医学教育中虚拟现实技术的整合运用研究

作者:未知

  [摘要] 随着科技的进步,我国医疗水平也正迅速发展。近些年,虚拟现实技术(VR)的发展与使用正以快速的步伐改变着医学教育模式。该项技术主要通过仿真技术与多媒体技术相结合,形成生动、逼真的虚拟环境,用户能够在虚拟环境中用自然的方式进行体验,从中获得身临其境的感受。如今,计算机技术在各个领域中得到普及,我院在教学中广泛应用虚拟现实技术,并取得了较好的成效。本文介绍虚拟现实技术的特点与种类,探讨该项技术在医学教学中的应用价值。
  [关键词] 医学教育;虚拟现实技术;交互性;辅助治疗
  [中图分类号] G434          [文献标识码] B          [文章编号] 1673-9701(2020)25-0155-04
  A study of the integrated application of virtual reality technology in medical education
  HE Huixiang   HU Qingfu   ZHENG Shanhong   DU Zhenshuang
  Department of General Medicine,the Second Affiliated Hospital of Fujian Medical University,Quanzhou   362000,China
  [Abstract] With the progress of science and technology, the medical level of our country is also improving rapidly. In recent years, the development and application of virtual reality(VR) technology are changing the medical education mode at a rapid pace. This technology mainly relies on the combination of simulation technology and multimedia technology to form a vivid and lifelike virtual environment, in whichthe users can get experiencesin a natural way and feel personally on the scene. Nowadays, computer technology has been popularized in various fields. VR technology has been widely applied in teaching in our hospital, which has achieved good results. This paper introduces the characteristics and types of VR technology, and explores its application value in medical teaching.
  [Key words] Medicine teaching; Virtual reality(VR) technology; Interactivity; Adjuvant therapy
  近些年,虛拟现实技术(Virtual reality,VR)作为一项新技术正广泛应用于教育、医疗、军工以及娱乐等行业中。目前,医学教学虚拟现实技术正逐步形成,其是将医学、生物力学、材料学、计算机图形学、机械学、计算机视觉、机械力学机器人以及数学分析融为一体的新型交叉研究技术[1-2]。与其他教育相比,医学教学不止涉及医学知识,还要将医学领域的最新动态与学生的动手能力相结合。而虚拟现实技术正结合了医学教学的特点,通过虚拟性、互动性等特点将有限的实验资源与抽象的教学内容变得更形象、更真实,我院应用虚拟现实技术在进行教学的过程中发现学生学习的积极性有所提高,该项技术能够激发学生的兴趣,提高其想象力与感知能力,可更好地提高教学质量[3-4]。而随着科技的进一步发展,虚拟现实技术在医学教育领域中不断渗透,未来也必将成为医学教育技术的发展趋势。
  1 虚拟现实技术的概述
  1.1 虚拟现实技术(VR技术)
  主要依靠计算机技术,将仿真技术、传感技术以及图形学等相结合形成一个逼真的感官世界,让使用者通过自身的听觉、视觉、嗅觉等对虚拟世界进行交互、感知等,也是一种模拟真实的体验。随着互联网与大数据的应用,这项技术早已应用于军事、生产、医学等领域中[5]。现阶段,虚拟现实技术正处于应用阶段,在医学领域中的应用也逐渐增多,如医学教学、康复、辅助治疗等。
  1.2 虚拟现实技术的种类
  VR技术是一个接近现实世界的一种虚拟环境,使用者可通过听觉、视觉、嗅觉等感受到逼真、立体的感受,还能与其进行交互活动。虚拟现实技术包括以下几类:
  1.2.1 桌面式虚拟现实  桌面式虚拟现实系统通过计算机图像技术生成一个模拟3D空间,使用者可通过鼠标与键盘进行人机交互,但是在使用时会受到外界干扰,只能进行简单的选择、旋转与拖拽等操作,与真实环境进行互动还有一定差距。
  1.2.2 沉浸式虚拟现实  该技术通过多媒体技术、传感技术与计算机3D图像处理技术,使用者借助虚拟现实手柄、手套、三位位置传感器等输入设备及电脑显示器、耳机、头盔显示器等输出设备与虚拟空间进行交互。与桌面式虚拟现实技术相比,其具有交互性、感知性以及沉浸感较强[6-7]。   1.2.3 增强式虚拟现实  该技术将真实环境与虚拟3D对象相结合,是沉浸式虚拟现实技术的变体。通过头盔显示器与手套等设备加强了使用者的真实感,同时还具备实时性、互动性、虚实结合等特点。
  1.2.4 分布式虚拟现实  该项技术又被称为数码录像机(Digital video recorder,DVR),也是一种虚拟现实系统,通过网络,将位于不同物理环境的多个虚拟环境或多个使用者相互连接。若多个使用者同时进入一个虚拟现实环境,也可以利用计算机与其他的使用者相互连接并进行信息共享。在分布式虚拟现实系统中,多个使用者可以借助网络在同一个虚拟环境中操作和观察,可达到相互协同工作的目的[8-9]。可以说,这是一项能够支持多个使用者通过网络进行实时交互的技术,任何一个使用者都能够借助计算机网络,通过虚拟现实环境与他人进行交互并进行信息共享。
  2 医学教学中虚拟现实技术的应用
  2.1 VR技术在医学教学中的优势
  医学教学的实验对象较为特殊,专业名词较多,结构较复杂,传统的教学多为理论教学结合实验教学,常使用教科书、多媒体课件、教学模型、标本等教学资源,这些只能呈现出二维平面图像,缺乏立体效果,无法满足学生的教学需求,调动不了学生学习的积极性,而虚拟现实技术很好的克服了这些不足之处。通过VR技术,一台计算机就可显示出3D立体效果,既弥补了标本不足的问题,还能让学生更直观、更灵活的掌握知识[10-12]。其中,在进行基础医学实验时,一些仿真软件能够帮助学生进行实验与操作前的指导工具,模拟实验操作的过程,让学生能够无限制的进行虚拟操作演练,教师从旁指导,不仅能够降低实验风险,还能提高教学质量。
  2.2 VR技术在医学教学中的运用
  2.2.1 用于医学理论教学  VR技术改变了传统的医学理论教学模式,以往医学院校教学多以课堂教学为主,教师口头教授、板书结合手势进行演示,再以模型、挂图、标本等作为辅助教学工具,再使用解剖或动物实验加深学生的印象,提高学生的动手实践能力[13]。而这些并不能满足学生的学习需求,近些年,多媒体教学将图像、声音、视频、文字等相结合,呈现出更新颖、生动活泼的教学方式。而虚拟现实技术的使用则打破了以往的教学模式,我院在教学中使用VR技术进行辅助教学。将人体各器官的生理学与解剖结构等教学模型存储于数据库中,使用时可随时取出展示,运用这种方法后,能够将我院以往无法进行的实验项目得以开展,不仅减少了我院的教学经费,还能让学生更全面的掌握理论知识,调动学生的积极性,激发学生的兴趣,提高其想象力与创造思维能力[14-15]。
  2.2.2  用于医学实验教学  (1)建立合成药物分子结构模型。VR技术可让研究人员测试不同新药物的特性,通过虚拟仿真器使研究人员直观看到或感受药物分子与其他生物化学物质相互作用影响的过程,我院使用VR技术减少了反复试验所带来的污染与实验人员的损伤,还加速了药物的研发过程[16]。(2)实现虚拟人体。利用VR技术可模拟人体的各部位、器官以及功能等,不仅能够模拟人体的骨骼、动力学、大脑结构、功能、人脸、神经、器官、心脏等,还可通过计算机生成的三维人体模型模拟整个的治疗过程,学生可通过这项技术进行临床基本操作的训练[17]。如教学过程中最常见的是人体解剖教学,我院在教学过程中,通过虚拟现实技术,建立了一套完整的教学系统,包括操作与评价系统。学生通过虚拟现实技术获得三维立体的视觉感官,不仅能够看到人体各器官、血管、骨骼等细微的解剖结构以及所处的空间位置,还能够通过这项技术进行360°任意轴面的旋转,方便学生在脑中呈现三维立体概念。这项技术的应用弥补了我院以往在教学中存在的感官缺陷,学生好评度也较高。(3)模擬诊断与治疗。我院在进行放射诊断的教学中,教师在虚拟环境中利用三维小器械在有意义的部位做标记,不仅不会影响到原始数据,还方便了研究,对诊断某些疾病具有重要的意义。在进行肿瘤高剂量放疗过程中,难免会损伤到周围组织器官,而利用VR技术可减少这种伤害,通过为虚拟患者制订放疗计划,将目标区域细致的展示给医生,并将不同部位理想的照射剂量进行计算,还能够调整剂量,优化方案,将放疗造成的损伤降到最低[18-19]。(4)虚拟外科手术。虚拟现实技术可为外科医生提供外科手术仿真器,让医生在进行复杂的外科手术之前能够反复练习,练习后将其运用到实际手术中[20]。如神经外科手术难度较大,培训的过程非常耗时,并且很难重复培训。我院在此项培训中应用了虚拟现实技术,将患者头颅与血管影像进行重构,再通过系统提供的移动、切割等工具模拟手术的全过程,如切开头皮、钻颅骨以及打开骨窗等过程,不仅全程模拟了真实的神经外科手术过程,还让学生通过重复操作熟练掌握这项手术的操作过程。此外,这项技术不仅能够让医生对各种不同病例进行联系,还能够根据某个患者的特点生成真实三维人体模型,为提高手术成功率做出了巨大的贡献。对于我院的学生而言,虚拟外科手术可为其提供更多的手术演练机会,对提高其手术操作技能具有良好的效果[21]。
   虚拟现实技术是集视、听、触、嗅、运动等感觉于一体的交互式虚拟环境,使用者通过传感、交互、跟踪以及显示设备,可从任意角度与虚拟环境中的人或物体进行交互,其感受真实,仿佛身临其境一般。而医学是实践性极强的一门学科,实验几乎贯穿了整个医学教学过程,但是,实验教学质量却受到一定因素的影响,虚拟现实技术作为一种新型的教学手段应用在医学教育中,受到了教育界的高度重视与关注。该技术能够应用在基础医学教育教学、临床医学教学、中医教学、医学远程教育等教学领域中,不仅能够满足医学教学改革的需要、学生学习的需要、现代社会对教学媒体发展的需要,还能够对发展、探索现代教育思维、提高医学教育技术及水平、改善医学教育实验环境、优化教学过程以及培养具备创新能力与创新意识的人才产生重要的价值。传统的教学方式很难将医学教育中实践性较强、较为抽象的内容直观的展现给学生们,利用虚拟现实技术,将其引入医学教育中,构建医学虚拟教学系统能够弥补这些不足。不仅能够突破空间与时间的限制,将原本抽象的内容变为直观,有助于学生理解,同时,运用虚拟现实技术的交互性,能够将知识与技能有效的传达给学生。   本文主要介绍了虚拟现实技术的内容、种类,以及这项技术在医学教育中的应用,由此可见,虚拟现实技术应用在医学教育领域有助于学生掌握医学知识,原本抽象、枯燥的医学内容通过虚拟现实技术展现出来,可调动学生的积极性,激发学生的学习兴趣,促进了学生个性化学习,提高学生自主学习能力,学习成绩与教学质量均有较大的提高。但是这项技术应用于医学教育中也存在一些不足之处,该教学系统开发周期较长,现阶段,我国医学教育中使用虚拟现实技术尚处于发展中阶段,很多技术方面的开发工具及资料较为有限,因此,仍需要多方共同努力,完善这项技术在医学教育中的应用。
   总而言之,在医学教学中应用虚拟现实技术能够弥补传统教学中缺乏实验设备、实验经费以及实验场地等教学资源方面的不足,通过虚拟现实技术,能够让学生亲身体验各种实验,对提高其医学理论知识与实践动手能力有着积极的意义,不仅能够加深其对教学内容的理解,还能提高整体教学质量。此外,虚拟现实技术能够有效避免真实情境中危险,对于一些凶险的、罕见的病症,可反复进行演练,可提高麻醉学、急救医学等临床技能。随着虚拟现实技术的不断发展与完善,该项技术在医学教学中已日渐普及与成熟,将在医学教学领域中得到更广泛的应用。同时,这项技术为医学教育领域注入了新的活力,也将为现代教育带来新的挑战与机遇。
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  (收稿日期:2020-03-13)
  [基金项目] 福建省科技计划项目(2019Y0027)
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