淺談虛擬現實技術在模擬醫學教育中的應用

熊 冉 黃華興 曹月洲

1.南京醫科大學第一臨床醫學院 江蘇南京 211166;2.南京醫科大學第一附屬醫院介入放射科 江蘇南京 211166

近幾年來,虛擬現實技術(VR)被廣泛運用于娛樂、教育、軍工、醫療和服務等行業。虛擬現實技術是一種以沉浸感、交互性和構想性為特征的計算機仿真系統[1],能讓用戶置身于視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等多種感覺一體化的虛擬場景。同時,用戶也可以與構建的虛擬場景和虛擬對象自由互動,宛如身臨其境[2],進而獲取信息,培養技能,激發思維。

醫學的特殊性決定了醫學教育較其他類型教育有以下關鍵特點:(1)醫學教育成本高;(2)醫學教育關乎生命,導致難以在真實人體上實驗;(3)學習者難以理解一些微觀教育內容[3];(4)醫學教育中實踐操作很重要。而虛擬現實技術可以提供一個醫學仿真虛擬模型,讓學生不用擔心犯錯,可以自由體驗、探索、感受和理解。21世紀是互聯網、仿真技術和人工智能等高新技術蓬勃發展的時代。在新的時代里,醫學教育也要積極引入前沿高新技術,創新教學模式。基于虛擬現實技術的模擬醫學教育發展前景勢不可擋,必然成為高校醫學教育改革的拐點[4]。本文論述了虛擬現實技術在模擬醫學教育中的應用效果與面臨的挑戰。

1 基于虛擬現實技術的模擬醫學教育的發展與現狀

1.1 基于虛擬現實技術的模擬醫學教育在國外的發展與現狀

美國是VR技術的起源地,也是該技術最具權威性的國家。1935年,在小說《皮格馬利翁的眼鏡》中,美國科幻作家Stanley G.Weinbaum構想了一種神奇的眼鏡:眼鏡佩戴者可以全方位體驗眼鏡中的虛擬世界,甚至與虛擬世界中的人物交流。他也被公認為最早描寫虛擬現實的科幻作家。1968年,世界上第一個頭盔顯示器HMD在美國虛擬現實之父Ivan Sutherlan手中問世,該裝置可以讓佩戴者直接融入生成的虛擬世界,是VR發展史上的一大里程碑。

而在20世紀,VR技術已經被應用于醫學教育領域。1985年,美國國立醫學圖書館開始探索人體解剖圖像數字化并成功建立了“可視人”模型。學生可在電腦上任意解剖“可視人”和縮放局部圖像以觀察細節。1994年,位于加利福尼亞大學實驗室開發出了一套“虛擬青蛙解剖”軟件。該軟件可以讓學生在家就可以用虛擬手術刀解剖青蛙,觀察其骨骼、肌肉與內臟器官,如同在現實中的教室。在其他國家的醫學教育領域,VR技術也得到了廣泛應用。如誕生于澳大利亞大學的虛擬肝腎實驗室、由德國漢堡大學創建的Voxel Man系統等,這些虛擬系統可以幫助學生學習解剖和臨床課程。

1.2 基于虛擬現實技術的模擬醫學教育在國內的發展與現狀

與美國等發達國家相比,我國的VR技術起步較晚,但發展較快。我國對VR技術的研究起步大概在90年代初,北京航空航天大學、北京大學、清華大學等高校在此領域進行了深入研究并取得了一些成果[5]。

2003年,隨著我國首套數字化可視人體數據的交互式三維系統在第三軍醫大學問世,數字人體解剖學和虛擬外科手術初具雛形[6],這是我國VR技術應用于醫學教育領域的一大突破。目前在全國范圍內,眾多醫學院校開始借助VR技術,積極建設醫學虛擬實驗室。基于VR技術的醫學模擬教育涵蓋的課程也在增多,從解剖學和外科學到診斷學和影像學,甚至擴展到醫學人文學科,如醫學心理學和醫患溝通。其受眾人群也在擴大,不僅用于醫學生和醫生的教育培訓,也可用于病人及其家屬的科普和術前教育等。

2 基于虛擬現實技術的模擬醫學教育應用效果

2.1 在外科學教學中的應用效果

2.1.1 在外科學基礎教學中的應用效果

外科學基礎包括無菌術、麻醉和重癥監測復蘇等。Eichel等[7]曾對81位醫務工作者進行洗手清潔訓練,其中43位參與者接受VR訓練,另外38位參與者以講座形式接受培訓。結果表明,無論是參與者的接受程度還是手部清潔標準,前者都優于后者。南京醫科大學外科學總論教研室[8]的研究也揭示了基于VR技術的模擬醫學課程,不僅提高了學生的專業技能水平,而且培養了人文關懷意識,增強了溝通與協作能力。

2.1.2 在外科學專科教學中的應用效果

在神經外科領域,NeuroTouch手術模擬訓練系統可以通過增加神經外科醫生的自信心和避免手術時多余動作來減少手術所需時間和手術時可能犯的錯誤。在頜面外科領域,Voxel Man Simulator具有力度逼真、3D視角和圖像分辨率高三大特點,被用于根尖拔除術的模擬練習。該系統不僅有助于培養訓練者自我評價手術中表現的能力,也可以通過3D解剖結構重建,幫助他們規劃手術中復雜的步驟。在關節外科領域,接受Osso VR系統培訓的人員無論是手術步驟的正確度還是完成的速度都要優于傳統方法訓練者。基于VR技術的醫學模擬教育課程可以為用戶提供身臨其境的體驗,讓外科醫師可以直接參與動手,模擬現實世界的操作環境。

2.2 在人體解剖學教學中的應用效果

人體解剖學是研究正常人體結構的形態學學科,也是后續的基礎課程和臨床課程的基礎,其對于每位醫學生的重要性不言而喻。人體解剖學的經典教學方法有尸體解剖、2D圖片展示、教師直接講解課本等。這些方法都有不可忽視的弊端,例如,尸體解剖需要裝修昂貴的解剖室,解剖過程中會有難聞的氣味,尸體的一些器官結構可能發生變化;2D圖片展示和教師授課會讓學生沒有動手操作的機會,有可能會失去學習興趣。

雖然VR設備會帶來技術支持和人員培訓兩方面的開銷,但從長遠來看,這少于尸體獲取和保存、解剖室裝修所需的花費。比起書本授課,VR技術可以通過三維動態圖畫立體化展示解剖結構,讓抽象的知識具體化。在視覺和聽覺的雙重刺激下,學生可以更加積極主動地參與學習[9]。國內有研究表明[10],在提高學習的興趣和主動性、增強自學能力、培養臨床思維能力和達到預期教學效果等多個方面,有VR技術參與的教學方法都優于傳統的教學方法。

2.3 在機能實驗學教學中的應用效果

機能實驗學是一門研究功能代謝變化、注重學生動手操作的實驗學課程。常規的實驗教學模式一般分為“教師講解—分小組實驗—教師指導—課后完成并提交實驗報告”四步。由于機能學實驗具有操作步驟和實驗器械多、實驗動物健康狀況差別、小組合作量大、教學信息量多等會導致實驗可控性低的特點,學生實驗的成功率較低,難以達到預期教學效果。

而虛擬現實技術可以模擬出預期的實驗場景,讓學生可以無限次練習實踐,不用擔心操作失誤帶來的后果。蔣淑君等人[11]的研究表明,與傳統實驗教學方法相比,基于虛擬現實技術的仿真實驗平臺的模式在激發學習興趣、提高自主學習能力和實驗成功率都有較好的效果。未來虛擬現實仿真技術會不斷降低對場景化和儀器化模式的要求[12],模擬實驗室中的實際操作工作將能應用于實際工作中。

3 基于虛擬現實技術的模擬醫學教育面臨的挑戰和解決設想

在我國的醫學教育中,基于虛擬現實技術的醫學模擬教育已經取得了一定的成果,但目前仍然面臨著許多挑戰,亟待繼續發展完善。

3.1 VR真實性與互動性的權衡

VR需要盡可能地渲染真實的場景,讓使用者身臨其境,同時也要保證虛擬現實中對象的可操作程度。VR依靠圖形API來創建虛擬場景。而圖形API以三角形集合的形式呈現虛擬場景中的每個對象。隨著三角形數量的增加,虛擬場景和虛擬對象的細節將得到豐富,真實性增加。然而,這是以犧牲互動性為代價的——豐富的細節會導致渲染場景時的計算成本更高,增加計算負擔,降低互動性。

因而,在將VR應用于醫學虛擬場景時,應當在真實性與互動性之間做好權衡。在實際應用中,應視具體情況而定。例如,在構建以科普教育為主要目標的解剖標本館時,我們可以偏向于真實性,以更全面、更細致地呈現解剖結構。相反,機能學實驗室則不用過多強調解剖學上的細節,良好的可操作性才是重要的。

3.2 VR真實性尚存不足

為了讓VR使用者身臨其境,除了逼真的視覺效果,良好的觸覺反饋也是十分重要的。人體既有骨骼、牙齒等硬組織,也有皮膚、肌肉、韌帶、肌腱等軟組織。因此,VR手術訓練系統需要模擬堅硬物體和柔軟物體的交互作用,這包括了硬—硬交互和硬—軟交互,并在短時間內完成兩種交互的連續切換[13]。此外,人體還有血液、腦脊液、空氣等流體需要模擬。

傳統的CPU處理器已經很難滿足這一需求。國外有團隊開發利用計算機GPU,同時尋求改進圖形數據結構化的方式。經過測試,新的GPU搭配新的結構化方式極大地縮短了模擬時間,允許使用者去模擬更加復雜的模型。

3.3 VR其他的問題

有研究表明,VR設備會導致一系列精神神經癥狀如惡心、眩暈、幻視。再如VR模擬醫學教育在師資方面也存在著諸如師資匱乏,課程不足等問題[14]。在VR模擬醫學教育課程中,教師與學生間也缺乏實時的互動。最后,VR設備價格較高,部分學校可能會受制于場地與經費的缺乏[15]。

為避免出現安全問題,在使用前應充分了解評估使用者的身體狀況,使用中若出現不適感應立即終止。在引進使用VR設備這一問題上,各醫學院校應全面考慮場地、經費和實際需求等以做出決策。引進設備的同時,學校也要加強師資培訓,開設相關課程,積極探索新的教學模式。

綜上所述,醫學教育是VR技術的一大熱門應用領域。無論在國外還是國內,基于VR技術的虛擬醫學課程都在不斷發展完善。VR模擬醫學教育在外科學、解剖學和實驗學等多門學科中取得了令人滿意的教學效果。然而,目前無論是VR技術本身還是應用,都面臨著一些亟須處理的挑戰。因此,未來我們應加大這些方面的研究力度,以追求更全面、更深度地理解和應用VR技術,進一步提高模擬醫學教育的質量與水準,培養出更多的醫學人才。