虚拟现实技术在医学教学中的应用

关键词： 虚拟现实 医学

虚拟现实是近年来发展起来的一项新的技术, 它已经被广泛地应用于许多领域, 而医学虚拟现实技术作为发展起来的新兴学科目前正在逐步形成之中, 它是集医学、生物力学、机械学、材料学、计算机图形学、计算机视觉、数学分析、机械力学机器人等多学科为一体的新型交叉研究领域[1]。随着现代科技的进步和向医学教育领域的不断渗透, 虚拟现实技术必将会是医学教育技术未来的发展趋势。

1 虚拟可视人体在医学教学中的应用

数字化可视人体 (Digitized Visible H u m a n) , 或虚拟可视人体, 是应用数字图像、图形以及现代计算技术, 采用人体解剖学和现代影像学方法, 获取人体解剖结构的数据信息, 在计算机上建立的全数字化的人体真实结构的三维模型。将此模型作为一个基础数据平台, 可以应用于与人体结构有关的多个研究和应用领域。能较为真实地反映出人体在正常生理状态下出现的各种变化。数字化虚拟人体研究集医学与计算机科学最新科技成果于一身, 可通过对人体从微观到宏观结构的数字化、可视化, 进而完整地描述基因蛋白质、细胞、组织以及器官的形态与功能, 最终达到人体信息的整体精确模拟, 这种数字化可视人体是用于医学教学、模拟临床手术和医疗培训等技术的基础支持, 具有广泛应用价值。

计算机模拟人体将是医学教学的革命性变化。过去, 医学学生通过阅读教材, 看图谱上的注释, 来学习医学课程, 难以理解, 枯燥而乏味。利用虚拟人体进行人体医学教学, 学生可以用虚拟器械触摸虚拟可视人体, 并利用操纵杆, 手套和其他设备的触觉强力反馈来感受到人体组织的不同质感, 在虚拟教学过程中如发生错误操作, 学生可以返回纠正错误, 当然也可以反复进行复习和训练。由于学生们可以随时进行虚拟练习, 不需一起来到实验室进行学习, 这既可以方便老师和学生, 同时又可以节约宝贵的医疗资源。

利用数字化可视人体数据集研制成的数字形式的人体解剖图谱, 无需复杂的标注, 只要将计算机鼠标移到某一解剖结构上, 通过超链接则该结构的详细说明便会显示出来, 并且可以显示某一部位的横断面解剖, 还可将该结构立体显示, 并可绕任意轴线旋转, 使学生易于学习和掌握。

2 虚拟医学教学操作

虚拟手术 (virtual surgery) 作为这一领域正在发展起来的研究方向, 其目的是利用各种医学影像数据, 采用虚拟现实技术, 在计算机中建立一个模拟环境, 医生借助虚拟环境中信息进行手术计划制定, 手术演练, 手术教学, 手术技能训练。Pflesser等[2]和Hohne等[3]利用VHP (Visible Human Project) 数据集研究出人体结构解剖学虚拟系统V O X E L-M A N, 将人体结构都给予标记和描述, 提供正常立体解剖结构图像和放射影像学图像。在外科教学上, 年青的外科医生, 要在上级医生带领下, 在患者身上积累开刀的经验。这种“练手艺”的过程, 通过数字化虚拟人体的程序设定, 可在电脑上反复进行演练。不仅可以提高手术的安全性和成功率, 还可为各种手术预期结果做出虚拟模型, 预示手术结果。对复杂疑难的手术, 可在赋加有病人影像资料相融合的虚拟人体上, 反复探究各种不同手术入路所遇到的问题, 提高术前准备工作的质量。

另外, 可在疾病诊断、医学科学技术或新药研制方面, 以往必须先通过动物实验、小样本临床验证后, 才能用于临床实践。数字化虚拟人的研究为这一过程提供模型进行预演, 从而降低医疗风险和提高科研质量, 加速医学教育和医学研究的现代化[4];在临床诊治方面, 可以模拟肿瘤病灶生长或治愈过程;还可以进行血流动力学模拟、药物代谢动力学模拟等。

3 虚拟医学实验教学

虚拟现实技术在医学基础实验课、技能训练、临床教学、模拟手术、设计手术入路等多方面有着较强的实用性, 使人体形态学科、机能学科、临床教学及手术操作中许多机理复杂、难度大、实验成本高、病例罕见和难以实体操作的内容, 都可以在计算机上通过虚拟现实技术再现逼真的实物图像、组织器官内部结构、三维动画模拟操作。在人体解剖学中利用虚拟现实技术也可以建立可视化的实时的人机交互性的虚拟形态和功能解剖三维图像系统, 学生不仅可以从多层面或旋转方式观察人体各局部结构及其解剖关系, 而且还可以“拿起”模拟手术刀进行解剖模拟训练。这就突破了客观条件的限制, 强化了实践, 同时开发了学生的潜能, 培养了能力。

4 虚拟针灸系统

虚拟针灸系统为中医药研究开拓新领域。中医学理论源远流长, 讲究整体观和辨证论治, 以其独特的理论体系和医疗效果屹立于世界医学与人体科学之林。针灸经络学说是中国历代医家对人体结构研究的智慧结晶。数字化虚拟人将从宏观、微观方面多指标, 全方位为科学阐述这一理论奠定基础。Pheng Ann Heng等[5]利用VHP数据集, 运用虚拟现实技术, 在仿真系统上三维重建人体模型, 并标记人体穴位和经络, 在B A R O N上显示。使用者只要戴上特制的立体眼镜, 就可以看到B A R O N上虚拟现实的立体假人, 使用仿真系统的特殊设备可以在三维立体模型上针灸, 并且通过配套的立体感观手套感觉针刺入“肌体”的力度。融入针灸穴位数据的数字化虚拟人体, 可从多层次、任意角度观察穴位的解剖结构及毗邻结构和针刺要点, 为探讨针灸经络实质提供数字化平台, 从而为中医药学与针灸经络的深入研究开拓新的领域。

5 虚拟麻醉机教学

随计算机技术的飞速发展, 许多原来由硬件才能完成的功能, 如今都能依靠软件来实现, 即“以虚代实”、“以软代硬”, 用计算机“虚拟仪器设备”、“模拟过程”进行麻醉机的参数测定、操作练习, 这种新的实验教学方法灵活有趣, 能充分调动学生的学习积极性, 促使其主动参加实验教学的整个过程, 同时教学资源可以得到优化配置和共享。与传统的实物实验相比, 计算机模拟麻醉机的实验具有以下特点: (1) 突破空间界限。在常规实验教学中, 我们不能观察分子、原子等微观物质的运动, 学生难以建立起相应的物理表象。通过计算机模拟, 变微观物质可视化为学生提供感性认识。如模拟氧分子气进入肺, 再进入血液的过程。 (2) 突破时间界限。在麻醉机实验中, 用时较长, 实验教学中费时较多, 难以进行, 如麻醉机的使用效果的观察;有的实验现象展现时间很短, 学生难以观察清楚, 如麻醉药物的弥散过程。我们利用计算机模拟控制展示时间, 并用按键控制程序将动态过程定格──展示过程的节点。 (3) 弥补了实验用麻醉机的不足。模拟实验不消耗器材, 实验所需器材种类和数量不限制, 实验成本低, 且弥补了部分仪器设备内部结构和原理不直观的缺憾。 (4) 在教学中引入现代化教育手段, 可以营造一种生动活泼、轻松愉快的教学氛围, 其突出的特点就是直观性强, 便于学生自学。

利用现有的计算机, 再加一套模拟麻醉实验的软件, 就相当于建立了一个拥有先进设备的麻醉实验室。学生在这个实验室里学习麻醉机原理, 模拟操作过程, 实验变成了一件轻松愉快的事情。将计算机技术与麻醉机的实验教学结合起来, 为麻醉学专业的教学改革打开了窗口。利用模拟实验技术, 让学生了解麻醉机各部件的功能和使用方法, 在计算机上对各种麻醉机的参数进行测试, 学生掌握模拟实验技术后, 可以给出实验要求, 让他们自己设计实验方案 (麻醉方案) , 在计算机上进行过程模拟操作通过后, 再让学生仔细观察实物设备, 进行实物实验和测试, 要求学生记录实验数据, 分析实验中产生的现象。麻醉机部分的实验考核和其它实验室的部分考核也可以先使用模拟实验的方式, 然后才是实际操作实验的方式来完成。

学生通过简单模拟实验→简单部件实物实验→模拟整机实验→综合性实物实验这一循序渐进的过程, 不仅掌握了一定的实验技术和技巧, 提高了动手能力、独立思考和独立操作能力, 还培养了学生从事科学实验研究的兴趣, 收到较好的实验教学的效果。

6 结语

随着科学技术的发展, 我国医学教学手段改进的进程也必将越来越快。以仿真技术和虚拟现实技术为支撑的现代化教学手段必将在医学科研院所的教学培训中起着越来越重要的作用。实践表明计算机辅助教学大大激发了学生的实验兴趣, 提高了实验教学的质量, 使学生学习由被动变主动、消极变积极, 充分发挥了学生的创造性, 使学生在点滴的进步中感觉到付出的收获, 从而产生成就感, 同时大大缓解了实验学时不足, 也使无缘使用各种新器件、新设备的学生有了更好更广的选择。但是必须强调, 模拟实验只是实验教学必要的辅助手段, 决不能代替真实的实验环境和实验环节, 两者要相互补充、相互促进, 才能更好地服务于创新人才的培养目标。

摘要：虚拟现实是近年来发展起来的一项新的技术, 随着现代科技向医学教育领域的不断渗透, 虚拟现实技术必将会是医学教育技术未来的发展趋势。目前医学教学中的虚拟可视人体, 在基础教学、医学手术操作、实验教学、甚至模拟中医针灸和虚拟麻醉机, 将计算机技术与麻醉机的实验教学结合起来, 为医学的教学改革提供有效的方法, 模拟实验和实验教学相互补充、相互促进, 更好地服务于创新人才的培养目标。

关键词：虚拟现实技术,医学教学

参考文献

[1] Jack C.Roberts, Paul J.Biermann.Mod-eling Non-penetrating Ballistic Im-pact on a Human Torso[J].JOHNS HOPKINS APL TECHNICAL DIGEST, 2005, 26 (1) :84～92.

[2] Pflesser B, Petersik A, Pommert A, etal.Exploring the visible human’s inner organs with the VOXEL-MEN3D navigator[J].Stud Health Technol Inform, 2001, 81:379～385.

[3] Hohne KH, Pflesser B, Pommert A, etal.A realistic model of human structure form the visible human data[J].Methods Inf Med, 2001, 40:83～89.

[4] 钟世镇, 原林, 黄文华, 等.物理医学与数字化虚拟人体的实践前景[J].中国临床康复, 2003, 7 (1) :2～4.

[5] PhengAnn Heng, ChunYiu Cheng, KaiMing Chan, etal.Computer assisted medi-cine research at the Chinese Univer-sity of Hong Kong[J].International Workshop on Visible Human, 2003, 23 (3) :16～26.