醫學教學的虛擬實驗室建設與應用

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1醫學虛擬實驗室建設現狀

由于人們對虛擬實驗室的研究與應用方向不同、側重的領域不同、需求的功能不同，因此，對虛擬實驗室設計與建設的方案也是種類繁多。醫學教學實踐性較強，并且某些實驗要求實驗環境及實驗材料成本較高，通過虛擬與真實實驗的互相補充，可以達到較好的教學效果。目前，在國外高校虛擬實驗室的應用案例較多，而國內只有較少的醫學院校建立了虛擬實驗室。在醫學教學中，國內外的虛擬實驗室在基礎醫學、臨床醫學等方面均有應用。如在虛擬實驗室中已經開展的實驗有：基礎醫學領域的解剖學、組織學與胚胎學、病理學、虛擬切片等形態學科的虛擬實驗，還有虛擬機能實驗涉及了藥理學、生理學、病理生理學等多個學科；臨床醫學領域有虛擬診斷學、虛擬手術教學、虛擬內窺鏡、虛擬口腔、虛擬三維重建、虛擬輸液訓練等虛擬實驗，為醫學教育的發展起到了很好的促進作用。

2虛擬實驗室建設需求與功能分析

一般虛擬實驗室除了具備虛擬現實軟件開發平臺和三維圖像處理功能外，根據虛擬現實的技術特征，還應具有逼真的三維沉浸感，達到這種沉浸感主要是通過立體聽覺、三維觸覺或力感以及沉浸感的視覺環境來實現的。其中，立體聽覺一般通過三維環繞立體聲響系統來實現，三維觸覺和力感可以通過計算機觸覺或力反饋設備來實現，而高度沉浸的視覺環境通常會通過大屏幕立體投影顯示系統來實現。如：單通道或多通道柱面投影顯示系統、球面仿真投影顯示系統或CAVE沉浸式仿真環境。此外，根據虛擬現實實時交互特征要求，這種交互可以通過多自由度的虛擬現實交互設備來實現，如：數據手套、位置跟蹤器、力反饋器，等。最終形成一個完整的虛擬現實實驗室系統。

3虛擬實驗室設計與建設

虛擬實驗室設計與建設的目標是構建科學、合理、先進的醫學虛擬實驗環境，滿足醫學教學需求，使參與者具有身臨其境的感覺和實時參與交互的能力，此目標已經實現。根據虛擬現實技術的內在要求，系統基于Windows平臺和Internet架構，系統設計上強調整體性、先進性、開放性和可擴展性。系統功能上包括：二次開發與三維數據處理、沉浸式立體顯示、六自由度實時交互、力和觸覺反饋及立體音效輸出等功能。系統組成上包括：開發和渲染平臺、三維沉浸式顯示系統、三維交互系統和集中控制系統四大部分。

3．1開發與渲染平臺

主要是指三維圖像生成與處理系統，包括工作站和虛擬現實軟件平臺兩個部分。具有三維圖形環境生成與處理的功能，同時兼備再次開發創作的任務，對整個虛擬現實應用的開發、運算、渲染與生成起核心作用，是建立數學模型和應用數據庫的基礎開發平臺，同時連接和協調其他子系統的工作和運轉。

3．2三維沉浸式顯示系統

在虛擬實驗室建設中，沉浸感的實現手段有很多，其中顯示部分主要通過大屏幕立體投影來實現。根據沉浸程度的不同，通常可以分為單通道立體投影、多通道柱面立體投影、CAVE投影系統、球面投影系統，等。單通道立體投影顯示是利用多臺立體投影機共同將中心工作站生成的虛擬立體圖像同步顯示在一個巨幅柱面投影屏幕上的顯示系統，可提供較為強烈的沉浸感覺。它通常包括：單通道立體投影設備、柱面投影幕以及用于圖像無縫拼接的邊緣融合與幾何校正設備，等。

3．3六自由度實時交互系統

實時交互是虛擬現實應用的最大價值和功能，是虛擬現實技術與三維動畫和多媒體技術的區別所在。在虛擬現實的實時交互應用中通常會借助于各種不同的虛擬外設作為人機交互的工具和實現手段，常見的主要有六自由度交互系統、計算機力或觸覺反饋系統、數據手套、位置跟蹤器，等。這些交互設備都將安裝在工作站上供用戶進行人與虛擬世界的互動和交流，因此這些設備是重要的人機交互接口。

3．4集成控制系統

一個完整的虛擬現實實驗室系統都由許多設備組成，這些設備之間需要相互連接、彼此協同工作，這就需要對其進行管理與控制，中央控制系統便是承擔該項工作的載體，所有設備都由其控制主機進行控制，它是虛擬現實實驗室系統的管理與控制中心。

4虛擬實驗室的應用

在已經建成的虛擬實驗室中，可以開展一些學科的三維立體顯示及交互的實驗教學，學生佩戴立體眼鏡觀看立體屏幕上的虛擬對象，并且通過頭盔、數據手套等設備與虛擬對象進行交互，激發了學生的學習興趣并加深了對知識的理解，從而促進了教學質量的提高。如圖2所示，在虛擬實驗室中通過三維立體投影系統展示的虛擬人體心肺立體圖片，并且通過數據手套實現全方位旋轉，使觀察者能夠從不同角度進行學習。在醫學院校計算機教學中，筆者及其教研室為醫學生開設了“醫學虛擬現實技術及應用”課程，向學生傳授了虛擬現實技術的基本理論和技術方法，側重講授虛擬現實技術在醫學方向的發展與實際應用，利用虛擬實驗室的立體顯示環境，加強實踐操作和立體演示訓練，激發學生學習興趣和技術應用能力，取得了很好的教學效果。其做法可以概括為以下四點。

①根據醫學虛擬現實技術和應用的發展，不斷更新教學內容和實驗手段，完善教材建設這一知識載體，實現了教材、課件、教學方法、教學手段的加強與提高。學生通過虛擬現實理論與技術知識的學習，可以利用3DMax，VRML等軟件創作出與醫學相關的模型作品，并在虛擬實驗室工作站平臺上進行渲染和在立體投影上展示，從而觀看實驗效果。在此過程中大家互相取長補短，團結協作，學生制作出了較為成型的醫學形態學的作品，收到了較好的教學效果。

②通過醫學圖像的三維重建軟件學習，學生掌握了一些目前常用的醫學圖像三維處理軟件，如Mimics、MITK及3DMed等的使用。利用醫院影像科的CT、MRI數據導入到這些處理軟件中生成相應部位的三維立體圖像，學生再將制作的3D模型圖像在工作站平臺上生成可以三維顯示的文件，在立體投影上展示出來。只有在虛擬實驗室里，利用立體投影系統，佩戴立體眼鏡才能看到立體的三維圖像，并使用數據手套等交互工具，讓學生真正感受到沉浸式立體交互的實驗效果，大大激發了學生學習的興趣并加深了對相應醫學知識的理解。

③為了幫助學生不受時間和空間限制的自主學習和實驗課程有關內容，研發了基于Web的桌面式虛擬教學系統。教師或學生通過不同身份登錄該系統，選擇所需項目進行教學和學習。學生如果選擇虛擬課程學習，則可以進入所需課程中進行相應知識與實驗內容學習，這里不僅提供了與“虛擬現實技術”的課程相關資料的學習，還提供了一些醫學課程的知識素材。如解剖圖譜、病理圖譜、生理圖譜、病原生物圖譜，等。學生可以在網上登錄虛擬學習系統，選擇所需要的資源進行自主學習。

④虛擬實驗室的應用評價。為了掌握學生利用虛擬環境的學習效果，對Web桌面式虛擬教學系統中的師生互動留言板做了調查。調查對象是利用虛擬實驗室和網絡桌面式學習平臺進行學習的380名學生。通過對其留言進行歸納分析，有96．4％的學生觀點是虛擬實驗室和桌面式學習平臺能夠幫助他們提高實驗能力，在提高學習興趣、理解學習內容等方面是有顯著優勢的，學習效果很好。但就醫學本身的特殊性，能夠在實物上真實觀察和操作會使他們有更真實的感受和體驗，這是虛擬實驗的不足之處。只有3．6％的學生認為不用這些學習條件，通過傳統的方式，如閱讀相關書籍和電腦實驗操作也可學習，但要花費較多學習理解的時間且學習效果一般。該文對醫學虛擬實驗室的國內外現狀做了分析，提出了構建虛擬實驗室的設計需求、功能需求和構建方法；并以醫學院校計算機課程中開設的“虛擬現實技術與應用”課程為例，介紹了利用虛擬實驗室平臺開展課程教學的方法、手段和實施情況，提出了在醫學院校構建虛擬實驗室的必要性。目前，我們正在實驗利用虛擬實驗室中的三維立體投影顯示系統，播放醫學教學視頻并進行實時交互，如可以支持醫學一些學科的三維模型庫，如肢體、內臟、骨骼等的立體顯示與跟蹤交互，讓學生使用數據手套等交互工具，實現沉浸式交互的學習效果。我們也應看到，虛擬實驗與真實實驗之間存在的區別和不足，探索虛擬與真實實驗的有機結合，使虛擬實驗更好地輔助真實實驗并為教學服務。虛擬現實技術以其自身具備的應用優勢和潛力，終將在醫學教學領域廣泛應用并發揮其重要的技術支持作用。

作者:劉尚輝 婁巖 劉 佳 王艷華，郭婷婷 單位:中國醫科大學公共基礎學院計算機教研室