VR技术在医学影像专业教学中的应用探索与思考

荣康 李祥林 殷志杰 王帅 刘泉源 王文

医学影像被称作现代医学的“火眼金睛”，在疾病诊断和治疗过程中起着不可替代的作用。医学成像技术和影像诊断水平的高质量发展依赖于高素质医学影像人才，当前医学影像专业人才培养过程中，仍然存在着时间、空间和学习资源紧缺等多种困难[1]。虚拟现实（virtual reality，VR）技术是基于计算机、多媒体和通讯等科学技术而快速发展起来的新一代信息技术。通过VR 技术构建“医学影像中心”和“医学影像设备”等虚拟仿真教学模型和场景，结合科学的教学流程及实验设计，能够解决医学影像教学中场地受限、设备贵重、使用维护成本高、无法拆解演示等多种教学难题。VR 技术在医学影像专业理论和实验教学中的应用，能够丰富教学形式，提升学生学习成效，切实提高教育教学水平和人才培养质量。

1 VR 技术在医学影像教学中的优势

VR 是一种融合了多种信息技术的人机交互系统，它利用硬件设备收集使用者行为，通过计算机处理并生成数字化环境，将所生成图像和反馈实时输送至使用者的头盔或眼镜式显示器中[2]。VR 技术的突出特征是具有沉浸性、交互性、多感知性和构想性，使用者不仅能够通过VR“身临其境”地感受虚拟世界场景，还可以通过反馈设备与虚拟空间中的人和物进行交互，获得逼真的体验和经历，展现出诸多优势[3]。

1.1 打破教学空间和时间限制

VR 具有沉浸性和构想性，根据不同阶段学习需求，VR 技术既能够再现医院实景，又可以创造特定的虚拟学习场景[4-5]。学习者不需踏入医院，就可以通过VR设备“身处”医院环境中，获取“真实”的观感和操作体验，突破了时间和空间等客观条件限制，拓宽学习和认知界限[6]。

1.2 灵活多变的教学形式

VR 虚拟环境具有交互性和多感知性，学生和教师可以通过视觉、听觉、触觉等感知方式感受虚拟教学环境中的事物，近距离、多角度观看三维演示，有类似实物的观感和操作、实训体验[7]。在VR 场景中加入指引、提示和测试环节，学习方式灵活多变，学生由知识被动灌输转变为主动体验和投入，更大程度激发学习的趣味性、积极性、主动性。

1.3 更直观的学习过程

传统影像教学过程中，由于场地和时间限制、辐射防护要求严格，学生到医院现场体验影像科医生和技师的操作的机会非常少。然而唯有深入医院和医疗一线，才能使学生高效获取知识，快速提高医疗技能。利用新一代信息化教学手段，学生仅需穿戴VR 设备即可有置身医院一般体验，反复练习设备操作，练习医患沟通技巧，高效获取学习要点，培养职业素养能力。

2 VR 技术在教育教学中的应用现状

VR 技术在教育中的应用，国外起步较早，发展相对成熟。如美国z Space 教育系统可使用触控笔操作移动VR 显示器上的3D 虚拟教学模型，并配合3D 眼睛观看，观感生动立体，已经被广泛运用在科技、工程、艺术等学科的课内外教育中，并在世界范围内推广。华盛顿大学数字解剖学家系统、德国VOXEL-MAN 虚拟人系统被多个国家运用在解剖教学中[8]。2018 年，强生医疗专业教育学院发布VR 骨外科培训项目，包含关节置换、骨折治疗等多个实训模块，在医护人员技能培训中使用成效显著。

近年来，我国高校不断加快实验教学信息化建设，虚拟仿真实验室建设、虚拟教研室建设等被纳入教育信息化国家战略。随着5G 网络等“新基建”快速建设，VR 技术与云计算、人工智能等新技术共同推进了教育教学改革，成为我国教学信息化革命的有力工具[9-12]。重庆医科大学打造了VR 实验室，能够模拟多种实验教学环境，结合有效的教学手段，改进了教学过程，发挥学生的实践能力[13]。联想集团、网龙华渔等公司联合高校，开发了多款VR 教室产品[14]。王思瑶等[15]将VR 运用在医学生心肺复苏术（cardiopulmonary resuscitation，CPR）培训中，证明VR 技术能提高学生学习兴趣和主动性，提高学生的CPR 学习效果和操作水平。左俊等[16]将VR 技术应用于骨折急救培训中，结果证明VR沉浸式教学在骨折急救培训中能充分调动学生积极性、显著提升学生实践能力和提高教学效果，具有良好的应用前景。何威震等[17]运用3Ds Max 建模技术、Unity 3D 平台与Vuforia AR 技术，设计包含设备拆装、结构原理与故障教学等多项功能的医用直线加速器虚拟仿真教学系统，并证实了其对于学习效果具有提升作用。可见，我国的VR 教学虽然处于发展初期，却有百花齐放之势。

3 医学影像VR 教学探索

3.1 医学影像专业教学困境

医学影像专业教学实践中，主要困难有以下几点：（1）医学影像理论知识涉及到数学、物理、机械、计算机等多学科交叉，成像原理知识复杂抽象，理解难度较大。（2）理论知识与临床应用的衔接不够紧密，复杂理论往往难以得到具体演示。（3）人才培养过程中重视技能与实践，学生需要锻炼影像设备操作、解决临床问题和医患沟通等综合职业能力。学校和教学医院需要开展充足的实践学习和技能训练，对教学条件、硬件和师资都提出了更高要求。（4）医学影像设备多为大型精密设备、价格昂贵，在医疗中使用频率高，由于时间、空间和放射类设备的防护要求限制，学生很少获得操作设备的实训机会。（5）医院中的设备和物资首先要保障医疗的需求，然后才能够用于医学教育，学生实习实训时会占用一定的医疗资源。

3.2 VR 技术在医学影像专业教学中的实践

通过深入医院、影像设备生产企业调研，将影像设备及其内部结构和临床应用场景数字化建模，研发出医学影像中心VR 教学系统、医学影像设备学、医学影像成像理论教学系统等多种VR 教学软件，应用理论实验一体化教学、混合式教学和学生自主学习相结合教学模式，能够有效解决医学影像专业教学中的难点。

“医学影像中心VR 教学系统”综合了多个三甲医院影像科、超声科、介入科、核医学科和放疗科的科室布局和设备结构，融入医学影像学设备学、医学影像检查技术和辐射防护知识点，包含数字化X 线摄影（digital radiography，DR）、计算机断层扫描（computed tomography，CT）、磁共振（magnetic resonance，MR）、数字减影血管造影（digital subtraction angiography，DSA）、正电子发射计算机断层显像（positron emission tomography-computed tomography，PETCT）等多种常见医学影像设备。学生可通过VR 头盔进入虚拟的医学影像中心场景中，使用VR 手柄在虚拟场景中实现漫游、设备操作等人机交互动作。本教学系统可用于新生入学教育，增强职业认同感；临床技能培训、练习和操作，不占用医疗资源，不受时间限制；人文素养与思政教育，学习医学影像历史文化、医患沟通技巧；拓展训练，事故模拟，加强医疗安全教育。

“医学影像设备学VR 教学系统”通过VR 复现难以轻易拆解、体积庞大、结构精密的医学影像设备内部结构，学生可使用VR 眼镜近距离观察CT、MRI、DR 等设备的3D 模型，使用VR 手柄实现虚拟设备拆解交互，虚拟设备结构标注有名称和功能、参数讲解。该系统既能帮助教师课堂演示，也可用于学生课后自主学习。

针对医学影像技术和生物医学工程等专业的学习要求，设计医学影像设备安装与维修实验模块，学生通过多人协同式VR 设备进入虚拟空间中学习、体验影像设备安装和故障维修等操作，还可用于解决工程师培训、技能考核等需求。

4 VR 教学难点分析

4.1 缺乏真实感与实物感

笔者在VR 中感知到的环境都是计算机生成图形数据，而非真实存在的物体。学生练习操作时只能看到设备的移动和变化，并不能真实触摸到设备和器材。虚拟与现实之间的感官差距，容易导致学习者“出戏”，心里真实感不足[18]。

4.2 学习资源缺乏，学习与交互过程较为固定

由于VR 技术在教学中的普及程度不高，相关课程和教学内容的数字资源仍不够完善，已有课程分散、呈碎片化，没有形成成熟的教学体系。VR 实验步骤固定、灵活性差，无法完全模拟真实医疗环境中的多种未知状况。

4.3 师生的间交流与互动过程受限

头戴式VR 显示器使人沉浸在计算机虚拟环境中，无法实时观察现实环境，教师和学生之间缺乏表情、动作等交流方式，将导致教师与学生之间的交流和互动受到一定限制。

4.4 对教师教学技能要求较高

VR 教学过程中教师不仅要讲解知识，还需要进行操作演示和引导、故障排除等，更重要的是保障学生使用VR 时的安全。新的教学方式需要教师熟练掌握VR 的使用方法，快速更新教学理念，提高教学技能。

5 解决方式及对策

针对VR 教学系统当前存在的问题，还需不断尝试和探索，通过多种技术手段统筹解决，以促进其更好地发挥优势。

5.1 升级硬件，增加人机交互形式

通过反馈手柄和数据手套以及定制化的互动设备，加强虚拟环境中操作者与物体的交互触感、丰富交互形式，以达到更大程度的仿真体验。例如在握持虚拟物体时，反馈手套可给人手一个反作用力或振动，使操作者的手部具有握持感和触碰感。

5.2 优化软件场景，丰富学习资源

不断细化VR 虚拟场景中的细节，完善场景真实度，以建立完整的课程数字资源。加强教学系统中不同的实践模块之间的关联，使其丰富的模块之间紧密关联、自然过渡，形成完善的课程体系。

5.3 打破固定操作步骤，增强学习过程随机性

在VR 实训操作场景中设计可能出现的随机事件，根据真实情况设定不同的触发概率，使得每次学生进入学习系统中时都能够出现不同的操作模块和参数，提高学习挑战度。学习过程中设计突发情况及医患沟通案例等，使学生在学习专业知识的同时能够获得思政教育、提高人文素养。

5.4 加强师资培训，更新信息化教学理念

加强VR 知识普及、教师教学技能培训，定期在校内外面向各专业师生开展VR 影像中心体验活动、VR 教学技术师资培训等，实现在加强专业知识科普和教育的同时，推进VR 在教学中的应用。

6 总结与展望

高等教育的快速发展离不开信息技术的推动，加速新一代信息技术、通信技术与教育的深度融合是促进中国教育事业发展的战略选择。VR 技术在我国尚处于起步阶段，各行各业对其理解还未足够深入，应用还不够广泛。通过初步探索，证明了VR 技术在医学影像专业教学中的应用展现出很多优势，同时也存在许多难点有待进一步突破。通过VR 技术在医学影像专业中的研究与实践，表明新一代信息技术应用于教育教学中能切实提高教学质量，是一种解决教学难点和痛点的新途径，并可拓展和复制到多学科、专业教学中。未来，笔者还将继续深化信息技术与教育教学的融合，不断完善VR教学系统的同时大胆探索5G、大数据以及云计算等新技术与医学影像专业教育的结合与应用，培养高素质应用型医学影像人才。