前，我们搞医学研究仍然停留在传统的层面，主要包括查资料、看视频，结合临床的实践等方式进行，速度缓慢且会因为无法模拟真实的操作而遇到许多瓶颈，借助VR虚拟现实技术，我们能够借助VR技术将教学研究的相关知识进行仿真模拟，并制作一系列的相关仿真模型供实验操作，达到事半功倍的效果。

VR 技术发展飞速，为医学教育内容的匹配提供了更多的便利，将知识变为“看得见摸得着”的学习内容。因此，将VR虚拟现实技术应用于泌尿外科的教学可使学生在虚拟的三维空间内更好地学习涉及到的人体结构、以及在虚拟的环境中真实地进行操作，更好地掌握泌尿外科的治疗知识和操作实践技术。

在教育领域方面，尽管虚拟现实技术相对传统教学方式有更多的优势，其应用前景广阔，但要全面推广及普及该项技术在教育方面的应用，还需解决的问题较多。首先，教学理念转变，新技术的应用意味着要颠覆部分传统的教学观念，因此，需要教师快速适应和接受新的方法和理念；其次，建立一个好的模拟学习平台，必须得购买硬件设备，因此需要一定财力支撑；再次，VR教学内容开发技术要求高，需要进行复杂的内容开发和程序设计[12]。此外，尽管虚拟现实学习系统可以提高学生的学习兴趣、记录学生的学习过程、提高学习效率，但如何利用该系统对学生进行学习监控和评价有待进一步解决。医学院更应明确，在医学教学中应用虚拟现实技术的本质不是增加新的教学工具，而是引入新的教学方式和教学文化。