全息影像技術在醫學輔助教學中的探討與研究

趙慧

[摘 要]本文基于全息影像技術應用發展方向，從應用形式、應用方向和應用關鍵問題等多方面進行了論證，全面剖析了全息影像技術、探討了全息影像技術在輔助醫學教育領域的應用和發展，對全息影像技術在醫學輔助教學中的應用與發展具有一定的借鑒和指導意義。

[關鍵詞]全息影像技術；教學輔助；教學研究

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2017.04.154

[中圖分類號]G642.4 [文獻標識碼]A [文章編號]1673-0194（2017）06-0-02

1 全息影像技術概述

全息技術在三維立體空間對真實物體，利用波的干涉原理和衍射原理進行記錄，并通過三維全息投影實現真實事物的虛擬和再現技術，其成像過程包括兩步。第一步，全息攝影。圖1給出全息投影的拍攝過程，如圖1所示激光束被分成兩部分，一部分作為參考光，另一部分經被攝物體形成漫反射，兩部分光束疊加產生漫反射記錄在全息干版上，經后期處理形成全息照片。第二步，物體全息影像的虛擬再現。全息圖的衍射光波一般可給出兩個象，即原始象（又稱初始象）和共軛象，再現的圖像具有較強的立體感。其優勢主要體現在三個方面：一是形成真實物品的立體影像資料，尤其是珍貴物品的立體影像資料，使探討和交流可以脫離真實物體；二是全息投影產生的虛擬立體影像，立體感強、虛擬逼真并可借助激光束和360度全息顯示屏在各種場合進行展示；三是記錄物體信息時全息底片可以記錄任何一點的信息，因此具有較強的糾錯和修復能力。

全息影像技術經過一段時間的發展，已從理論研究走向應用研究領域，其應用范圍廣泛。全息影像基于波的干涉和衍射原理，適合各種形式的波動，如光波、超聲波、電子波、X射線等。其應用可以滲入到影視等媒體、展覽、醫學3D影像、內部結構探測、珍貴物品信息存檔等各個方面。目前，相對成熟的應用，首先是基于360度幻影成像系統的三維懸浮影像顯示，系統可以在舞臺等場地構建逼真的、具有特殊氛圍的、可視化虛擬化立體影像，在真實的情境中植入虛擬的視覺立體影像，二者相互結合。其次，其在醫療領域的應用，如以色列開發了一種用于醫療手術模擬的立體影像模擬系統。系統的主要功能是通過全息影像技術構建虛擬化的手術模擬環境，醫生或醫學生可以在虛擬的、可視化立體幻境中進行方針演示或模擬，其在手術方案演練和醫學手術實踐等方面具有獨到的作用，是醫學教學輔助的理想形式。隨著研究的不斷深入和與各行業的融合，其他領域的應用研究也不斷進行。成晉軍 等就重點剖析了全息影像技術在教學中的應用。本文在此基礎上進一步探討了全息影像技術在輔助醫學教育中的應用方向、應用形式和存在的相關問題，旨在用新技術推動醫學相關教育的發展。

2 全息影像技術在輔助醫學教育中的應用

2.1 應用形式

全息影像信息技術應用的核心是3D全息投影，其在輔助醫學教育中的應用目標是構建及生產醫學教育中高清晰的、色域逼真的、立體感強的三維醫學影像，用于平時的醫學教學，給醫學學習者以強烈、新奇的視覺沖擊，進而加深學習的印象，提高學習者的學習欲望，并最終取得較好的醫學教學效果。其最主要的應用形式是在現代化的全息教室中，構建虛擬化的立體虛擬場景，并進行醫學的侵入式、體驗式、觀摩式教學。

2.2 應用方向

要探討全息影像技術在輔助醫學教育中的應用，就要明確醫學教育中哪些教學領域需要或可以引入全息影像輔助教學，明確其在輔助醫學教學中的應用方向。就此問題，研究者對醫學課程和具體教學內容進行了相關調研，分析得出其應用領域主要集中在以下幾個方面。

2.2.1 醫學解剖教學領域

人體解剖屬于生物形態學范疇，是醫學教育中一門最基本和最重要的課程。醫學解剖理論與實踐教學中最重要的問題有以下幾個。首先，解剖圖像是平面圖像難以形成多角度、多方向、多層次的教學信息，視覺沖擊力弱，難以激發學生的學習興趣。其次，可供于課程實踐的人體標本資源嚴重緊張，以南京醫科大學為例，每年接收的可供解剖的遺體不足70具，國內多數醫學院校幾十名學生才有機會解剖一具遺體，這種情況非常普遍，嚴重影響了解剖的教學質量。為此，李一帆 等提出了采用三維虛擬數字化可視人體進行解剖教學的方案。全息影像技術的出現正好迎合了相應的教學解決方案，在教學中通過全息成像技術或者在已有斷層掃描三維重建技術的基礎上構建全息解剖影像，并在全息教室進行三維懸浮立體再現。在教學中教師可以就虛擬人體光學影像進行解剖講解和虛擬實踐演示，使教學擺脫稀有的遺體限制。

2.2.2 醫學手術實踐教學領域

醫學手術實踐是演練和提高醫生（尤其是外科醫生）的關鍵專業性技能，同時也是執業醫師不斷提升自身素質的關鍵，但其教學與實踐卻陷入了“瓶頸”。醫院的手術室不可能讓大量學生實時、長時間觀摩，因為手術風險和醫患關系問題也難給機會于學生實踐鍛煉，全程的手術影像視頻出于患者隱私的要求和攝像角度等問題，很少具有可用性，有的即使可以播放、傳播，但效果一般。全息影像技術為打破“瓶頸”帶來了契機。如文中提到的由以色列“真實影像”公司和科技巨頭飛利浦公司聯合開發的醫用3D全息投影系統，系統一方面是計算，也就是接收3D數據并算出全息圖；另一方面是電光系統根據全息圖把光線射入空間，并在真實環境中重建影像，這為使用者提供了極大的便利。基于全新的全息影像技術，醫生可以用3D全息投影進行模擬操刀手術練習，從自身角度通過手術模擬練習可以在一定程度上降低手術風險，另一方面手術醫師可以形象生動地給學習者進行生動的演示教學。從學生角度，首先其獲得了最直觀的手術觀摩。其次，可以無壓力、無限制地進行實踐演練。總之，這些對醫學手術教學具有極其重要的意義。

2.2.3 其他

全息影像技術在醫學教學領域的方向同樣還可以延伸到需要醫學數字圖像的領域。如在生物學和顯微學中大大量的二維病理圖片實例，借助全息技術可以實現2D到3D的轉化，使教學更加生動、逼真。吳育民 等探討了“數字全息顯微在醫學影像中的發展與最新應用”。如在醫學診斷教育中同樣可以應用全息影像技術構建虛擬病人進行診療模擬。

2.3 關鍵問題

全息影像技術在輔助醫學教育中應用的主要問題包括兩個方面。首先，全新醫學教學影像的獲取或生成。全息影像技術目前還是一個相對全新的應用領域，全息影像的生產需要一支全息影像建設隊伍專門進行醫學輔助教學影像的攝影與制作，這些需要教師、學校、研究機構等進行多方的溝通與協作，非教師個人力量所能完成，嚴重制約了其發展。其次，全息影像技術作為新技術，其應用還需醫學院校在教學中進行大量的資金投入，一部分用來構建教學資源，一部分進行全息教學的基礎設施建設，主要是構建全息教學多功能教室。

這些問題制約著全息影像技術在輔助醫學教育的發展，要想突破還需做到以下幾點。一是政府部門的政策性導向和激勵。政府部門應鼓勵相應的技術企業進入到醫學及教育領域。二是提供資金支持，全息教育的引入，單靠學校本身的資金投入是遠遠不夠的。三是做好試點。新事物的發展需要一個驗證和帶動的過程，試點無疑是最好的形式。

3 結 語

全息技術是光學技術、信息技術、多媒體技術和計算機技術等高度發展下的全新領域。相關技術發展趨于成熟，其應用的領域也在不斷擴大。當前在各種商業廣告和大型演出中都能看到相應的應用，其發展勢頭迅猛。全息影像技術在醫學以及教育領域的發展也已經進入了起步狀態，相關的研究和應用不斷涌現。本文從輔助醫學教育教學的視角，對此進行了探究式的討論，其內容涉及全息影像技術在輔助醫學教育中的應用形式、應用方向和主要問題。但探討只是未來發展的一個起步，未來全息影像技術在輔助醫學教育方向走向實處還有較多的問題需要進一步研究。因此，筆者希望本文可以對全息影像技術在醫學輔助教育的應用、發展具有一定的借鑒和指導意義。

主要參考文獻

[1]成晉軍，張曉娟.全息影像技術在未來教學中的應用[J].農業網絡信息，2014（11）.

[2]李一帆，楊茂有，尚云龍，等.三維虛擬數字可視人體在解剖教學中的應用[J].解剖學研究，2012（5）.

[3]吳育民，宋國慶，馮云鵬，等.數字全息顯微在醫學影像中的應用與最新應用[J].影像科學與光化學，2016（1）.