淺談虛擬現實技術對現代醫學教育的影響

李 檬，羅泰來，牛 振

模擬訓練在過去的40年中，已廣泛用于航空、商業、核電和軍事領域。模擬教學可分為模塊模擬和情景模擬。模塊模擬是使用模塊式的教學模具，對單一的技能進行操練。情景模擬則是使用標準化患者(standardized patients，SP)等，對特定的場景以及病例進行模擬，訓練學員對相應情景的反映。兩種模擬方式各有優點，但均有不足之處。虛擬現實(virtual reality，VR)技術則能將兩者優點結合，既能模擬特定的場景，又能讓學員進行重復的練習。

1 VR技術的概念

VR技術是20世紀60年代中期由Ivan Sutherland最先完成的［1］。1965年第一臺頭戴式現實器的制成，意味著虛擬現實技術的誕生。VR一詞是由噴氣推動實驗室的創始人Jaron Lanier首先提出來的，又稱之為虛擬環境(virtual environment，VE)，是美國國家航空和航天局及軍事部門為模擬而開發的一門高新技術。VR不同于一般的多媒體或仿真技術，它是多種技術的綜合與集成，其主要的相關技術包括［2］:傳感器技術、促動器技術、實時仿真技術、數字仿真技術、計算機輔助設計技術、人工智能技術、場景生成技術和多媒體技術等。根據VR技術的使用媒介不同，可分為:沉浸式VR、桌面式VR、假性VR和逆向VR等。

VR系統包含4個部分:軟件、硬件、輸入設備和輸出設備。硬件部分包括［3］:(1)傳感器(sensors)。例如能夠檢測觀察者身體運動的頭位置傳感器等。(2)印象器(effector)。印象器指能夠刺激觀察者產生立體效果的立體顯示裝置，如頭盔顯示器等。(3)連接傳感器與印象器以產生模擬物理環境的特殊硬件，如工作站。VR技術之所以能夠掀起如此大的研究熱潮，其原因不僅在于它自身的理論發展與完善，更主要的在于它在各個領域的廣泛應用以及可以預見的廣闊發展前景。

2 VR技術在教學中的作用

2.1 虛擬環境，安全高效

在遠程教學中，往往會因為實驗設備、實驗場地、教學經費等方面的原因，而使一些應該開設的教學實驗無法進行。利用VR系統，可以彌補這些方面的不足，學生足不出戶便可以做各種各樣的實驗，獲得與真實實驗一樣的體會，從而豐富感性認識，加深對教學內容的理解。

以往對于危險的或對人體健康有危害的實驗，一般采用電視錄像的方式來取代實驗，學生無法直接參與實驗，獲得感性認識。利用VR技術進行虛擬實驗，則可以免除這種顧慮。學生在虛擬實驗環境中，可以放心地去做各種危險的或危害人體的實驗。例如，虛擬的化學實驗，可以避免化學反應所產生的燃燒、爆炸所帶來的危險;虛擬的外科手術，可避免由于學生操作失誤，而造成“患者”死亡的醫療事故。

2.2 模擬訓練，環境逼真

VR技術能夠為學生提供生動、逼真的學習環境，學生能夠成為VE的一名參與者，在虛擬環境中扮演一個角色，這對調動學生的學習積極性，突破教學的重點、難點，培養學生的技能都將起到積極的作用。

VR系統可設置不同的戰場背景，給出不同的情況，而受訓者則通過立體頭盔、數據服和數據手套(或三維鼠標)操作傳感裝置，從而做出或選擇相應的戰術動作。輸入不同的處置方案，體驗不同的作戰效果，進而像參加實戰一樣，鍛煉和提高戰術水平、快速反應能力和心理承受力。與常規的訓練方式相比較，VR訓練具有環境逼真，“身臨其境”感強、場景多變，訓練針對性強和安全經濟，可控制性強等特點。如美空軍用VR技術研制的飛行訓練模擬器，能產生視覺控制，能處理三維實時交互圖形，且有圖形以外的聲音和觸感，不但能以正常方式操縱和控制飛行器，還能處理VR中飛機以外的各種情況，如氣球的威脅、導彈的發射軌跡等。

3 VR技術在醫學訓練中的應用

3.1 VR系統

VR系統是通過虛擬技術，結合計算機軟件等建立虛擬操作平臺，對有創類手術、操作和相關檢查進行虛擬仿真練習。現有的VR系統包括手術類、操作類和檢查類。手術類有:腹部外傷手術、腹腔鏡膽囊、膀胱切除術、鼻內窺鏡手術、膝蓋和肩部關節鏡手術、血管手術等。操作類型有:靜脈導管插入、腰椎穿刺、硬膜外麻醉、骨髓活檢、心臟導管插入術、下腔靜脈濾器置入、心包穿刺、環甲膜切開術、開胸手術等。檢查類包括:眼壓檢查、超聲檢查、宮腔鏡檢查、輸尿管鏡、支氣管鏡、上消化道內窺鏡等。

3.2 虛擬人和虛擬醫療環境

使用虛擬人技術，醫生便能遠程通過視頻電話指導患者進行康復治療和其它相關項目，如創傷救治、團隊訓練和演練等。醫療VE是通過虛擬患者和治療方案的人機界面評估，通過網絡了解就診地點、家庭或醫院環境的醫療狀況，改進對醫療環境的預警和診斷。其應用領域包括康復指導、遠程醫療、遠程教育、醫療演習、急診應急救助等。

3.3 虛擬醫院

虛擬醫院的目標是通過使醫學專家信息數字化，降低訪問醫學信息的門檻，方便可訪問治療點的醫療人員和其他人員(如患者)的訪問。虛擬醫院分為患者網頁、醫護人員網頁、管理人員網頁等。患者網頁主要內容為25個常見病及急救方法、用戶保健信息等，可供進行虛擬練習使用。醫護人員網頁鏈接了82個海上常見的醫學問題，提供了權威醫學答案。還鏈接保健、海軍職業與環境衛生、醫療程序、繼續醫學教育模擬訓練課程等。

4 小結

VR技術在醫學訓練中具有非常多的優點，包括:有效、經濟和更加合乎倫理及人文關懷。通過VR技術，對操作課程進行仿真模擬，能有效提高訓練質量。同時VR技術可以讓學員進行反復多次的練習，從而降低成本。最關鍵的是，模擬仿真的手段，對真實患者無傷害，更符合醫學倫理及人文關懷。

VR技術的運用，促進了臨床教學模式的轉變。傳統教學模式為床邊教學模式，一般是由帶教老師帶領實習生“看一個、做一個和教一個”。這種模式受帶教老師能力素質的影響很大，訓練內容與數量受運氣影響較多。而VR技術則能實現“看一個、模擬操作很多次、完整做一個，再教給大家”。這樣的模式將帶教老師素質和運氣因素對訓練效果的影響降到最低，同時提高實習生的訓練質量。

VR技術能涵蓋多個教學環節，如:開始學習階段、實驗室基本技能練習階段、病床邊學習階段、術前規劃和手術演練。因此，VR技術是一種安全、高效、實用的教學工具，是當今社會醫學教育研究的熱點之一。

VR技術在國內推廣的同時也存在一些問題，如:價格較高、師資缺乏和銜接不暢等問題。VR技術的設備相對昂貴，大規模建立先期投入較大;針對VR技術的師資訓練國內還較少，缺乏相應的專職教師;VR技術訓練和傳統訓練模式如何銜接，促進醫學生教育質量的提高，還有待進一步研究。

［1］Carl M，Steve ET.Virtual reality［J］.Comput Graph Appl，1994，14(1):15-16.

［2］Frank B.Tomorrow's space:journey to the virtual worlds［J］.Comput Graph，1993，17(6):687-690.

［3］Stephen RE.What are virtual environments［J］.IEEE Comput Graph，1994，14(1):17-22.

(本文編輯:張陣陣)