張海榮, 陳云虹

(第四軍醫(yī)大學 教育技術(shù)中心， 陜西 西安 710032)

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的醫(yī)學教學系統(tǒng)設(shè)計

張海榮, 陳云虹

(第四軍醫(yī)大學 教育技術(shù)中心， 陜西 西安 710032)

以“臨床麻醉學”課程為例，從基礎(chǔ)教學、虛擬教學、模擬診療教學等方面出發(fā)，設(shè)計了一套基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的醫(yī)學教學系統(tǒng)，利用Photoshop、Poster6.0、3D Max 6.0以及中視典完成系統(tǒng)開發(fā)，結(jié)果表明：系統(tǒng)能夠形象直觀的向醫(yī)學學習者展示教學內(nèi)容，并提供虛擬逼真的訓練場景。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)；醫(yī)學；教學效果；人機交互

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是在計算機技術(shù)的基礎(chǔ)上，借助先進的三維圖像處理技術(shù)、傳感技術(shù)等，創(chuàng)造出逼真的虛擬世界，實現(xiàn)真實的體驗效果和良好的人機交互[1-2]。在教學中運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)能為學習者構(gòu)建起逼真的學習環(huán)境，使得教學更趨生動形象，幫助學習者更加直觀的理解教學內(nèi)容，有效提升教學水平[3-4]。

傳統(tǒng)的醫(yī)學教學存在實驗教學資源有限、教學內(nèi)容抽象難懂、教學實驗危險性高以及臨床實踐機會有限等問題。若采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)運用于醫(yī)學教學，能夠模擬出真實的醫(yī)學教學環(huán)境，彌補傳統(tǒng)醫(yī)學教學的不足，打破教學的時間和空間限制，提升醫(yī)學教學的水平[5-7]。

在實際搭建虛擬現(xiàn)實技術(shù)醫(yī)學教學系統(tǒng)時，大多延續(xù)傳統(tǒng)教學中的單向灌輸方式進行教學，缺少雙向的溝通[8]。此外，系統(tǒng)往往缺少練習階段，知識不能得到練習鞏固[9]。本文從教學設(shè)計出發(fā)，在基礎(chǔ)知識教學、三維模擬教學、模擬診療演練、交流溝通等方面設(shè)計一套虛擬現(xiàn)實醫(yī)學教學系統(tǒng)。

1 虛擬現(xiàn)實醫(yī)學教學系統(tǒng)設(shè)計

虛擬現(xiàn)實醫(yī)學教學系統(tǒng)的設(shè)計，需要把握教學的目標，并以此為依據(jù)，設(shè)立合理的教學策略，采用合適的教學系統(tǒng)。接下來將以“臨床麻醉學”教學為例，詳細講解虛擬現(xiàn)實醫(yī)學教學系統(tǒng)的設(shè)計。

1.1 教學分析

教學設(shè)計的主要內(nèi)容是分析教學目標及教學的重難點，從而選定教學內(nèi)容、教學策略。只有明確了教學的目標，才能使教學朝著預(yù)定的方向有計劃的進行。虛擬現(xiàn)實技術(shù)醫(yī)學教學，要讓學習者在通過課程的學習過程中，掌握課程的相關(guān)知識，更要加強其的參與感，通過模擬診療，進行反復(fù)的操作練習，提升臨床操作能力。

根據(jù)教學目標，確立教學的策略，對教學內(nèi)容和教學媒體進行選擇，以達到學習者學習過程不斷朝著教學目標前進的目的。在“臨床麻醉學”課程中，可先利用傳統(tǒng)的圖文手段，構(gòu)建起學習者對麻醉學的初步認識，了解麻醉的方法、種類，初步掌握如何根據(jù)病情進行麻醉的評估、準備與用藥；對于麻醉的操作，可再配上視頻說明，從而使教學更加直觀。接下來，對于一些部位的麻醉(如脊柱的麻醉等)的操作，可利用三維人體模型，通過調(diào)整觀察視角、控制縮放比例，為學習者展示麻醉劑入針的位置、深度等重要信息，加以說明針對不同的情況應(yīng)該注入的劑量，從而使學習者能充分的掌握不同情況下的麻醉劑使用及注入操作。診療方面，可基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行模擬診療，模擬不同病癥時的相應(yīng)麻醉策略及麻醉操作方法，并根據(jù)學習者的選擇提供正誤反饋及正確的處理方法，通過不斷的模擬練習進一步加深對教學內(nèi)容的理解。最終，通過學習者與教師之間的交流溝通，提升學習效果。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)教學目標和教學內(nèi)容，“臨床麻醉學”主要應(yīng)包括圖文教學、虛擬教學、模擬診療和學習交流4個模塊，如圖1所示。

圖1 虛擬現(xiàn)實醫(yī)學教學系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

導(dǎo)航能清晰明了的反映醫(yī)學教學系統(tǒng)的教學策略，要充分考慮學習者的自主性，以使教學系統(tǒng)的實施過程中能發(fā)揮出最佳效果。應(yīng)加入模塊導(dǎo)航，在主界面中可直接輕松的跳入到任一個模塊中去。

良好的交互體驗，是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學教學中的優(yōu)勢。系統(tǒng)設(shè)計過程中要充分考慮人機之間的流暢交互，通過人機的信息交互，調(diào)動學習者學習的主動性和積極性，從而使其能夠在虛擬現(xiàn)實醫(yī)學教學系統(tǒng)中進行知識的學習與運用。

2 虛擬現(xiàn)實醫(yī)學教學系統(tǒng)開發(fā)

虛擬現(xiàn)實醫(yī)學教學系統(tǒng)的實現(xiàn)，是在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用三維系統(tǒng)建模、圖形圖像處理和文本編輯，搭建起虛擬現(xiàn)實醫(yī)學教學平臺，并實現(xiàn)暢通的人機交流。

虛擬現(xiàn)實醫(yī)學教學系統(tǒng)的開發(fā)，文中首先是通過Photoshop軟件進行圖文教學模塊的設(shè)計，讓醫(yī)學學習者形成對教學內(nèi)容的初步認識，然后運用了3D Max 6.0和Poster6.0軟件進行三維人體建模以及模型的加工進行虛擬教學，最后采用中視典軟件完成人機交互學習平臺的搭建，系統(tǒng)的開發(fā)流程如圖2所示。整個教學系統(tǒng)操作簡單，且界面人性化設(shè)計，體現(xiàn)教學設(shè)計和系統(tǒng)設(shè)計的要求，如圖3所示。

圖2 虛擬現(xiàn)實醫(yī)學教學系統(tǒng)開發(fā)流程

圖3 虛擬現(xiàn)實醫(yī)學教學系統(tǒng)主界面

2.1 虛擬教學

虛擬教學相對于傳統(tǒng)的教學，能構(gòu)建出三維可旋轉(zhuǎn)縮放的三維模型，更加形象直觀的體現(xiàn)出教學的要點，并可突破傳統(tǒng)教學方式的瓶頸，達到傳統(tǒng)教學無法企及的效果。要實現(xiàn)虛擬教學，需要首先建立起三維數(shù)據(jù)庫，將人體模型的三維數(shù)據(jù)存入到數(shù)據(jù)庫中，這是虛擬現(xiàn)實醫(yī)學教學系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

在構(gòu)建三維人體模型數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建過程中，本文首先在Poster6.0中分別構(gòu)建無性人體三維模型、骨骼三維模型和靜脈三維模型。如圖4(a)所示。建好的模型以.3ds后綴的文件形式導(dǎo)出，再導(dǎo)入到中視典軟件中進行數(shù)據(jù)庫的集成。導(dǎo)出的文件再導(dǎo)入到3D Max6.0中，進行三維模型的再加工，具體做法是將骨骼模型、靜脈模型分別嵌入到人體模型中，將人體模型設(shè)置為半透明狀，便于學習者看清骨骼和靜脈的位置。在合成完整的三維人體模型后，還需在模型上根據(jù)常用的麻醉劑入針位置，準確地在模型上做好小球狀的針刺點，并依據(jù)骨骼或靜脈模型為參考，精確入針點在皮膚中的位置，合成好的三維人體模型如圖4(b)。

(a) 三維靜脈圖 (b) 三維人體合成圖

在完成了模型的加工后，還需要將整個模型文件導(dǎo)入到中視典軟件中創(chuàng)建模型的數(shù)據(jù)庫，并與其它數(shù)據(jù)庫進行集成。如圖5所示。在中視典軟件中建立起模型的數(shù)據(jù)庫后，再進一步進行信息的整合，在模型數(shù)據(jù)庫中每個入針點處加上標示，方便學習者在點擊該位置時能提供詳細的信息，包括適用的病癥、各種病癥對應(yīng)需選擇的麻醉劑以及不同病人對應(yīng)的劑量、麻醉劑注入的入針深度等。

圖5 模型導(dǎo)入中視典軟件

2.2 模擬診療

依據(jù)教學大綱，建立課程規(guī)劃內(nèi)的病例數(shù)據(jù)庫及病例的標準診療數(shù)據(jù)庫，根據(jù)預(yù)設(shè)的模擬病例環(huán)境，建立信息框和相應(yīng)的按鈕，并為每個功能按鈕加載腳本命令,具體的診療流程,如圖6所示。

在學習者學習過程中，通過調(diào)用病例數(shù)據(jù)庫，跳轉(zhuǎn)到病癥描述界面，如圖7。當學習者用鼠標點擊模型后，開始形成模擬診療。學習者能通過鼠標、鍵盤控制從備選的麻醉劑中取出一定劑量的麻醉劑，再模擬真實場景，形成麻醉劑插針或管，由學習者將針、管插入到模型內(nèi)。整個過程中，系統(tǒng)將通過交互腳本記錄下學習者的各種操作，并與標準診療數(shù)據(jù)庫進行實時比對，若操作與標準診療數(shù)據(jù)庫中的操作數(shù)據(jù)不一致，則停止繼續(xù)操作，通過交互腳本產(chǎn)生錯誤信息提示，并調(diào)用標準診療數(shù)據(jù)庫中相關(guān)操作的數(shù)據(jù)，提示正確的操作信息，強化其實際操作水平。

圖6 模擬診療的流程

圖7 模擬診療界面

數(shù)據(jù)庫的設(shè)計均留有擴展接口，在后續(xù)的臨床教學中，可以根據(jù)實際情況，總結(jié)和設(shè)計新的病例以及相關(guān)的標準診療步驟錄入病例數(shù)據(jù)庫和標準診療數(shù)據(jù)庫，以供學習者練習使用。

模擬診療的實現(xiàn)，除了數(shù)據(jù)庫外，還需要注重交互腳本的設(shè)計，如設(shè)計實現(xiàn)麻醉劑及其劑量的選擇和入針深度的反饋。其中判斷麻醉劑及其劑量的選擇是否正確的判斷腳本為

void main()

{if(pIn0==pIn1)

{pOut0=“麻醉劑選擇正確”；}

if(pIn0==pIn1)

{pOut1=“麻醉劑劑量正確”；}

else{pOut1=“麻醉劑劑量錯誤。錯誤提示:”}

else{pOut0=“麻醉劑選擇錯誤。錯誤提示:”}

out=TRUE;

}

入針的深度主要由以下腳本實現(xiàn)：

shared bool iIn1;

static int a;

void main()

{

if(iIn1)

{a=0; iIn1=FALSE;}

else

{++a; pOut=0.1*a;}

}

3 結(jié)束語

本文以“臨床麻醉學”課程的設(shè)計為例，從圖文教學、三維模擬教學、診療模擬、交流溝通等方面進行了虛擬現(xiàn)實醫(yī)學教學系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)。從基礎(chǔ)知識講解、重難點形象化教學到模擬操作，總結(jié)交流，逐層次、遞進式的進行了醫(yī)學教學，系統(tǒng)能夠形象直觀的向醫(yī)學學習者展示教學內(nèi)容，并提供虛擬逼真的訓練場景。

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[責任編輯:汪湘]

Medicine education system design based on virtual reality technology

ZHANG Hairong, CHEN Yunhong

(Education Technology Center, Fourth Military Medical University, Xi’an 710032, China)

In this paper, a medicine education system based on virtual reality technology is proposed with clinical anaesthesiology course as an example. This system consists of base content teaching, 3D virtual teaching, simulated-treatment training and is developed with Photoshop, Poster6.0, 3D Max 6.0 and Virtual Reality Platform(VRP). This system can offer learners with realistic training environment and intuitive teaching content.

virtual reality technology, medicine education, teaching efficiency, man-machine interaction

2015-02-10

全軍軍事科研計劃課題(11QJ003-145)

張海榮(1973-)，男，講師，從事教育技術(shù)理論、電子媒介應(yīng)用研究。E-mail：3219783357@qq.com 陳云虹(1968-)，女，愽士，教授，從事電子媒體技術(shù)研究。E-mail：chenyunh@fmmu.edu.cn

10.13682/j.issn.2095-6533.2015.03.022

G431

A

2095-6533(2015)03-0120-05