VR技術(shù)在醫(yī)學(xué)專業(yè)考試復(fù)習(xí)中的開發(fā)與應(yīng)用

安小霞 孫嘉楠 張?jiān)?/p>

摘 要：傳統(tǒng)的醫(yī)考復(fù)習(xí)模式有其優(yōu)勢(shì)，但總的來說其還是存在以下主要問題：復(fù)習(xí)效率低下，缺少實(shí)操環(huán)境和標(biāo)準(zhǔn)化人體模型。而VR技術(shù)在醫(yī)學(xué)專業(yè)考試復(fù)習(xí)中的開發(fā)與應(yīng)用則可以有效地解決此類問題，極大地提高考生的復(fù)習(xí)效率。它主要應(yīng)用到了以下四個(gè)技術(shù)：動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)、實(shí)時(shí)三維圖形生成和顯示技術(shù)、人機(jī)交互設(shè)備、智能化語音虛擬現(xiàn)實(shí)。讓醫(yī)考復(fù)習(xí)具有可模擬性，可操作性和真實(shí)感。

關(guān)鍵詞：VR技術(shù);醫(yī)考復(fù)習(xí);人機(jī)交互;實(shí)時(shí)三維圖形生成和顯示

近年來，隨著醫(yī)學(xué)專業(yè)考試考生數(shù)量的增長(zhǎng)，不同的考試培訓(xùn)機(jī)構(gòu)層出不窮，在網(wǎng)課理論學(xué)習(xí)被普遍應(yīng)用的今天，醫(yī)學(xué)考生對(duì)實(shí)操訓(xùn)練的愿望越來越強(qiáng)烈，傳統(tǒng)的考試復(fù)習(xí)模式缺乏合適的訓(xùn)練環(huán)境，醫(yī)考復(fù)習(xí)中實(shí)物資源不足，考生不易掌握相關(guān)操作的流程，而且有些實(shí)操練習(xí)有一定的風(fēng)險(xiǎn)性。所以，為了鞏固醫(yī)學(xué)考生在實(shí)操這一部分的練習(xí)環(huán)境，方便考生直觀的復(fù)習(xí)各項(xiàng)專科查體手法，使考生熟練掌握相關(guān)技能操作，形成系統(tǒng)操作思維，高效且實(shí)用的復(fù)習(xí)方法是考生所追求的。

虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，VR）是近年來興起的一門跨學(xué)科領(lǐng)域的綜合高端技術(shù)，應(yīng)用計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)和智能化人機(jī)交互的適配模式，實(shí)時(shí)生成和顯示數(shù)字三維模型，實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)之間互動(dòng)。[2]虛擬技術(shù)是由計(jì)算機(jī)生成的數(shù)字模擬系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于虛擬的真實(shí)感、可造塑性、可模擬性、可操作性與可通信性。利用以上特性不僅節(jié)省資源，也打破了時(shí)空條件的限制，更有利于學(xué)習(xí)的補(bǔ)充，使考生熟練掌握實(shí)踐技能操作，提高復(fù)習(xí)效率，在應(yīng)用市場(chǎng)中具有競(jìng)爭(zhēng)價(jià)值。

1 現(xiàn)狀分析

1.1 國(guó)內(nèi)VR技術(shù)在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用

2009年，鐘世鎮(zhèn)、傅征等主編的《數(shù)字醫(yī)學(xué)概論》，作為國(guó)內(nèi)第一部系統(tǒng)全面描述數(shù)字醫(yī)學(xué)的專著，有關(guān)VR技術(shù)應(yīng)用在臨床醫(yī)學(xué)散在見于書中“虛擬外科手術(shù)”“第二代中國(guó)虛擬人”等章節(jié);Pieper及Satara等研究者在90年代初基于兩個(gè)SGI工作站建立了一個(gè)虛擬外科手術(shù)訓(xùn)練器，用于腿部及腹部外科手術(shù)模擬。這個(gè)虛擬的環(huán)境包括虛擬的手術(shù)臺(tái)與手術(shù)燈，虛擬的外科工具（如手術(shù)刀、注射器、手術(shù)鉗等），虛擬的人體模型與器官等。借助于HMD及感覺手套，使用者可以對(duì)虛擬的人體模型進(jìn)行手術(shù);2016年7月12日，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院直播了一臺(tái)由副院長(zhǎng)、肝臟外科科主任夏強(qiáng)主刀的小兒活體肝移植手術(shù)。與之前不同的是，這次直播采用了當(dāng)前最為先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）來顯示手術(shù)的全景畫面，這也是全國(guó)首次采用VR技術(shù)直播的3D兒童肝移植手術(shù);如北京航天航空大學(xué)在分布式飛行模擬方面的應(yīng)用;浙江大學(xué)在建筑方面進(jìn)行虛擬規(guī)劃、虛擬設(shè)計(jì)的應(yīng)用等，這些例子都一一證明了VR技術(shù)能夠幫助醫(yī)學(xué)解決一些傳統(tǒng)的技術(shù)問題，同時(shí)也顯現(xiàn)出了VR技術(shù)在醫(yī)學(xué)方面的發(fā)展前景是非常好的。

1.2 國(guó)外VR技術(shù)在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用

加拿大初創(chuàng)公司Aris MD正在開發(fā)一種AR/VR系統(tǒng)來處理2D掃描圖像并將其轉(zhuǎn)換為3D圖像，這些圖像在手術(shù)期間覆蓋在患者身上。使用來自MRI，CT，X射線或超聲掃描的診斷圖像，該技術(shù)提供了患者解剖和損傷的圖。這樣的“地圖”可以節(jié)省手術(shù)時(shí)間并減少患者麻醉的時(shí)間。美國(guó)加州健康科學(xué)西部大學(xué)目前已建成一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)中心，該中心擁有四種VR技術(shù)：Anaomage虛擬解剖臺(tái)、z Space顯示屏、Oculus Rift頭顯和iPad上載的斯坦福大學(xué)開發(fā)的解剖模型;2016年12月，全球VR聯(lián)盟（Global VR Association）成立。美國(guó)Surgical Theater公司—3D虛擬現(xiàn)實(shí)的導(dǎo)航操作系統(tǒng)等，也進(jìn)一步證明了VR技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重大突破和巨大優(yōu)勢(shì)，展現(xiàn)了VR技術(shù)在醫(yī)學(xué)專業(yè)考試復(fù)習(xí)中的開發(fā)與應(yīng)用前景非常廣闊，同時(shí)也為其提供了一定的開發(fā)與應(yīng)用。

2 技術(shù)構(gòu)建

VR技術(shù)在醫(yī)學(xué)專業(yè)考試復(fù)習(xí)中的開發(fā)與應(yīng)用的研究，包括設(shè)計(jì)、研發(fā)制作醫(yī)考最優(yōu)復(fù)習(xí)方式、高效的理解與記憶、規(guī)范化醫(yī)考實(shí)操、通用。眾所周知，醫(yī)學(xué)知識(shí)內(nèi)容多且繁雜，傳統(tǒng)的醫(yī)考復(fù)習(xí)模式已不能滿足需求，故為了能夠提高醫(yī)學(xué)專業(yè)考試復(fù)習(xí)的效率，大幅縮短復(fù)習(xí)時(shí)間，我們有下面四個(gè)技術(shù)：

（1）動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)：是為了獲得現(xiàn)實(shí)環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)實(shí)際情況構(gòu)建相應(yīng)的虛擬環(huán)境，通過對(duì)虛擬環(huán)境模型的建立，可模擬多種現(xiàn)實(shí)環(huán)境，如病房、實(shí)驗(yàn)室等，通過此種模擬，使用者無論何時(shí)何地都能進(jìn)入進(jìn)行動(dòng)作所需的場(chǎng)景或情景。

（2）實(shí)時(shí)三維圖形生成和顯示技術(shù)：主要為VR眼鏡的原理。

（3）人機(jī)交互技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)人能夠自由在虛擬世界對(duì)象進(jìn)行交互，猶如身臨其境，借助的輸入輸出設(shè)備主要有頭盔顯示器、三維位置傳感器、聲音產(chǎn)生器及部分輔助設(shè)備，如數(shù)據(jù)手套、衣服、體感手柄等。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)人能夠自由在虛擬世界對(duì)象進(jìn)行交互，如通過體感手柄或數(shù)據(jù)手套，可與虛擬標(biāo)準(zhǔn)化病人進(jìn)行交互，完成對(duì)于?？撇轶w的檢查過程，擺脫了使用者想要進(jìn)行練習(xí)時(shí)，所受的時(shí)間、空間的約束。相比與視頻類課程，能與模擬標(biāo)準(zhǔn)化病人直接進(jìn)行交互這一特點(diǎn)可幫助使用者更好的理解消化內(nèi)容，增加熟練度，加深短時(shí)和長(zhǎng)時(shí)記憶。

（4）語音虛擬現(xiàn)實(shí)智能化：虛擬現(xiàn)實(shí)建模是一個(gè)比較繁復(fù)的過程，需要大量的時(shí)間和精力。如果將VR技術(shù)與智能技術(shù)、語音識(shí)別技術(shù)結(jié)合起來，可以很好地解決這個(gè)問題。將人工智能（AI）語音與模擬現(xiàn)實(shí)相結(jié)合是目前針對(duì)與VR技術(shù)領(lǐng)域較為新鮮的技術(shù)之一，我們可利用這一結(jié)合，在復(fù)習(xí)形式中加入問答方式，同時(shí)在專科查體的內(nèi)容中增加問診的環(huán)節(jié)，幫助使用者熟練內(nèi)容。對(duì)模型的屬性、方法和一般特點(diǎn)的描述通過語音識(shí)別技術(shù)轉(zhuǎn)化為建模所需要的數(shù)據(jù)，然后利用計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)和人工智能技術(shù)進(jìn)行綜合分析及及時(shí)作出相應(yīng)評(píng)價(jià)，將模型用對(duì)象表示出來，并且將各種模型靜態(tài)或動(dòng)態(tài)地連接起來，最終形成系統(tǒng)模型。[3]

3 優(yōu)勢(shì)

3.1 操作對(duì)象和環(huán)境更逼真，沉浸式操作訓(xùn)練

傳統(tǒng)的技能操作訓(xùn)練只能在特定的訓(xùn)練基地用假人模型進(jìn)行訓(xùn)練，但是假人模型的身體數(shù)據(jù)狀態(tài)與真人有很大差距，且許多相對(duì)應(yīng)訓(xùn)練的假人模型缺少整體性，不利于考生進(jìn)行整體化操作。VR技術(shù)可基于計(jì)算機(jī)對(duì)人體數(shù)據(jù)的收集，構(gòu)建人體仿真模型，使考生對(duì)操作理解更加直觀。同時(shí)，采用動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)和人機(jī)交互設(shè)備，令操作模擬的視野和感覺更加接近于現(xiàn)實(shí)，加深考生對(duì)操作的認(rèn)識(shí)和記憶，提高考生復(fù)習(xí)效率。

3.2 操作具有可重復(fù)性，彌補(bǔ)實(shí)物資源的不足

傳統(tǒng)的實(shí)地操作訓(xùn)練由于實(shí)物設(shè)備、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地等原因?qū)е乱淮蟛糠謱W(xué)生無法獲得相應(yīng)訓(xùn)練機(jī)會(huì)，同時(shí)，許多操作具有風(fēng)險(xiǎn)性，且臨床中由于醫(yī)療資源差異，有些技能操作無法進(jìn)行，導(dǎo)致大部分學(xué)生沒有條件進(jìn)行訓(xùn)練。VR技術(shù)不僅有生動(dòng)的講解、注意事項(xiàng)以及病人實(shí)時(shí)反應(yīng)，而且為考生大大增加了實(shí)踐機(jī)會(huì)，學(xué)習(xí)接觸不到的操作，降低了病人的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 實(shí)時(shí)交互，有效加強(qiáng)實(shí)踐訓(xùn)練，提高操作精度和準(zhǔn)確性[4]

VR系統(tǒng)在操作過程中，能檢測(cè)考生的操作規(guī)范度，采集各種數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)反饋考生的操作水平，保證了考生操作的精準(zhǔn)度，有效支持理論內(nèi)容的復(fù)習(xí)，提高考生實(shí)踐技能操作的精細(xì)度和準(zhǔn)確度，大幅縮短學(xué)習(xí)時(shí)間，擺脫傳統(tǒng)的復(fù)習(xí)模式。

3.4 實(shí)現(xiàn)VR遠(yuǎn)程教學(xué)[5]

通過信號(hào)傳輸，保證考生遠(yuǎn)距離互動(dòng)學(xué)習(xí)，在有效技術(shù)支持下，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訓(xùn)練，提高考生熟練度，加深考生對(duì)理論知識(shí)的理解及實(shí)踐操作的熟練度，更大幅度的提升考生的考試通過率。

4 結(jié)語

本文VR技術(shù)在醫(yī)學(xué)專業(yè)考試復(fù)習(xí)中的開發(fā)與應(yīng)用的研究，包括設(shè)計(jì)、研發(fā)制作醫(yī)考最優(yōu)復(fù)習(xí)方式、高效的理解與記憶、規(guī)范化醫(yī)考實(shí)操、通用。經(jīng)過一系列的調(diào)查與測(cè)試效果良好，很好地達(dá)到了我們的預(yù)期效果。

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