劉尚輝，婁 巖，劉 佳，王艷華，郭婷婷

中國醫(yī)科大學(xué)公共基礎(chǔ)學(xué)院計(jì)算機(jī)教研室，沈陽 110122

·技術(shù)與教育·

基于醫(yī)學(xué)教學(xué)的虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與應(yīng)用

劉尚輝，婁 巖，劉 佳，王艷華，郭婷婷

中國醫(yī)科大學(xué)公共基礎(chǔ)學(xué)院計(jì)算機(jī)教研室，沈陽 110122

隨著網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字化現(xiàn)代教育技術(shù)的發(fā)展，又一新的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)正在被越來越多地應(yīng)用于教育領(lǐng)域，尤其在醫(yī)學(xué)教育中這一技術(shù)正在起著重要的作用。文章介紹了在醫(yī)學(xué)院校建設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)室的一些做法，并闡述了利用虛擬實(shí)驗(yàn)室開展“醫(yī)學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與應(yīng)用”教學(xué)的體會。目的在于探索和構(gòu)建適合醫(yī)學(xué)教育的虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室，使其在醫(yī)學(xué)教育中發(fā)揮更大的作用。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；虛擬實(shí)驗(yàn)室；教育技術(shù)

【DOI】：10.13566／j.cnki.cmet.cn61-1317／g4.201506011

虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用的重要方向。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的逐步成熟，虛擬實(shí)驗(yàn)室在教學(xué)、科研、培訓(xùn)、演示、匯報(bào)、論證等諸多方面均有應(yīng)用。虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)是一項(xiàng)技術(shù)要求比較高的工作，需要有軟硬件系統(tǒng)環(huán)境的配套支持，它已經(jīng)成為高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的發(fā)展方向。國內(nèi)外理、工、農(nóng)、醫(yī)各類高校已根據(jù)自身科研和教學(xué)的實(shí)際需求建立了虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境［1］，在教學(xué)中利用虛擬實(shí)驗(yàn)室可以高效地完成相應(yīng)實(shí)驗(yàn)，提高教學(xué)質(zhì)量。

1 醫(yī)學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)現(xiàn)狀

由于人們對虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究與應(yīng)用方向不同、側(cè)重的領(lǐng)域不同、需求的功能不同，因此，對虛擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)與建設(shè)的方案也是種類繁多。醫(yī)學(xué)教學(xué)實(shí)踐性較強(qiáng)，并且某些實(shí)驗(yàn)要求實(shí)驗(yàn)環(huán)境及實(shí)驗(yàn)材料成本較高，通過虛擬與真實(shí)實(shí)驗(yàn)的互相補(bǔ)充，可以達(dá)到較好的教學(xué)效果。目前，在國外高校虛擬實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用案例較多，而國內(nèi)只有較少的醫(yī)學(xué)院校建立了虛擬實(shí)驗(yàn)室。在醫(yī)學(xué)教學(xué)中，國內(nèi)外的虛擬實(shí)驗(yàn)室在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)等方面均有應(yīng)用。如在虛擬實(shí)驗(yàn)室中已經(jīng)開展的實(shí)驗(yàn)有：基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的解剖學(xué)、組織學(xué)與胚胎學(xué)、病理學(xué)、虛擬切片等形態(tài)學(xué)科的虛擬實(shí)驗(yàn)，還有虛擬機(jī)能實(shí)驗(yàn)涉及了藥理學(xué)、生理學(xué)、病理生理學(xué)等多個(gè)學(xué)科；臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有虛擬診斷學(xué)、虛擬手術(shù)教學(xué)、虛擬內(nèi)窺鏡、虛擬口腔、虛擬三維重建、虛擬輸液訓(xùn)練等虛擬實(shí)驗(yàn)，為醫(yī)學(xué)教育的發(fā)展起到了很好的促進(jìn)作用［2-9］。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)需求與功能分析

一般虛擬實(shí)驗(yàn)室除了具備虛擬現(xiàn)實(shí)軟件開發(fā)平臺和三維圖像處理功能外，根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)特征，還應(yīng)具有逼真的三維沉浸感，達(dá)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(huán)境來實(shí)現(xiàn)的。

其中，立體聽覺一般通過三維環(huán)繞立體聲響系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，三維觸覺和力感可以通過計(jì)算機(jī)觸覺或力反饋設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，而高度沉浸的視覺環(huán)境通常會通過大屏幕立體投影顯示系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。如：單通道或多通道柱面投影顯示系統(tǒng)、球面仿真投影顯示系統(tǒng)或CAVE沉浸式仿真環(huán)境。

此外，根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)時(shí)交互特征要求，這種交互可以通過多自由度的虛擬現(xiàn)實(shí)交互設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，如：數(shù)據(jù)手套、位置跟蹤器、力反饋器，等。最終形成一個(gè)完整的虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)與建設(shè)

虛擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)與建設(shè)的目標(biāo)是構(gòu)建科學(xué)、合理、先進(jìn)的醫(yī)學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，滿足醫(yī)學(xué)教學(xué)需求，使參與者具有身臨其境的感覺和實(shí)時(shí)參與交互的能力，此目標(biāo)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的內(nèi)在要求，系統(tǒng)基于Windows平臺和Internet架構(gòu)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)上強(qiáng)調(diào)整體性、先進(jìn)性、開放性和可擴(kuò)展性。系統(tǒng)功能上包括：二次開發(fā)與三維數(shù)據(jù)處理、沉浸式立體顯示、六自由度實(shí)時(shí)交互、力和觸覺反饋及立體音效輸出等功能。系統(tǒng)組成上包括：開發(fā)和渲染平臺、三維沉浸式顯示系統(tǒng)、三維交互系統(tǒng)和集中控制系統(tǒng)四大部分。

3.1 開發(fā)與渲染平臺

主要是指三維圖像生成與處理系統(tǒng)，包括工作站和虛擬現(xiàn)實(shí)軟件平臺兩個(gè)部分。具有三維圖形環(huán)境生成與處理的功能，同時(shí)兼?zhèn)湓俅伍_發(fā)創(chuàng)作的任務(wù)，對整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的開發(fā)、運(yùn)算、渲染與生成起核心作用，是建立數(shù)學(xué)模型和應(yīng)用數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)開發(fā)平臺，同時(shí)連接和協(xié)調(diào)其他子系統(tǒng)的工作和運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.2 三維沉浸式顯示系統(tǒng)

在虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中，沉浸感的實(shí)現(xiàn)手段有很多，其中顯示部分主要通過大屏幕立體投影來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)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(tǒng)、球面投影系統(tǒng)，等。單通道立體投影顯示是利用多臺立體投影機(jī)共同將中心工作站生成的虛擬立體圖像同步顯示在一個(gè)巨幅柱面投影屏幕上的顯示系統(tǒng)，可提供較為強(qiáng)烈的沉浸感覺。它通常包括：單通道立體投影設(shè)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(shè)備，等。

3.3 六自由度實(shí)時(shí)交互系統(tǒng)

實(shí)時(shí)交互是虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的最大價(jià)值和功能，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與三維動(dòng)畫和多媒體技術(shù)的區(qū)別所在。在虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)時(shí)交互應(yīng)用中通常會借助于各種不同的虛擬外設(shè)作為人機(jī)交互的工具和實(shí)現(xiàn)手段，常見的主要有六自由度交互系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)力或觸覺反饋系統(tǒng)、數(shù)據(jù)手套、位置跟蹤器，等。這些交互設(shè)備都將安裝在工作站上供用戶進(jìn)行人與虛擬世界的互動(dòng)和交流，因此這些設(shè)備是重要的人機(jī)交互接口。

3.4 集成控制系統(tǒng)

一個(gè)完整的虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)都由許多設(shè)備組成，這些設(shè)備之間需要相互連接、彼此協(xié)同工作，這就需要對其進(jìn)行管理與控制，中央控制系統(tǒng)便是承擔(dān)該項(xiàng)工作的載體，所有設(shè)備都由其控制主機(jī)進(jìn)行控制，它是虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的管理與控制中心。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 虛擬實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用

在已經(jīng)建成的虛擬實(shí)驗(yàn)室中，可以開展一些學(xué)科的三維立體顯示及交互的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)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(shù)據(jù)手套等設(shè)備與虛擬對象進(jìn)行交互，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并加深了對知識的理解，從而促進(jìn)了教學(xué)質(zhì)量的提高。如圖2所示，在虛擬實(shí)驗(yàn)室中通過三維立體投影系統(tǒng)展示的虛擬人體心肺立體圖片，并且通過數(shù)據(jù)手套實(shí)現(xiàn)全方位旋轉(zhuǎn)，使觀察者能夠從不同角度進(jìn)行學(xué)習(xí)。

圖2 通過三維立體投影系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人與虛擬圖像的交互

在醫(yī)學(xué)院校計(jì)算機(jī)教學(xué)中，筆者及其教研室為醫(yī)學(xué)生開設(shè)了“醫(yī)學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及應(yīng)用”課程，向?qū)W生傳授了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本理論和技術(shù)方法，側(cè)重講授虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)方向的發(fā)展與實(shí)際應(yīng)用，利用虛擬實(shí)驗(yàn)室的立體顯示環(huán)境，加強(qiáng)實(shí)踐操作和立體演示訓(xùn)練，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和技術(shù)應(yīng)用能力，取得了很好的教學(xué)效果。其做法可以概括為以下四點(diǎn)。

①根據(jù)醫(yī)學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展，不斷更新教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)手段，完善教材建設(shè)這一知識載體，實(shí)現(xiàn)了教材、課件、教學(xué)方法、教學(xué)手段的加強(qiáng)與提高。學(xué)生通過虛擬現(xiàn)實(shí)理論與技術(shù)知識的學(xué)習(xí)，可以利用3D Max，VRML等軟件創(chuàng)作出與醫(yī)學(xué)相關(guān)的模型作品，并在虛擬實(shí)驗(yàn)室工作站平臺上進(jìn)行渲染和在立體投影上展示，從而觀看實(shí)驗(yàn)效果。在此過程中大家互相取長補(bǔ)短，團(tuán)結(jié)協(xié)作，學(xué)生制作出了較為成型的醫(yī)學(xué)形態(tài)學(xué)的作品，收到了較好的教學(xué)效果。

②通過醫(yī)學(xué)圖像的三維重建軟件學(xué)習(xí)，學(xué)生掌握了一些目前常用的醫(yī)學(xué)圖像三維處理軟件，如Mimics、MITK及3DMed等的使用。利用醫(yī)院影像科的CT、MRI數(shù)據(jù)導(dǎo)入到這些處理軟件中生成相應(yīng)部位的三維立體圖像，學(xué)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(shí)驗(yàn)室里，利用立體投影系統(tǒng)，佩戴立體眼鏡才能看到立體的三維圖像，并使用數(shù)據(jù)手套等交互工具，讓學(xué)生真正感受到沉浸式立體交互的實(shí)驗(yàn)效果，大大激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣并加深了對相應(yīng)醫(yī)學(xué)知識的理解。

③為了幫助學(xué)生不受時(shí)間和空間限制的自主學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)課程有關(guān)內(nèi)容，研發(fā)了基于Web的桌面式虛擬教學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程如圖3所示。

圖3 基于Web的桌面式虛擬教學(xué)系統(tǒng)

教師或?qū)W生通過不同身份登錄該系統(tǒng)，選擇所需項(xiàng)目進(jìn)行教學(xué)和學(xué)習(xí)。學(xué)生如果選擇虛擬課程學(xué)習(xí)，則可以進(jìn)入所需課程中進(jìn)行相應(yīng)知識與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容學(xué)習(xí)，這里不僅提供了與“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)”的課程相關(guān)資料的學(xué)習(xí)，還提供了一些醫(yī)學(xué)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(xué)生可以在網(wǎng)上登錄虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)，選擇所需要的資源進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。

④虛擬實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用評價(jià)。為了掌握學(xué)生利用虛擬環(huán)境的學(xué)習(xí)效果，對Web桌面式虛擬教學(xué)系統(tǒng)中的師生互動(dòng)留言板做了調(diào)查。調(diào)查對象是利用虛擬實(shí)驗(yàn)室和網(wǎng)絡(luò)桌面式學(xué)習(xí)平臺進(jìn)行學(xué)習(xí)的380名學(xué)生。通過對其留言進(jìn)行歸納分析，有96.4%的學(xué)生觀點(diǎn)是虛擬實(shí)驗(yàn)室和桌面式學(xué)習(xí)平臺能夠幫助他們提高實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ谔岣邔W(xué)習(xí)興趣、理解學(xué)習(xí)內(nèi)容等方面是有顯著優(yōu)勢的，學(xué)習(xí)效果很好。但就醫(yī)學(xué)本身的特殊性，能夠在實(shí)物上真實(shí)觀察和操作會使他們有更真實(shí)的感受和體驗(yàn)，這是虛擬實(shí)驗(yàn)的不足之處。只有3.6%的學(xué)生認(rèn)為不用這些學(xué)習(xí)條件，通過傳統(tǒng)的方式，如閱讀相關(guān)書籍和電腦實(shí)驗(yàn)操作也可學(xué)習(xí)，但要花費(fèi)較多學(xué)習(xí)理解的時(shí)間且學(xué)習(xí)效果一般。

該文對醫(yī)學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室的國內(nèi)外現(xiàn)狀做了分析，提出了構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)需求、功能需求和構(gòu)建方法；并以醫(yī)學(xué)院校計(jì)算機(jī)課程中開設(shè)的“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與應(yīng)用”課程為例，介紹了利用虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺開展課程教學(xué)的方法、手段和實(shí)施情況，提出了在醫(yī)學(xué)院校構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室的必要性。目前，我們正在實(shí)驗(yàn)利用虛擬實(shí)驗(yàn)室中的三維立體投影顯示系統(tǒng)，播放醫(yī)學(xué)教學(xué)視頻并進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，如可以支持醫(yī)學(xué)一些學(xué)科的三維模型庫，如肢體、內(nèi)臟、骨骼等的立體顯示與跟蹤交互，讓學(xué)生使用數(shù)據(jù)手套等交互工具，實(shí)現(xiàn)沉浸式交互的學(xué)習(xí)效果。我們也應(yīng)看到，虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)之間存在的區(qū)別和不足，探索虛擬與真實(shí)實(shí)驗(yàn)的有機(jī)結(jié)合，使虛擬實(shí)驗(yàn)更好地輔助真實(shí)實(shí)驗(yàn)并為教學(xué)服務(wù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以其自身具備的應(yīng)用優(yōu)勢和潛力，終將在醫(yī)學(xué)教學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用并發(fā)揮其重要的技術(shù)支持作用。

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Construction and application of virtual laboratory for medical teaching

Liu Shanghui，Lou Yan，Liu Jia，Wang Yanhua，Guo Tingting
Department of Computer Science，General and Basic Education School of China Medical University，Shenyang 110122，China

With the application of network and digitalization of modern educational technology，a new virtual reality technology is being increasingly used in the field of education.This technology is playing an especially important role in medical education.This paper introduces some methods of constructing a virtual laboratory in medical colleges and our experience of using the virtual laboratory to carry out the teaching of medical virtual reality technology and application.The purpose is to explore and build a virtual reality laboratory for medical education and make it play a greater role in medical education.

virtual reality technology；virtual laboratory；educational technology

G434

A

1004-5287（2015）06-0639-03

遼寧省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃2014年度課題（JG14DB451）“醫(yī)學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建設(shè)”以及中國醫(yī)科大學(xué)“十二五”第四批醫(yī)學(xué)教育科學(xué)研究立項(xiàng)課題（YDJK2014013）

2015-06-26

劉尚輝（1963-），女，沈陽人，碩士，教授，主要研究方向：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)教學(xué)與應(yīng)用。

婁巖（1961-），男，沈陽人，本科，教授，主要研究方向：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)教學(xué)與應(yīng)用。

電話：18940124415；E-mail：louyan＠m(xù)ail.cmu.deu.cn