虚拟现实在医学教育中的应用探索论文

  虚拟现实(virtualreality,VR)技术,是利用计算机创建一个虚拟的三维情景,为用户提供视觉、听觉、触觉等感官的模拟,让用户如同身历其境一般,可以实时、无限制地观察虚拟空间内的事物,并通过人机交互设备对虚拟环境内物体进行实时操控和设计改造[1]。目前该技术已经在娱乐、机械制造、航空航天等领域取得广泛应用。然而受医学领域专业性强、知识更新快、进入门槛高等原因,VR技术在医学领域的应用还处于起步阶段。与传统医学教育培训方法相比,VR技术有巨大的优势。利用VR开发系统对医学对象进行三维设计,构建虚拟学习情境,再辅助以文字、图片等补充信息,可高精细度呈现系统预设的学习内容,结合人机交互设备,学生可以漫游在系统构建的虚拟场景中,甚至对场景中的虚拟信息进行操作和设计,从而达到全方位展示学习内容的目标。早在20世纪80-90年代,欧美医学研究工作者就开始了对人体虚拟图像的研究,德国汉堡大学医学技术研究所率先创建了3D虚拟人体图谱并用于医学生可视化教学,但仿真程度有限[2]。进入21世纪以来,计算机技术、多媒体技术、仿真技术的迅速发展和相互融合为构建VR系统提供了强大的技术支持,VR技术用于医学教育已经变得触手可及。

  1VR教学的优势和特点

  面对医疗技术突飞猛进的发展和人们对医护水平的更高要求,医疗岗位对医学生的理论知识水平和临床实践能力提出了更高标准。通过老师书本授课、模具操作和现场观摩等方式开展医学教学的传统教学方法,不可避免地存在理论知识抽象难懂、实践与临床脱节等问题。应用VR技术进行医学教学,能够弥补传统医学教学的不足。VR技术可以打造出一个随时可用的实验室和近在眼前的观摩台,这种逼真的亲身经历和感受是传统教学方法不能比拟的。用VR技术开发的虚拟教学平台可将各种医学影像和数据信息创建成一个沉浸式的虚拟培训环境,学生通过3D人体模型,从视觉、听觉、触觉多感官直接观察人体细节,并借助多传感器、头戴式显示器(HMD)、体感外设备等工具与虚拟环境中实物进行互动。这种集视觉、听觉、操作为一体的虚拟学习系统,可使学生完全沉浸于自主学习的三维虚拟环境中,通过自身与环境的交互全方位获取知识和技能。例如,用VR外科手术系统模拟外科手术。系统可以实现多人同时介入,以协作方式共同完成一项手术或者以共享模式观摩一场作业。在操作时,计算机AI可对学生进行视觉、听觉、动作的综合指导,老师或专家也可直接介入进行实时指导[3]。这种教学方式将有助于学生理解医学基础理论,掌握基本临床技能,对提高分析问题和解决问题的能力起到巨大的促进作用。此外,投资昂贵的实验对象(尸体、假人、模具等)和器材是医学科研机构巨大的负担,VR技术具有不受标本、场地、时间等等诸多因素的制约,可以使教学培训活动根据需要随时随地进行,在减少教学费用投入的同时获得良好教学效果。不仅能大幅降低医学科研机构的经济负担,而且能有效缩短科研人员的培训练时间。

  2VR技术在医疗教学领域的应用

  2.1模拟教学以强化教学效果

  医学要求学生记忆的知识点多,学生要想记住书上的知识点很大程度上依靠背诵和老师讲解,这种方式需要学生付出很大的努力。利用VR教学系统,老师可为学生选择一个针对特定知识点的模拟教学情境,学生就可以通过3D视屏动态演示,人机互动界面操作,对设定的知识点进行学习[4]。例如,学习人体骨骼结构,学生利用虚拟系统的人机交互界面,配合系统机器人的指导和讲解,学生可以直接对3D数字人体进行解剖,身临其境的观察特定部位骨骼的结构,这种亲身经历般的感觉可让学生对所见所闻的知识难以忘怀,有利于提高学习效果。

  2.2自主学习以提高创新能力

  通过虚拟场景设置智能化虚拟教学,使学生学习由被动接受转化为主动求知。在虚拟环境中学生可以自己动手设计学习情境,制订实验方案,例如,学生可以通过人机交互系统观察不同参数条件下的人体结构模型,单体器官模型,或进行内部“漫游”、局部解剖等探索[5],这种学习方式可以极大的扩展教学空间和教学内容,激发学生学习兴趣和提高创新能力,使学生真正的从“要我学”转变为“我要学”,由被动灌输转变为主动学习。

  2.3模拟实训以客观评价学习效果

  传统医学教育对学生学习情况的考察主要通过理论考试,但简单地通过考试分数不能全面考察学生的知识掌握程度和实践能力。通过VR技术,老师提前录入数字人体基本信息、诊疗参数及药物影响等数据,再让学生自主在虚拟人体模型上进行病情分析,并实施诊断和治疗。系统自动收集学生实时操作数据,并对其做出诊疗评价,从而实现教学全程可视化管理,实时评估学生掌握知识的情况,这将有利于老师更好地处理教学过程中存在的知识盲点和薄弱环节,增强教学效果。

  2.4医学模拟诊断以提高实践能力

  将传统的实习观摩方法与虚拟诊断项结合,将有利于学生实习时获取更多的实践经验,掌握基础临床技能。对于高年级学生和规范化培训医生,现场观摩是临床实践的主要培训方式。受医学院校培训资源有限的限制,加之医生工作任务繁重,观摩实习难达预期教学效果。VR模拟诊断可以弥补这些不足。医学培训生利用VR系统,可在虚拟人体上进行大胆的诊疗试验,测试不同治疗方案在人体上的反应,从而获取大量虚拟诊疗数据,将这些数据与患者实际身体指标进行对比,分析理论与实际的差距,将有助于学生获得临床经验,加深对基础理论知识的理解[6]。在临床上,虚拟诊疗数据还可作为各种复杂病症的辅助判断指标。

  2.5虚拟分子设计以促进医药研发

  分子生物学、药学等基础学科在医学发展中扮演着不可替代的角色,但这些学科的研究对象大多处于分子级别,肉眼看不见、摸不着,研究起来很抽象,常常给人一种说不清也道不明的感觉。VR技术可把各种分子微观结构进行宏观化展示,使药物研究人员逼真而清楚地看到各种分子结构3D模型。通过人机交互设备可以对分子模型进行改造和设计,这将为药物研究带来许多便利。宏观化展示化合物微观结构,可加深研究人员对化合物结构的理解,有助于找到最佳合成路径;模拟各种生物大分子与药物小分子的结合,找出药物分子与生物大分子最佳结合位点,有利于探索药理特性;观察特定条件下活性分子间发生化学反应的全过程,有利于探索活性分子生物特性[7]。这些便利将有助于药物研发人员更加有针对性的取去设计和合成药物,缩短药物研发周期,降低研发成本。

  3VR医学教育系统的建设

  VR医学实验室是VR医学教育系统必不可少的载体,与一般VR实验室一样,主要由开发渲染平台、三维沉浸显示系统,三维交互系统和中央控制系统四大部分统组成[8]。信息技术的快速发展已为VR技术医学应用打下了坚实的“硬件”基础,实现VR技术医学应用的关键还在于能否开发出高度逼真的教学情景、科学的教学模型和恰当的人机交互系统等“软件”系统[9]。医学知识专业性强,要建成可用于医学培训的VR医学实验室离不开医学专家和信息技术开发人员的通力合作。先由医学教学工作者设计科学的医学教育方案和内容,提出人机互动方案,VR系统开发人员根据提供的信息进行医学教育系统开发,医学教育工作者对模型设计进行全程跟进,不断修正仿真内容,提高模拟的逼真程度,这样才能做出符合实际应用需要的VR医学培训系统。

  4VR技术在医学教育领域的应用

  目前,全世界许多团体都在致力于VR技术研究和开发,该技术在娱乐、机械制造、航空航天等领域的应用可谓是日新月异,越来越多的VR产品已经走入人们的生活。医学关系人们的身体健康,一直是人们关注的重点攻关领域。虽然VR技术的医学应用还处于初级阶段,但应看到其巨大的应用前景。VR技术在医学教育上应用所带来的教学方式改变已逐渐被医学专家认同,相信在不久的将来,VR技术终将会在教学领域取得广泛应用。

  参考文献

  [1]BloodgoodRA.Activelearning:asmallgrouphistologylaboratoryexerciseinawholeclasssettingutilizingvirtu-alslidesandpeereducation[J].AnatSciEduc,2012,5(6):367-373.

  [2]冯逸飞,刘辉,徐铮.关才虚拟现实技术在医学教育中应用的思考[J].课程教育研究,2015(26):11-12.

  [3]石巧,侯建霞.虚拟现实技术在口腔诊疗操作培训中的应用[J].国际口腔医学杂志,2015,42(1):69-74.

  [4]肖扬,冯煊.虚拟现实医学多媒体课件制作技术[J].医学信息学杂志,2015,36(1):89-93.

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