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摘要：虛擬現(xiàn)實（VirtualReality，VR）技術的發(fā)展正逐漸改變著當今醫(yī)學教育模式。著重分析桌面式虛擬現(xiàn)實、沉浸式虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實這3種虛擬現(xiàn)實技術的特點及其存在的問題，闡述3種虛擬現(xiàn)實技術在醫(yī)學教學中的應用及其優(yōu)勢，并指出虛擬現(xiàn)實技術未來的發(fā)展方向。

關鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術；醫(yī)學教育；桌面式虛擬現(xiàn)實；沉浸式虛擬現(xiàn)實；增強現(xiàn)實

目前虛擬現(xiàn)實技術已經(jīng)應用到娛樂、制造、軍工、醫(yī)療、教育等各個行業(yè)。醫(yī)學教育與其他教育有所不同，醫(yī)學教育不僅要講述醫(yī)學知識，還要結合醫(yī)學領域的最新發(fā)展動態(tài)，更要著重培養(yǎng)學生的動手能力。醫(yī)學教育具有實驗資源和臨床機會有限、教學內(nèi)容抽象等特點，可通過具有虛擬性、沉浸性、互動性、多感性等特點的虛擬現(xiàn)實技術更真實、形象地展示教學內(nèi)容，從而增強學習者的積極性、提高其感知力和想像力，甚至可以讓學生自己調(diào)控學習節(jié)奏，進而提高教學質(zhì)量。

1虛擬現(xiàn)實技術的特點與種類

虛擬現(xiàn)實是通過計算機技術生成一個接近于真實世界的虛擬環(huán)境。這個虛擬環(huán)境不僅可以提供逼真立體的視覺，還能提供聽覺、味覺、觸覺、嗅覺等多種感覺，使得用戶可以完全沉浸其中，并且可以與其進行交互。通常根據(jù)用戶對虛擬世界沉浸度和交互方式的不同，將虛擬現(xiàn)實技術分為三大類：桌面式虛擬現(xiàn)實、沉浸式虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實。本文詳細介紹這3種技術的概念和特征，分別探討這3種虛擬現(xiàn)實技術在醫(yī)學教育領域的應用及其優(yōu)缺點。

1.1桌面式虛擬現(xiàn)實

桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)利用計算機圖像等技術構建一個模擬的3D空間，一般可通過顯示器在二維平面顯示三維模型圖像，通過鍵盤和鼠標實現(xiàn)人機交互。桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的實現(xiàn)較為簡單、技術相對成熟，但它不能完全與現(xiàn)實空間相隔離，用戶還是會受到外界環(huán)境的干擾，與虛擬模型的交互也只是簡單的選擇、拖拽、旋轉等操作，相較于真實環(huán)境的互動還有很大差距。

1.2沉浸式虛擬現(xiàn)實

沉浸式虛擬現(xiàn)實技術利用計算機3D圖像處理技術、傳感技術、多媒體技術模擬產(chǎn)生一個3D的虛擬空間，用戶可以借助特定的輸入設備（工作站、虛擬現(xiàn)實手套、虛擬現(xiàn)實手柄、三維位置傳感器等）和輸出設備（頭盔顯示器、PC顯示器、手機、耳機等）與該虛擬空間進行交互。通過3D圖像處理技術，用戶帶上頭盔顯示器能產(chǎn)生立體的視覺；通過音頻處理技術，用戶的左右耳可以感受到不同的立體聲音；在虛擬手套中增加觸點等方式讓用戶體驗到觸覺。因此，沉浸式虛擬現(xiàn)實使得用戶在虛擬空間中沉浸度更高，達到視覺、聽覺和觸覺等多感官的模擬。通過虛擬現(xiàn)實手柄和虛擬現(xiàn)實手套，用戶可以進行自由操作；通過位置傳感器對用戶的運動進行實時跟蹤，根據(jù)用戶的運動軌跡實時變換用戶的視角；通過虛擬現(xiàn)實手套實時獲得用戶手部的姿態(tài)；通過力學反饋裝置用戶可以施加不同大小的力，系統(tǒng)根據(jù)用戶力的大小使虛擬物體發(fā)生形變。因此，沉浸式的虛擬現(xiàn)實可以讓用戶實時操控一個虛擬世界，如同在真實世界中的互動。沉浸式虛擬現(xiàn)實技術與桌面式虛擬現(xiàn)實的區(qū)別在于：（1）多感知：桌面式虛擬現(xiàn)實只能給用戶提供視覺這一種感覺，而沉浸式虛擬現(xiàn)實通過虛擬現(xiàn)實頭盔提供視覺，通過耳機實現(xiàn)聽覺，通過虛擬現(xiàn)實手套實現(xiàn)觸覺，通過手柄實現(xiàn)力覺，可為用戶提供多種感覺的互動。（2）沉浸感：沉浸式虛擬現(xiàn)實完全與現(xiàn)實世界相隔離，創(chuàng)建的虛擬空間十分逼真，并通過多感知讓用戶如同在真實世界中。（3）交互性：沉浸式虛擬現(xiàn)實可讓用戶的手通過虛擬現(xiàn)實手套等設備在虛擬空間內(nèi)部與虛擬對象進行交互，同時可感覺到虛擬對象的重量等。桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)只能通過鼠標在虛擬對象的外部進行操作。

1.3增強現(xiàn)實

增強現(xiàn)實（AugmentedReality，AR）技術是沉浸式虛擬現(xiàn)實的一種變體，區(qū)別在于增強現(xiàn)實將虛擬的3D對象和真實環(huán)境相結合[1]。AR技術仍需使用頭盔顯示器、虛擬現(xiàn)實手套等設備。AR技術還具備虛實結合、互動性、實時性和三維配準的特點。（1）虛實結合：沉浸式虛擬現(xiàn)實形成了一個完全合成的3D空間，用戶無法感知到真實的世界。AR技術允許用戶看到真實的世界，它將虛擬出來的物體疊加到真實世界。（2）互動性和實時性：AR技術將現(xiàn)實和虛擬世界相結合，就需要AR技術可以準確地根據(jù)現(xiàn)實世界的情況來合成虛擬對象，用戶借助虛擬對象來完成現(xiàn)實世界的任務，因此需要AR技術必須具備實時性和互動性。（3）三維配準：可以實現(xiàn)虛擬對象和真實世界相互匹配，通過進行三維坐標的配準來實現(xiàn)。

2虛擬現(xiàn)實技術在醫(yī)學教學中的應用及其優(yōu)勢

醫(yī)學教學存在專業(yè)名詞多、結構復雜、實驗對象特殊的特點。傳統(tǒng)的醫(yī)學教學一般采用理論及實驗教學的方法，教學資源有多媒體課件、教科書、圖譜、視頻、尸體標本、教學模型等。這些傳統(tǒng)的教學資源一直沿用到現(xiàn)在，但在教學中存在一些問題，如教科書、圖譜、課件等只能呈現(xiàn)二維平面的圖像，沒有立體效果也不能進行實時互動。應用虛擬現(xiàn)實技術能夠克服這些缺點，為醫(yī)學教學提供先進的教學方法。

2.1桌面式虛擬現(xiàn)實的應用及其優(yōu)勢

目前，桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)已經(jīng)在基礎醫(yī)學、中醫(yī)等多個領域發(fā)揮著重要的作用。基礎醫(yī)學應用較廣泛的是虛擬解剖人體。隨著美國、中國、韓國等相繼開發(fā)了本國的虛擬數(shù)字人，國內(nèi)外已經(jīng)先后建立了多套桌面式的人體解剖學虛擬仿真軟件，如中國數(shù)字人公司中國數(shù)字人系統(tǒng)、上海橋媒公司3Dbody軟件等。這些軟件既可以彌補尸體標本的不足，方便教師進行課堂教學，又可以更加直觀、靈活地讓學生進行課堂和課外學習。除此之外，桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)還包括基礎醫(yī)學實驗的仿真軟件、中醫(yī)穴位的虛擬仿真系統(tǒng)等。這些應用可以作為學生實驗和操作前的指導工具，模擬實驗的操作過程，學生可以不限次數(shù)的重復操作演練虛擬模型，教師在一旁加以指導，糾正他們在操作過程中的錯誤。這樣既可以有效降低實驗風險，又有助于提高教學質(zhì)量。在醫(yī)學教學中使用桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)有以下優(yōu)勢：（1）使用方便：只需要一臺PC機就可以顯示出3D效果，方便教師進行課堂教學和學生進行課下學習。（2）立體直觀：桌面式虛擬現(xiàn)實軟件可以提供虛擬的3D場景，如在解剖學實驗中，學生可以看到各個組織器官的名稱、位置結構以及周圍神經(jīng)血管的分布狀態(tài)，各個組織器官的位置關系，也可以移動、分割、放大、縮小、旋轉各個組織器官。這樣學生可以非常直觀地學習人體結構。（3）提高教學效率：桌面式虛擬現(xiàn)實可以提供多視角的3D模型，讓學生了解解剖結構并建立組織器官之間的結構關系，進而加強對人體結構名詞的記憶。學生可以反復在課下進行醫(yī)學實驗的演練，進一步提高教學效果。（4）降低教學成本：桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)開發(fā)難度遠低于沉浸式虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實，可以節(jié)約實驗資源，提高學生的學習效率與質(zhì)量。當然，桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)也存在不足。在模擬實驗及手術時，桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)無法讓用戶觸摸到真實的物體，如在中醫(yī)針灸療法的學習中，學習者無法感知到施針的方向和力度，僅能通過鼠標進行點擊，與醫(yī)學真實的實驗及手術差距較大。

2.2沉浸式虛擬現(xiàn)實在醫(yī)學中的應用及其優(yōu)勢

隨著VR硬件設備的不斷升級和配套計算機技術的逐漸成熟，沉浸式虛擬現(xiàn)實在各領域的應用產(chǎn)品層出不窮。Google、Oculus、HTC等公司保持著高密度VR產(chǎn)品的推出，國內(nèi)也開發(fā)出了3Glasses、蟻視、暴風魔鏡等VR頭盔顯示器。沉浸式虛擬現(xiàn)實硬件的價格逐漸降低，VR配套開發(fā)軟件逐漸成熟，開發(fā)應用于醫(yī)學教學和臨床手術指導的沉浸式虛擬系統(tǒng)已成為可能。在醫(yī)學教學實踐中，學生佩戴頭盔顯示器，通過沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，避免現(xiàn)實世界的干擾，完全沉浸在虛擬教學當中，可以把書本的知識立體地呈現(xiàn)在三維場景當中。2016年，DeFaria等[2]在進行神經(jīng)解剖課程的教學中運用了沉浸式虛擬現(xiàn)實技術，采用VRWorx2.6軟件制作海馬體心室表面的虛擬現(xiàn)實3D互動視頻。學生在學習后分別進行理論和實驗操作測試，結果顯示沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)教學而言，并不是單純地為了讓學生記憶人體解剖結構名稱，而是讓學生更好地了解人體解剖結構。2016年，HuangHM等[3]對使用VR4-MAX沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)進行醫(yī)學課程學習的167名大學生進行問卷調(diào)查，通過調(diào)查學生的學習態(tài)度，發(fā)現(xiàn)沉浸式虛擬現(xiàn)實技術對學生的感知性有積極的影響。在臨床手術培訓過程中，沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)已經(jīng)應用于眼科手術、微創(chuàng)手術、內(nèi)窺鏡手術、骨科手術、牙科手術等醫(yī)療培訓[4]。

相比于桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)只能通過鼠標在二維平面的拖拽進行臨床操作，沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)通過VR圖像技術、力學反饋、運動捕捉等模擬器創(chuàng)設更加真實的臨床實驗場景，該場景可無限次重復使用來彌補在臨床實踐中機會不均等、經(jīng)驗積累緩慢等不足，從而達到臨床技能培訓的目的。2008年，MacielA等[5]開發(fā)了腹腔鏡手術的模擬器VBLAST。通過圖像處理技術、力學反饋設備和運動捕捉系統(tǒng)構建的虛擬腹腔鏡模擬器取代物理腹腔鏡手術模擬箱。外科醫(yī)生可以通過VBLAST實現(xiàn)腹腔鏡手術中縫合、剪切等基本操作的練習。該系統(tǒng)具有良好的圖形渲染、力學交互能力，可以根據(jù)力的方向和大小顯示物體形變過程，還能將手術操作技能進行客觀量化并且能更好地適應達芬奇手術機器人的使用。2011年，Chalasani等[6]開發(fā)了超聲引導下的前列腺活檢模擬器，它可以根據(jù)使用者的動作及技能好壞區(qū)分使用者是新手還是專家。隨著科技的發(fā)展，結合機器學習研究者又提出了虛擬現(xiàn)實自適應系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可以根據(jù)使用者的水平及使用需求制訂相應難度的培訓內(nèi)容[7]。在基礎醫(yī)學和臨床醫(yī)學教學中，沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)還有很多不足之處：（1）模型的真實度欠佳；（2）不具備對比和評判不同模型的教學效果的標準；（3）長期觀看VR圖像會造成視覺疲勞，力學反饋的真實度和實時性欠佳。

2.3增強現(xiàn)實的應用及其優(yōu)勢

AR技術能增強用戶與現(xiàn)實世界的感知和互動，通過虛擬對象所傳遞的信息幫助用戶完成現(xiàn)實世界的任務。目前，AR在醫(yī)學領域的應用包括醫(yī)學可視化、手術輔助等。增強現(xiàn)實不僅僅是一項新的技術，它還可以用來提高醫(yī)學教育水平，最終影響患者的治療效果[8]。早在1992年，北科羅拉多大學就將超聲影像疊加在患者身上，使醫(yī)生具有“透視眼”。目前增強現(xiàn)實系統(tǒng)已經(jīng)被醫(yī)生用作輔助手術的可視化工具。如可以幫助護士更好地找到靜脈；實時地采集MRI和CT數(shù)據(jù)進行圖像融合，與患者體表形態(tài)相對應，還可以根據(jù)患者的運動情況進行相應調(diào)整，呈現(xiàn)給醫(yī)生患者身體的內(nèi)部視圖。AR技術還被應用于機器人輔助技術。Renaissance機器人被廣泛地應用于脊柱外科手術當中[9]。術前，將CT數(shù)據(jù)合成3D圖像，規(guī)劃手術區(qū)域和螺釘?shù)拈L度、方位和角度。術中，透視機器人軟件分析患者的患病位置，并與術前的CT圖像進行配準，根據(jù)實際手術情況微調(diào)螺釘?shù)慕嵌燃拔恢茫瑱C器人會自動置入螺釘。Renaissance機器人可以降低學習難度，幫助學習者建立脊柱立體概念，增強椎弓根置釘?shù)陌踩裕s短學習周期[10]。MAKOplasty機器人手臂輔助醫(yī)生進行膝關節(jié)和髖關節(jié)置換。術前通過CT數(shù)據(jù)建立3D視圖，手術中使用NDI運動捕捉系統(tǒng)進行三維配準，機器人根據(jù)患者情況個性化精準設計假體，真正實現(xiàn)手術的微創(chuàng)化和精準化。隨著機器人輔助手術技術的發(fā)展，已經(jīng)有越來越多的基于AR技術的輔助手術機器人被投入臨床教學中。

3結語

虛擬現(xiàn)實技術應用于醫(yī)學教育可以提高教學質(zhì)量，豐富教學手段。本文提到的3種不同的虛擬現(xiàn)實技術有其各自的優(yōu)缺點，可以根據(jù)學習者的實際情況設置不同的學習難度。桌面式虛擬現(xiàn)實設備價格較低廉、操作較簡單，通過二維平面展現(xiàn)3D圖像，更適用于醫(yī)學教學中基本概念的學習。沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)隨著硬件設備的不斷發(fā)展，設備的價格逐漸趨于大眾化。沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)創(chuàng)建的模型給學生提供的觸覺、聲音、圖像更加逼真，更接近真實的臨床、實驗場景。相比于桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，更適合啟發(fā)式教學。增強現(xiàn)實在醫(yī)學教學中的應用是虛擬現(xiàn)實技術未來的發(fā)展方向，隨著醫(yī)學對精準化的要求，增強現(xiàn)實仍需要解決一些問題，才能使其在醫(yī)學教育領域應用得更加廣泛和有效。

參考文獻：

[1]干旻峰，周峰，楊惠林.機器人輔助技術在骨科教學中的應用[J].中國繼續(xù)醫(yī)學教育，2015（26）：20-21.

作者：白雪；李志軍；張少杰；蔡永強；梁濤；王星 單位：內(nèi)蒙古醫(yī)科大學