浅谈虚拟现实技术在模拟医学教育中的应用

熊 冉 黄华兴 曹月洲

1.南京医科大学第一临床医学院 江苏南京 211166;2.南京医科大学第一附属医院介入放射科 江苏南京 211166

近几年来,虚拟现实技术(VR)被广泛运用于娱乐、教育、军工、医疗和服务等行业。虚拟现实技术是一种以沉浸感、交互性和构想性为特征的计算机仿真系统[1],能让用户置身于视觉、听觉、触觉、嗅觉等多种感觉一体化的虚拟场景。同时,用户也可以与构建的虚拟场景和虚拟对象自由互动,宛如身临其境[2],进而获取信息,培养技能,激发思维。

医学的特殊性决定了医学教育较其他类型教育有以下关键特点:(1)医学教育成本高;(2)医学教育关乎生命,导致难以在真实人体上实验;(3)学习者难以理解一些微观教育内容[3];(4)医学教育中实践操作很重要。而虚拟现实技术可以提供一个医学仿真虚拟模型,让学生不用担心犯错,可以自由体验、探索、感受和理解。21世纪是互联网、仿真技术和人工智能等高新技术蓬勃发展的时代。在新的时代里,医学教育也要积极引入前沿高新技术,创新教学模式。基于虚拟现实技术的模拟医学教育发展前景势不可挡,必然成为高校医学教育改革的拐点[4]。本文论述了虚拟现实技术在模拟医学教育中的应用效果与面临的挑战。

1 基于虚拟现实技术的模拟医学教育的发展与现状

1.1 基于虚拟现实技术的模拟医学教育在国外的发展与现状

美国是VR技术的起源地,也是该技术最具权威性的国家。1935年,在小说《皮格马利翁的眼镜》中,美国科幻作家Stanley G.Weinbaum构想了一种神奇的眼镜:眼镜佩戴者可以全方位体验眼镜中的虚拟世界,甚至与虚拟世界中的人物交流。他也被公认为最早描写虚拟现实的科幻作家。1968年,世界上第一个头盔显示器HMD在美国虚拟现实之父Ivan Sutherlan手中问世,该装置可以让佩戴者直接融入生成的虚拟世界,是VR发展史上的一大里程碑。

而在20世纪,VR技术已经被应用于医学教育领域。1985年,美国国立医学图书馆开始探索人体解剖图像数字化并成功建立了“可视人”模型。学生可在电脑上任意解剖“可视人”和缩放局部图像以观察细节。1994年,位于加利福尼亚大学实验室开发出了一套“虚拟青蛙解剖”软件。该软件可以让学生在家就可以用虚拟手术刀解剖青蛙,观察其骨骼、肌肉与内脏器官,如同在现实中的教室。在其他国家的医学教育领域,VR技术也得到了广泛应用。如诞生于澳大利亚大学的虚拟肝肾实验室、由德国汉堡大学创建的Voxel Man系统等,这些虚拟系统可以帮助学生学习解剖和临床课程。

1.2 基于虚拟现实技术的模拟医学教育在国内的发展与现状

与美国等发达国家相比,我国的VR技术起步较晚,但发展较快。我国对VR技术的研究起步大概在90年代初,北京航空航天大学、北京大学、清华大学等高校在此领域进行了深入研究并取得了一些成果[5]。

2003年,随着我国首套数字化可视人体数据的交互式三维系统在第三军医大学问世,数字人体解剖学和虚拟外科手术初具雏形[6],这是我国VR技术应用于医学教育领域的一大突破。目前在全国范围内,众多医学院校开始借助VR技术,积极建设医学虚拟实验室。基于VR技术的医学模拟教育涵盖的课程也在增多,从解剖学和外科学到诊断学和影像学,甚至扩展到医学人文学科,如医学心理学和医患沟通。其受众人群也在扩大,不仅用于医学生和医生的教育培训,也可用于病人及其家属的科普和术前教育等。

2 基于虚拟现实技术的模拟医学教育应用效果

2.1 在外科学教学中的应用效果

2.1.1 在外科学基础教学中的应用效果

外科学基础包括无菌术、麻醉和重症监测复苏等。Eichel等[7]曾对81位医务工作者进行洗手清洁训练,其中43位参与者接受VR训练,另外38位参与者以讲座形式接受培训。结果表明,无论是参与者的接受程度还是手部清洁标准,前者都优于后者。南京医科大学外科学总论教研室[8]的研究也揭示了基于VR技术的模拟医学课程,不仅提高了学生的专业技能水平,而且培养了人文关怀意识,增强了沟通与协作能力。

2.1.2 在外科学专科教学中的应用效果

在神经外科领域,NeuroTouch手术模拟训练系统可以通过增加神经外科医生的自信心和避免手术时多余动作来减少手术所需时间和手术时可能犯的错误。在颌面外科领域,Voxel Man Simulator具有力度逼真、3D视角和图像分辨率高三大特点,被用于根尖拔除术的模拟练习。该系统不仅有助于培养训练者自我评价手术中表现的能力,也可以通过3D解剖结构重建,帮助他们规划手术中复杂的步骤。在关节外科领域,接受Osso VR系统培训的人员无论是手术步骤的正确度还是完成的速度都要优于传统方法训练者。基于VR技术的医学模拟教育课程可以为用户提供身临其境的体验,让外科医师可以直接参与动手,模拟现实世界的操作环境。

2.2 在人体解剖学教学中的应用效果

人体解剖学是研究正常人体结构的形态学学科,也是后续的基础课程和临床课程的基础,其对于每位医学生的重要性不言而喻。人体解剖学的经典教学方法有尸体解剖、2D图片展示、教师直接讲解课本等。这些方法都有不可忽视的弊端,例如,尸体解剖需要装修昂贵的解剖室,解剖过程中会有难闻的气味,尸体的一些器官结构可能发生变化;2D图片展示和教师授课会让学生没有动手操作的机会,有可能会失去学习兴趣。

虽然VR设备会带来技术支持和人员培训两方面的开销,但从长远来看,这少于尸体获取和保存、解剖室装修所需的花费。比起书本授课,VR技术可以通过三维动态图画立体化展示解剖结构,让抽象的知识具体化。在视觉和听觉的双重刺激下,学生可以更加积极主动地参与学习[9]。国内有研究表明[10],在提高学习的兴趣和主动性、增强自学能力、培养临床思维能力和达到预期教学效果等多个方面,有VR技术参与的教学方法都优于传统的教学方法。

2.3 在机能实验学教学中的应用效果

机能实验学是一门研究功能代谢变化、注重学生动手操作的实验学课程。常规的实验教学模式一般分为“教师讲解—分小组实验—教师指导—课后完成并提交实验报告”四步。由于机能学实验具有操作步骤和实验器械多、实验动物健康状况差别、小组合作量大、教学信息量多等会导致实验可控性低的特点,学生实验的成功率较低,难以达到预期教学效果。

而虚拟现实技术可以模拟出预期的实验场景,让学生可以无限次练习实践,不用担心操作失误带来的后果。蒋淑君等人[11]的研究表明,与传统实验教学方法相比,基于虚拟现实技术的仿真实验平台的模式在激发学习兴趣、提高自主学习能力和实验成功率都有较好的效果。未来虚拟现实仿真技术会不断降低对场景化和仪器化模式的要求[12],模拟实验室中的实际操作工作将能应用于实际工作中。

3 基于虚拟现实技术的模拟医学教育面临的挑战和解决设想

在我国的医学教育中,基于虚拟现实技术的医学模拟教育已经取得了一定的成果,但目前仍然面临着许多挑战,亟待继续发展完善。

3.1 VR真实性与互动性的权衡

VR需要尽可能地渲染真实的场景,让使用者身临其境,同时也要保证虚拟现实中对象的可操作程度。VR依靠图形API来创建虚拟场景。而图形API以三角形集合的形式呈现虚拟场景中的每个对象。随着三角形数量的增加,虚拟场景和虚拟对象的细节将得到丰富,真实性增加。然而,这是以牺牲互动性为代价的——丰富的细节会导致渲染场景时的计算成本更高,增加计算负担,降低互动性。

因而,在将VR应用于医学虚拟场景时,应当在真实性与互动性之间做好权衡。在实际应用中,应视具体情况而定。例如,在构建以科普教育为主要目标的解剖标本馆时,我们可以偏向于真实性,以更全面、更细致地呈现解剖结构。相反,机能学实验室则不用过多强调解剖学上的细节,良好的可操作性才是重要的。

3.2 VR真实性尚存不足

为了让VR使用者身临其境,除了逼真的视觉效果,良好的触觉反馈也是十分重要的。人体既有骨骼、牙齿等硬组织,也有皮肤、肌肉、韧带、肌腱等软组织。因此,VR手术训练系统需要模拟坚硬物体和柔软物体的交互作用,这包括了硬—硬交互和硬—软交互,并在短时间内完成两种交互的连续切换[13]。此外,人体还有血液、脑脊液、空气等流体需要模拟。

传统的CPU处理器已经很难满足这一需求。国外有团队开发利用计算机GPU,同时寻求改进图形数据结构化的方式。经过测试,新的GPU搭配新的结构化方式极大地缩短了模拟时间,允许使用者去模拟更加复杂的模型。

3.3 VR其他的问题

有研究表明,VR设备会导致一系列精神神经症状如恶心、眩晕、幻视。再如VR模拟医学教育在师资方面也存在着诸如师资匮乏,课程不足等问题[14]。在VR模拟医学教育课程中,教师与学生间也缺乏实时的互动。最后,VR设备价格较高,部分学校可能会受制于场地与经费的缺乏[15]。

为避免出现安全问题,在使用前应充分了解评估使用者的身体状况,使用中若出现不适感应立即终止。在引进使用VR设备这一问题上,各医学院校应全面考虑场地、经费和实际需求等以做出决策。引进设备的同时,学校也要加强师资培训,开设相关课程,积极探索新的教学模式。

综上所述,医学教育是VR技术的一大热门应用领域。无论在国外还是国内,基于VR技术的虚拟医学课程都在不断发展完善。VR模拟医学教育在外科学、解剖学和实验学等多门学科中取得了令人满意的教学效果。然而,目前无论是VR技术本身还是应用,都面临着一些亟须处理的挑战。因此,未来我们应加大这些方面的研究力度,以追求更全面、更深度地理解和应用VR技术,进一步提高模拟医学教育的质量与水准,培养出更多的医学人才。