虚拟现实技术在研究生生物医学实验教学中的探索与应用

杨梅松竹，李 辉，陈金华，朱耀峰

（吉首大学 医学院，湖南 吉首 416000）

医学研究生教育是培养医药卫生人才、维护人类健康的重要环节，与医疗和教育两个关键的民生问题息息相关。医学研究生教育不仅要向学习者传授医学专业知识与科技前沿动态，更要注重实践操作能力和深度学习能力等综合素质的训练，目的是培养具备疾病诊疗能力、健康宣传能力、科研探索能力以及知识传播能力的新时代医生。

传统教学模式中，能力培养的许多方面未能融入到教学实践中去。例如，偏抽象的教学内容难以通过语言表达，实践性强的教学内容难以在讲述中实现，富于情感体验的教学内容难以进行口头描述。并且，由于受到时间、场地以及仪器设备等条件的制约，生物医学实验教学资源有限、部分生物医学实验危险性大、临床实践机会缺乏等矛盾都严重影响着医学研究生培养的质量和效果。

医学研究生实验技能训练和科研思维培养任务重。无论学术型还是专业型医学研究生，本科阶段由于繁重的课程学习任务，未能提前全面接触医学科学研究与生物医学实验；研究生阶段由于较短的学制和较重的专业学习任务，缺乏对生物医学实验技能的长期系统化训练。此外，科研思维的培养，比如如何激发医学前沿科学知识的深层次学习，如何建立科学研究与已有医学知识的联系，如何寻找潜藏的临床问题，如何谨慎地、批判性地检验科学假说，如何将医学科学研究与临床实际应用相结合等，是一个庞大而复杂的体系。

本文聚焦于生物医学实验技术这一支撑医学科学研究的重要专业基础课程，探讨虚拟现实技术在生物医学科研实验中的应用，探索提高医学研究生实验技术以及激发科研思维的教学方法，为医学研究生实践操作技能与深度学习能力培养等问题提供新的思路和策略。

一、虚拟现实技术的基本情况

虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术即综合利用计算机图形系统和显示控制等接口设备，在计算机上生成可交互的三维环境，从而提供沉浸式体验的技术。随着计算机科学、信息传播、人工智能和三维重建等现代化技术的发展，VR 技术已经广泛应用于医学教育和临床医疗的各个领域。VR 技术在医学教育与实践中的应用具有以下三个特性。（1）沉浸感。通过视觉、听觉、触觉和媒介对虚拟世界赋予身临其境般地感知，创设“真实”的学习情境。（2）交互性。模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度，构建“实践”教学活动；（3）构想性。通过构建存在的或未知的世界用于解决实际工程问题，创造“形象”的应用环境。由此可见，VR 技术的特性可明显增强课堂师生互动性、提高学生实践参与度，使课堂氛围更生动、内容记忆更深刻、知识掌握更牢固。因此，VR 技术在教育实践中的应用将为医学教育和研究带来一次划时代的革命。

近十年来，科学技术的巨大进步推动了VR 技术的迅猛发展。尤其在新冠肺炎疫情持续反复的背景下，VR技术在各个领域的应用展现出显著优势。VR 技术在线上教学、远程指导、虚拟实验、线上讨论、远程医疗等多方面的应用发挥了无可替代的作用。同时，国内外各大企业，如华为、小米、联想、创维、OPPO、谷歌、微软等均进入VR 技术研发领域，在VR 产业的关键核心软件和硬件技术上不断取得重大突破。为VR 技术在医学教育和实践中的应用提供了必要条件。

二、虚拟现实技术在生物医学科研实验中的应用

实践表明，生物医学实验技能训练是培养医学研究生动手能力、创新能力和科研素质的关键环节，是理论与实践相结合的桥梁。医学研究生通过将生物医学实验技能与临床专业知识进行转化，加深对疾病发生发展规律与机制的理解，进一步提升发现和解决临床实际问题的能力，从而实现科研更好地服务于临床的目的。通过VR 技术的应用，强化生物医学实验技能、提高实验操作技术水平、提升科研思维能力，为开展医学科学研究打下坚实基础。下面就虚拟现实技术在生物医学三类实验中的应用展开讨论。

（一）虚拟现实技术在医学形态学实验中的应用

医学形态学实验对应于医学本科教育中的人体解剖学、组织学与胚胎学、病原微生物学、病理学和临床病理学等课程。然而，研究生教学和科研则是基于本科阶段所学的医学形态学知识在形态学相关实验技术上的应用，主要用于组织、细胞和病原菌等研究对象的标记、定位与定量等。然而，传统的染色类形态学实验存在可重复性差、结果评价缺乏客观性、图片效果不佳等问题。将VR技术于医学形态学实验可以有效避免以上问题。“虚实结合”结构展示如图1 所示。

图1 “虚实结合”结构展示

利用VR 技术开展形态学实验虚拟操作，实现实验的可重复性。查阅GeneCards 和The human protein atlas 等数字图谱网络平台了解目标蛋白在细胞中的定位及表达水平；借助Wiley online library、protocols.io 等实验技术网络平台根据蛋白类型和细胞定位选择合适的染色步骤和试剂；利用3DsMax 建模、VRMI 格式网络输出和Java Applet 等技术手段实现实验操作模拟与通讯互交。通过综合利用形态学相关VR 技术进行虚拟操作，实现特殊染色、免疫化学染色及免疫荧光染色等形态学实验的可重复性，最大程度避免临床样本和动物模型组织切片的浪费和抗体等试剂的损耗，节省实验条件摸索时间，提高实验效率。

通过VR 技术构建形态学实验结果客观性评价体系。按照实验目的，在掌握了实验原理、选择了适当的操作步骤和试剂、确定了合适的实验条件等前提下，对组织切片进行染色。进一步，利用显微数码互动系统、数字虚拟组织切片扫描系统等图像采集模块，获取高清数字虚拟图像；运用Image J、ImageXpress Micro Confocal 等数字成像分析系统对数字图像进行分析与统计。可实现石蜡连续切片同一视野、不同染色方式的图片采集和对比分析，对不同标记类型、不同细胞定位的染色结果进行定量分析和差异比较，并呈现数字地形图、热图等多种可视性结果，构建形态学实验结果客观性评价体系。

VR 技术极大提高了图片展示效果。形态学研究结果的展示主要通过图片来体现，图像处理相关VR 技术的运用使得图片展示效果得到大幅提升。组织或细胞免疫荧光染色可通过应用ZEN、DVM 等数字显微镜软件获得单通道图像，并进行多通道不同组合方式的图像合成。应用Adobe illustrator、Canvas 等矢量图形处理软件中黑白平衡、角度校正、降噪锐化及Flash 渲染等技术模块，可获得高精度、高视觉效果矢量图。Vectra Polaris 多光谱扫描成像系统通过光谱拆分成像技术有效识别多重荧光信号，同时进行组织切片全景扫描，搭配Halo 数字病理图像分析平台，可获得低光谱重叠率、高清晰度、低背景、可拆分荧光图像，使得以多种蛋白或核酸分子为研究对象的多重免疫荧光染色技术在病灶微环境和细胞空间分布等高端病理分析技术中得到广泛应用。

VR 技术在医学形态学实验中的应用极大地发挥了其“形象”的特征，超越了传统形态学实验的阻碍，扩大了形态学研究的探索方向，增加了实用性强的形态学技术方法，提高了形态学实验结果的显示效果。

（二）虚拟现实技术在分子生物学实验中的应用

医学科学研究相关的分子生物学实验包括基因编辑技术、分子结构与功能分析、细胞工程技术、细胞信号转导调控等实验技术，涉及细胞水平、蛋白质水平、核酸水平等多个层面。存在实验条件要求高，仪器设备贵重且操作复杂，需要使用多种有毒有害试剂，实验结果难以预测等问题。而这些问题均可通过VR 技术得到很好的替代和补充。

基因编辑技术以及基因组、转录组和蛋白组等多组学研究相关的实验仪器设备贵重且操作复杂。MinION、OmicsDI 和TARGET 等数据挖掘和数字可视化综合组学分析平台在多组学研究中的运用，可多状态、多维度精准检测出关键致病基因并分析其表达调控方式，使得通过CRISPR 基因编辑工具干扰或删除关键基因从而阐明其生物学功能成为可能。Signosis、Chromium 等单细胞基因表达分析技术的应用，能够在单细胞水平上对基因表达水平进行测定，从而鉴定细胞类型和状态、定量细胞群体异质性、动态了解细胞跃迁、筛选用于功能研究的关键候选基因。

分子空间结构和互作功能分析是研究蛋白质、核酸等分子结构与功能的实验技术。采用VR 技术进行模拟计算可以对目标分子的结构和功能进行模型构建和结果预测，既能获得可靠的分子模型和预测结果，又能大幅度减少有毒、有害试剂的使用。比如，Discovery Studio、SDSCI 和3D-JIGSAW 等同源建模法即利用已知蛋白序列预测同源蛋白质结构，通过结构分析揭示蛋白质功能等模拟计算的方法预测蛋白质的空间结构和生物学功能；AutoDock、ZDOCK 和RosettaDock 等分子对接工具可以对蛋白质与蛋白质之间、蛋白质与DNA 或RNA 之间的相互作用进行模拟计算；此外，还可以通过Discovery Studio、NAMD 和GROMACS 等分子动力学平台构建蛋白质分子模型，通过研究蛋白质内部运动和构象动态变化了解蛋白质的特性和生物学功能。

细胞工程技术是指利用工程学技术在细胞水平或细胞器水平对细胞进行遗传学改造，实验条件要求高。采用基因克隆计算机辅助设计、DNA 或基因合成、转基因等技术进行基因表达与细胞信号转导调控网络、完整基因组和细胞的人工设计与合成，模拟细胞工程学改造过程，获得特定遗传性状的细胞模型。利用Sholl Analysis 和Imaris software 等模拟计算软件，通过基因表达分析与信号转导调控预测信号转导过程中的关键调控分子，通过对相应抑制剂的模拟筛选预判关键分子是否具有成为治疗靶点的潜能，从而分析研究其可行性。

基于VR 技术开发的各项分子生物学实验模块，可以让学生不受时间、场地、仪器设备、实验试剂等条件的制约，通过反复模拟实验过程、优化实验步骤、分析实验结果，帮助研究生更好地探讨、阐述、证明相关科学问题，进而提升研究水平。各小组总结汇报如图2 所示。

图2 各小组总结汇报

（三）虚拟现实技术在医学机能学实验中的应用

目前，VR 技术作为虚拟仿真技术的重要组成部分已经广泛应用于本科医学机能实验教学中空气栓塞、高钾血症和失血性休克等经典验证性实验。而针对科学研究涉及的机能学相关实验研究，尤其是行为学、药理学、肿瘤学等医学研究重要指标，VR 技术应用较少。研究生可借助医学虚拟仿真实验平台，利用基于VR 的医学机能学实验设备，开展科学研究相关的动物体内实验。

相比传统行为学实验，VisuGait、KWB 等动物步态分析系统可对动物行走过程的足印信息进行清晰地采集，对动物足迹的步行周期、支撑距离、支撑时长、摆动时长、制动时长、步频等多项指标进行自动识别和分析，提供单只脚爪独立“病态”曲线，客观而精确地反映动物步态变化情况；旷场实验通过搭载VisuTrack 视频采集和SuperMaze 动物行为分析等软件，自动采集和比较动物在静止、缓慢运动和快速运动等三种状态的时间差异分析动物自主运动能力，利用热图、矩阵图显示动物在旷场不同区域所待时间、尿便次数、直立次数和修饰次数等行为评估动物焦虑相关情绪行为；以全形态识别技术为核心的Gene&I 水迷宫分析系统，通过四部位定位检测动物在水迷宫转圈行为、与平台夹角、离平台距离等参数，更加全面、客观评价动物学习记忆能力。

虚拟仿真实验是在没有实体动物、试剂、仪器等情况下，基于计算机虚拟现实和仿真动画技术建立网络化虚拟实验室，构建互交式、动态操作、可多角度和多层面观察与操作的虚拟实验环境。VBL-100、BHW-CS 等虚拟仿真实验系统能够模拟药物体内转化、药物代谢动力学和药物毒理性等整个药理学实验流程，通过反复地无实物训练，熟悉动物实验的各项基本操作，掌握实验的原理及重点。进一步，采用虚实结合的模式，为后续的实验动物研究、创新性实验设计、自主操作手法和准确预测结果等提供学习与训练平台。

在肿瘤学动物体内实验研究过程中，小动物超声成像、活体成像等影像学技术被广泛应用于致瘤、转移、耐药等方面。IVIS Spectrum、Perkinelmer 等小动物活体成像系统既可实现对荧光、生物发光和切伦科夫辐射等多种发光信号的成像检测，实时观察基因表达水平、细胞动态变化、肿瘤增殖转移等生物学过程；又可通过模拟算法对成像结果进行三维重建，进行无创性活体动物体内光学信号精确定量和定位；并融合3D 成像技术与不同模式的三维影像系统，实现功能性成像与结构性成像的有机结合，进而对肿瘤在体内的发生发展过程进行实时、动态、精确的可视化监测和分析。

通过VR 技术在医学机能学实验中的应用，有利于高效和标准化的培养研究生行为学、药理学和肿瘤学等体内实验操作技能，减少实验过程中人为因素导致的偏差，提高研究结果的可信度和精确性；有利于改善传统实验教学过程中，由于研究生操作手法不标准、试验流程不熟悉导致的动物意外死亡风险，并降低被动物抓伤、咬伤等生物安全风险；有利于在虚拟环境下分析和判断实验结果的过程中，激发研究生的科研兴趣，锻炼其科研思维，为后期实际操作打下坚实的基础。总之，将VR 技术应用到医学机能学实验教学中，可以更高效地训练研究生实验技能和科研思维等综合能力。

三、结束语

利用VR 等信息技术辅助教学是我国面向21 世纪高等教育改革的一项重要策略，对推动和培养具有独立思维和创新精神的高素质人才具有重要作用。VR 技术应用实验教学能生动形象地表现复杂的实验内容，能全面营造逼真的实验操作环境，能有效提高研究生探查科研问题的效率，进而帮助教学者更清晰、更明了地表述实验原理和研究目的，帮助学习者更直观、更充分地理解研究指标与研究目标之间的关系。因此，在本科生教育和研究生培养过程中都值得广泛应用。

然而，VR 技术在教学实践的应用与探索过程中也存在一些问题。（1）VR 技术对软硬件的要求较高。需要对应的平台和系统的支撑，要达到理想的教学效果需要建立多套差异化的计算系统。（2）缺乏全面、细致的医学实验虚拟教学研讨平台。生物医学实验种类繁多，且随着医学技术的发展还在不断推陈出新，建立一个中国特色的虚拟实验教学与研讨体系是一项庞大而影响深远的系统工程。（3）医学生学习目的偏离。与传统实验教学相比，VR 技术使得医学生学习的自主性和灵活性大幅提升，但对于深度学习能力不足的学生，无制约的自主学习会迷失方向，导致知识体系碎片化。如果缺乏专业老师的引导和管理，无法达到理论和实践相结合的教学目的。

综上所述，在生物医学实验技术教学实践中，亟需构建基于VR 技术与实体教学实验有机结合的教学模式，实现VR 技术与医学教育内容融会贯通的深化和改进，摸索培养医学生发现问题、解决问题的能力。尽管在前期教学实践中取得了一些成效，但如何进一步系统发挥VR 技术的综合优势，持续提高VR 技术在教学应用中的叠加效果，促进医学人才培养质量的提升，是我们一直努力的目标。