淺談搭建虛擬現實醫療教育平臺的技術思路與實施方案

費杰　郭楠楠　王一凡　郭啟航

【摘 要】VR虛擬現實作為一項世界前沿的科學技術，將醫療、教育行業與之結合能夠產生巨大的發展空間和社會效益。本文以虛擬現實醫療教育平臺為論述載體，著重介紹了平臺搭建的技術思路和實施方案，并得出以下結論：利用三維重建技術、眼控交互技術、以及逼真的儀器操作感，以VR眼鏡為媒介在醫學教育、中小學公益教育等方面的應用，將會產生重大積極影響，既能以一種全新的方式提高醫學教育和培訓的效率，同時在推廣虛擬現實治療、公益教育項目上具有很大的社會價值和研究意義。

【關鍵詞】虛擬現實；醫療教育平臺；技術思路；實施方案；效率

中圖分類號： TP391.9 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）20-0123-002

A Brief Discussion on the Technical Thinking and Implementation Plan of Virtual

Reality Medical Education Platform

FEI Jie GUO Nan-Nan WANG Yi-fan GUO Qi-hang

（School of medical imaging，Xuzhou Medical University，Xuzhou Jiangsu 221004，China）

【Abstract】VR virtual reality as a world frontier science and technology，the combination of medical treatment and education industry can produce great development space and social benefit.This paper with the virtual reality medical education platform for the carrier，emphatically introduces the platform to build technical train of thought and implementation plan，and draw the following conclusion：the use of 3 d reconstruction technology，eye accused of interactive technology，and realistic sense of instrument operation，VR glasses as medium in the medical application of aspects such as education，public welfare education of primary and secondary schools，will have a significant positive impact，both to a whole new way to enhance the efficiency of medical education and training，at the same time in the promotion of virtual reality therapy，public education project has great social value and research significance.

【Key words】Virtual reality；Medical education platform；Technical thinking；Implementation plan；Efficiency

0 前言

據部分相關信息統計，2016年第一季度，中國VR投資達18億人民幣，業內人士預計，今年是中國VR產業爆發元年，而未來四年，市場規模將增長36倍至550億人民幣；而教育方面，VR技術與醫學的結合研究如今基本只停留在實驗室階段，并沒有全面推廣應用。在國外如美國加州健康科學西部大學（波莫納）、圣澤維爾學校、美國頂尖設計科格威爾大學都開始采用VR教育這一新型教學方式，越來越多的人開始認可并且接受VR教學。而在國內VR教育還處于行業起步期，無論是設備技術的成熟程度，消費級產品的受市場認可程度還是注入內容的豐富程度，都與大規模的推廣還有一定距離。因此，此時VR+教育的聯動將會有更好的發展趨勢。

1 技術思路

三維重建技術

綜合了多層面重建（MPR）、最大密度投影（MIP）、表面陰影遮蓋（SSD）、容積漫游技術（VRT）、曲面重建（CPR）、虛擬內鏡技術（VE）等技術的優點，使得掃描身體任意部位的二維斷層圖像都能夠精確得到全方位的三維立體圖像。

IC-3D封裝技術

3D封裝技術與傳統封裝技術相較而言，尺寸和重量方面縮短達40-50倍；速度方面，3D元件每秒可以進行更快的速度運轉而不增加能耗，而且在寄生性和方法以及硅片后處理等方面都有著顯著的優勢。將IC-3D封裝技術應用于VR產品對本項目而言是一個很好的發展基礎， VR產品在數據的采集、運算、分析、存儲、傳輸等方面占有明顯優勢，能夠進一步豐富擴展VR的功能以及應用。

實時3D圖像捕獲技術

利用機載計算機視頻、網絡攝像頭、頭盔式攝像頭或其它任何視頻捕捉設備即時捕捉人物的臉部表情，即讀取選定的視頻中的信息，以任何幀速率運行，跟蹤并分析出面部表情的數值，然后把該表情傳送至VR頭盔里，并且能通過手勢對其進行捏造，類似3D游戲中的“捏臉”技術。

Unity 3D 與 VR技術

Unity3D是由Unity Technologies開發的多平臺綜合游戲開發工具，是一個全面整合的專業游戲引擎。其編輯器運行在Windows和Mac OS X下，可發布游戲至 Windows、Mac、Wii、iPhone、WebGL（需要HTML5）、Windows phone 8和Android平臺。也可以利用Unity web player插件發布網頁游戲，支持Mac和Windows的網頁瀏覽。利用Unity3D開發虛擬現實所需要的環境，美工組進行模型制作與渲染，程序員進行邏輯開發與編輯，測試員進行性能測試，方可導出適合移動端、PC端運行的軟件，并且后期軟件的FPS都保持在一個正常位，避免因為延遲而產生暈眩的感覺。endprint

微信程序開發

利用微信提供的開發者工具，建立微信小程序，即用JS調用底層native組件，這是一種全新的連接用戶與服務的方式，它可以在微信內被便捷地獲取和傳播，同時具有出色的使用體驗，并且不占用手機內存。

眼控交互

將紅外光源、光學傳感器、圖像處理器、試點計算核心內置于眼控儀，創建出對應的圖像投射到人眼上，捕獲用戶頭部、眼睛的圖像信息，提取捕獲圖像的特征，就可以精確計算注視點的位置，使得癱患者可以通過眼鏡瀏覽網頁打字，獨特的追蹤算法可以高效追蹤畫面中任何選定對象，即使在光線差、清晰度低的環境，用戶體驗效果也很好。

手勢跟蹤

采用數據手套，一般在手套上集成了慣性傳感器來跟蹤用戶的手指乃至整個手臂的運動。它的優勢在于沒有視場限制，而且完全可以在設備上集成反饋機制（比如震動和觸摸）。它本身需要穿脫設備的缺陷，可替換成穿脫手套，使得VR手術的模擬更有實感，操作更加逼真。

2 實施方案

2.1 VR醫學教育

2.1.1 病理學

以VR-MEDICAL為開發平臺，結合臨床病理醫學數據支持，將3D沉浸體驗運用到痛苦系數偏高的患者，譬如兒童燒傷患者等的輔助治療中，能夠分散重癥患者的注意力并減少止痛藥的使用；基于數字化病理系統及數據庫的支持，利用虛擬現實技術為用戶開發制定病理組織切片數據虛擬現實可視化解決方案。

2.1.2 心理學

①VR恐懼接觸療法：讓用戶站在高臺上去對抗恐高， 或是展示一段飛機上的體驗來對抗暈機。

②VR同情聚焦療法：利用沉浸式虛擬現實技術，被試可以從安撫者轉化為自己安撫的對象，從而間接地對自己表達同情。這是傳統心理治療方法難以做到的事。

③輔助多種需要轉換視角的心理治療，如創傷后應激障礙（PTSD）的治療。

④拓展傳統的心理治療，比如圖式療法（Schema Therapy）、格式塔空椅子療法等等。

2.1.3 生理學

通過對人體器官進行建模，并且結合人衛版教材制作一套完整的醫學教學資源，使教學更為方便、直觀，不受教學場地時間限制，顯著提高學生的學習效率；

2.1.4 外科

通過搜集真實病例，打造3D模型，使醫學生能夠不斷在手機、平板、電腦上練習手術所必備的手眼協調能力，同時讓患者能夠熟悉整個流程，例如內窺鏡、微創手術、光纖喉鏡。并且在每一次手術過后予以此次手術評分，從而判斷手術好壞程度。

2.2 VR-3D圖像重組

醫生可以通過VR眼鏡掃描CT圖像、核磁共振圖像等斷層掃描圖像，然后經由3D設計替代單芯片封裝內置集成芯片，進行二維圖像―數據―三維圖像的快速傳輸并且儲存。并且醫生也可通過手勢命令，聲音命令等指令完成對3D物體成像的平移、旋轉、縮放等一系列操作，從而對病情做出更精準的診斷。通過存儲的信息，醫生可以及時的了解病患的病史以及分析病情的變化。

2.3 VR醫學設備操作模擬

針對醫療機構和醫學背景院校，打造專業的虛擬現實教學與科研的綜合實訓室。并結合不同醫學領域知識特點，制作各類高精度三維模型及動畫；同時根據用戶需求及課程知識需要，開發用戶定制版的虛擬現實互動教學平臺；提供環幕、穹幕顯示設備架構設計，立體投影設備及各類互動硬件，使用戶通過傳統的PC或者VR交互設備進行模擬操作；根據實地測距，為用戶量身打造最佳的沉浸式體驗效果。于臨床檢驗、診斷、心理學、病理學、外科等實訓費用高或實訓資源緊張的專業領域，在有效減少實操教學成本與風險的同時，加強受訓人員及學生的技能熟練程度，提高教學實訓效率。

2.4 中小學虛擬現實公益教育

主要以課程為載體，通過對不同突發狀況的場景建模，針對中小學生進行虛擬現實應急救護知識普及與技能培訓，培養學生的解決突發情況、做到自我保護，集創新教育、體驗教育、項目學習等思想為一體；契合學生富有好奇心和創造力的天性，推廣中小學創客公益教育。

3 結束語

在互聯網和電子技術飛速發展的新形勢下，國家正積極推動發展“智慧醫療”、“智慧教育”，將新穎的虛擬現實技術與醫療教育等 相結合十分符合社會和科學的發展。本文結合現代技術，詳細敘述了搭建虛擬現實醫療教育平臺的技術思路與實施方案，使得虛擬現實醫療教育平臺能夠更加直觀的呈現其作用和效力，體現出智能高效、技術領先、反饋及時、功能強大、實用性強等特點，為后續的發展提供了可靠的依據和指導。

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