戴紅芬，肖駿，周小莉，徐孟，劉曉偉

（1.湖北中醫(yī)藥大學(xué)，湖北 武漢 430065；2.湖北省中醫(yī)院光谷院區(qū)，湖北 武漢 430073；3.武漢大學(xué)，湖北 武漢 430073）

1 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種可應(yīng)用于各種不同領(lǐng)域的新興技術(shù)，混合了人機(jī)界面、圖形、傳感器技術(shù)、高端計(jì)算等現(xiàn)代科技。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是通過最新的電腦科技及軟件技術(shù)手段，生成全方位多感官的認(rèn)知環(huán)境，客戶可以通過一定的輸入輸出設(shè)備直接與其進(jìn)行交互操作，從而可以得到身臨其境的感覺[1-3]。

如今虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)成功應(yīng)用于工程、建筑設(shè)計(jì)、飛行員和軍事訓(xùn)練中，同樣地，在醫(yī)學(xué)教育、培訓(xùn)和診斷中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已然已經(jīng)應(yīng)用于全身解剖模型、交互式三維可視化的醫(yī)學(xué)圖像、一些簡(jiǎn)單外科手術(shù)的模擬等。傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)的教學(xué)模式通常是根據(jù)教材內(nèi)容順序進(jìn)行講授，能夠較好地調(diào)控教學(xué)進(jìn)度，同時(shí)讓學(xué)生系統(tǒng)地學(xué)習(xí)高度提煉、總結(jié)學(xué)科知識(shí)及理論體系，但許多教學(xué)內(nèi)容相對(duì)抽象，難以用言語(yǔ)表達(dá)使學(xué)習(xí)者體會(huì)到位，在中醫(yī)的教學(xué)過程中，需要較詳盡的傳授醫(yī)學(xué)知識(shí)及醫(yī)學(xué)動(dòng)態(tài)，尤其注重培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)。實(shí)踐性強(qiáng)的教學(xué)內(nèi)容在傳統(tǒng)的教授模式中難達(dá)到較為理想的效果。此外，實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源有限、部分醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)性大、學(xué)者在臨床上實(shí)踐機(jī)會(huì)不多，使得中醫(yī)教育的質(zhì)量和效果受到嚴(yán)重影響[4-5]。如果將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于中醫(yī)教學(xué)，給初學(xué)者搭建一個(gè)完全模擬實(shí)際情況的虛擬平臺(tái)學(xué)習(xí)系統(tǒng)，將對(duì)初學(xué)者的學(xué)習(xí)效果和質(zhì)量起到事半功倍的效果，更能直接將抽象理論知識(shí)直接轉(zhuǎn)化為實(shí)際認(rèn)知和操作，并通過三維交互使得學(xué)習(xí)者在虛擬環(huán)境中有直接參與和實(shí)踐機(jī)會(huì)，從而打破時(shí)間和空間的限制，規(guī)避真實(shí)實(shí)驗(yàn)或操作的失誤對(duì)患者可能造成的影響，同時(shí)這種類型的模擬訓(xùn)練可以高效的練習(xí)操作，可使學(xué)習(xí)者不斷地進(jìn)行探索、判斷、分析和總結(jié)等思維活動(dòng)，從而節(jié)約培訓(xùn)實(shí)踐和成本[6-8]。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)能讓操作者參與并沉浸在所搭建的環(huán)境，通過交互設(shè)備，使體驗(yàn)者仿佛置身于現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，獲得相應(yīng)看似真實(shí)的體驗(yàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)原理見圖1。

圖1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)原理

虛擬現(xiàn)實(shí)的主要技術(shù)包括：①動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)。該技術(shù)主要是對(duì)實(shí)體環(huán)境進(jìn)行3D模型搭建，如Unity3D等引擎根據(jù)獲得實(shí)際的空間數(shù)據(jù)來搭建三維可視化的虛擬環(huán)境。其中3D數(shù)據(jù)模型的獲取可以通過人體造影成像、CAD三維建模以及非接觸式建模等技術(shù)生成。②實(shí)時(shí)三維圖形生成技術(shù)。該技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)很完備了，最重要的部分是實(shí)時(shí)性的保證，為達(dá)到相應(yīng)的應(yīng)用效果，其對(duì)硬件刷新頻率有一定的要求。在維持3D畫面質(zhì)量和復(fù)雜程度的前體下，刷新數(shù)據(jù)及視頻界面的頻率適當(dāng)增加，則其畫面感會(huì)更加舒服、流暢，最優(yōu)情況是在30幀以上。③立體顯示和傳感器技術(shù)。該技術(shù)是實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)呈現(xiàn)完美的逼近現(xiàn)實(shí)的載體。通過當(dāng)前多種先進(jìn)的傳感器和顯示技術(shù)，如力反饋控制器、3D顯示器、空間定位器等等，來實(shí)現(xiàn)人與虛擬環(huán)境的交互，極大的提升了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用效果和體驗(yàn)。④應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)工具。虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)某一個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用是通過平臺(tái)進(jìn)行的。開發(fā)者通過對(duì)應(yīng)的應(yīng)用開發(fā)工具來搭建，可以避免從原始的底層做起，提高了工作效率和應(yīng)用推廣的可行性。當(dāng)前，虛擬現(xiàn)實(shí)的開發(fā)工具軟件系統(tǒng)有很多。比如Virtools系列、WTK；MuliGen系列軟件是一個(gè)交互式的圖形建模系統(tǒng)；MuliGen-Pasadigm公司的Vega可用于實(shí)時(shí)視覺和聽覺仿真，使用簡(jiǎn)單；SGI公司的IRIS Performer可用于生成實(shí)時(shí)可視仿真和其它交互式三維圖形應(yīng)用。⑤多種系統(tǒng)集成技術(shù)。一個(gè)完整的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，必然是通過軟硬件多系統(tǒng)的集成構(gòu)成，融合多種技術(shù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能[9-10]。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在中醫(yī)教學(xué)中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)目前在中醫(yī)學(xué)方面有所應(yīng)用，比如遠(yuǎn)程指導(dǎo)；其在中醫(yī)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用主要有以下兩個(gè)方面。

3.1 中醫(yī)脈診教學(xué) 脈診是通過按壓、感覺人體特點(diǎn)部位的脈搏跳動(dòng)情況，并據(jù)此判斷人體的一些生理狀況。其深淺沉浮變化均與臟腑功能、氣血運(yùn)行密切關(guān)鍵。若臟腑氣血失和，血脈運(yùn)行會(huì)受到影響，脈像亦隨之改變，故脈診可輔助了解疾病的發(fā)展及預(yù)后。

臨床上主要需掌握脈診的把脈指法、指力輕重以及每次按脈時(shí)間，才能正確進(jìn)行脈診，故對(duì)經(jīng)驗(yàn)和主觀感覺依存度較高,長(zhǎng)期以來影響著脈學(xué)的學(xué)習(xí)和推廣。

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的仿真技術(shù)為傳授脈診提供了新的方式。應(yīng)用該仿真技術(shù)可對(duì)脈相信息的分析模擬，科研觀察、定量診斷方面提供寶貴的根據(jù)。通過基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的可調(diào)閉環(huán)脈診平臺(tái)，能夠讓初學(xué)者在交互工具上，進(jìn)行身臨其境的脈診，完全模擬實(shí)際操作。同時(shí)可通過最新的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，將診斷信號(hào)通過算法和工具形成專家系統(tǒng)，將能進(jìn)一步豐富脈診的科學(xué)性及虛擬現(xiàn)實(shí)脈診技術(shù)的指導(dǎo)性。

3.2 針灸教學(xué) 針灸是針法和灸法的總稱。針法針灸通過進(jìn)行相應(yīng)的配穴針刺治療，以通經(jīng)脈，調(diào)氣血，和陰陽(yáng)，平臟腑。針灸學(xué)是中醫(yī)領(lǐng)域不可或缺的一部分，也是現(xiàn)代臨床醫(yī)學(xué)診療的組成部分，針灸是通過人體的經(jīng)絡(luò)、穴位知識(shí)，并通過疾病的方式位置種類，在穴位、刺激、效應(yīng)這種動(dòng)態(tài)關(guān)系之中選最恰當(dāng)?shù)氖侄蝸磉M(jìn)行針灸治療，因此，針灸的掌握和研究較為復(fù)雜。

當(dāng)前針灸教學(xué)所常采用的是人體塑模工具來進(jìn)行，上面有粗略的人體穴位和經(jīng)絡(luò)的走勢(shì)圖，但學(xué)習(xí)者還需依據(jù)文字資料和各個(gè)穴位特點(diǎn)來確定穴位的精準(zhǔn)位置。傳統(tǒng)針灸教學(xué)當(dāng)中，通過直觀的二維圖或者計(jì)算機(jī)模型觀看了解各個(gè)穴位的名稱和所在位置，然而該方式直觀性能差，學(xué)習(xí)難度大，分塊的模型不利于顯示和觀察。

基于上述分析，本文認(rèn)為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)特點(diǎn)結(jié)合針灸學(xué)可以更好的幫助中醫(yī)針灸教學(xué)工作?；谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)的針灸教學(xué)，通過人體掃描或者核磁共振等成像技術(shù)進(jìn)行建模，將穴位在虛擬的3D模型上實(shí)時(shí)的表現(xiàn)出來，可實(shí)現(xiàn)穴位三維結(jié)構(gòu)表達(dá)與相關(guān)醫(yī)療功用信息顯示，如經(jīng)絡(luò)循行演示、穴位定位顯示、人體模型多自由度旋轉(zhuǎn)、點(diǎn)穴操作實(shí)現(xiàn)等，使學(xué)習(xí)者易于理解與掌握。初學(xué)者在進(jìn)行具有穴位顯示的3D虛擬模型上可以直接通過力反饋控制器或位置傳感器等操作，并通過3D顯示器顯示操作環(huán)境，該方式可以完全模擬針灸操作，設(shè)定多種臨床針灸治療的情形，初學(xué)者在電腦上反復(fù)練習(xí)，可有效掌握針灸學(xué)臨床思維方式和有關(guān)規(guī)律，從而提高教學(xué)質(zhì)量和降低醫(yī)療風(fēng)險(xiǎn)。

4 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在中醫(yī)教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)

中醫(yī)教學(xué)的傳統(tǒng)模式主要是課堂授學(xué)以及其他插圖，模具，以及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)、尸體解剖來進(jìn)行教學(xué)。由于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的特殊性，其交互方式受一定的條件限制，并具有一定的危險(xiǎn)性。然而當(dāng)虛擬現(xiàn)實(shí)和傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)教育相結(jié)合時(shí)，可以使得醫(yī)學(xué)教育具有很強(qiáng)的針對(duì)性、實(shí)用性，能突破原有局限的書本化教學(xué)方式。

4.1 有助于解決中醫(yī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源緊缺的難題，利用虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)創(chuàng)設(shè)逼真的教學(xué)情境,使學(xué)習(xí)者在系統(tǒng)中獲得近似于真實(shí)實(shí)驗(yàn)的操作體會(huì)，該項(xiàng)技術(shù)的使用可以節(jié)約大量的試驗(yàn)設(shè)備，樣本如試驗(yàn)動(dòng)物、組織等等，一次投入使用，重復(fù)利用率高，學(xué)生和老師都可以進(jìn)行操作，教學(xué)、測(cè)試、分析以及進(jìn)行研究。從這方面來說可以極大的解決教學(xué)資源緊缺的問題，在有關(guān)地區(qū)采用還可以緩解教育資源分布不均的矛盾。例如利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行尸體解剖，在虛擬的尸體上進(jìn)行處理，而操作者又可以實(shí)時(shí)觀察所解剖的結(jié)構(gòu)，組織，并且可以進(jìn)行操作、處理，浸入式的學(xué)習(xí)操作能幫忙學(xué)生提高動(dòng)手能力，并且解決尸源緊缺的問題。

4.2 可以極大的節(jié)省時(shí)間。如相關(guān)的實(shí)踐操作，可以迅速開展，不受儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)對(duì)象、物理空間等外界條件限制，可隨時(shí)進(jìn)行相關(guān)教學(xué)。又如經(jīng)絡(luò)循行，這些在傳統(tǒng)的教學(xué)中只能依靠教師的口頭講述傳授的抽象知識(shí)，可利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的模擬，使學(xué)生詳細(xì)觀察以獲得形象生動(dòng)的概念及知識(shí)，大大促進(jìn)學(xué)習(xí)者對(duì)該學(xué)科的理解和掌握。除此之外，很多漫長(zhǎng)的變化發(fā)展過程，可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)配合當(dāng)前先進(jìn)的計(jì)算機(jī)運(yùn)算處理技術(shù)，來模擬醫(yī)學(xué)變化的發(fā)展規(guī)律，可以直觀的進(jìn)行深入的了解，而且能夠在此基礎(chǔ)上進(jìn)行操作，打破時(shí)間的局限性。

4.3 可快速提高學(xué)習(xí)者的中醫(yī)臨床經(jīng)驗(yàn)和實(shí)操能力，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以充分地利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)軟件和硬件資源，模擬各種不同的疾病和系統(tǒng)病狀供學(xué)生進(jìn)行直觀的學(xué)習(xí)和感受，促進(jìn)學(xué)習(xí)效果的進(jìn)步。例如：腕踝針虛擬教學(xué)系統(tǒng)，可以充分地利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)軟件和硬件資源具有病癥體驗(yàn)教學(xué)模塊，可模擬臨床的不同的病癥，學(xué)習(xí)者需要選擇正確的針刺點(diǎn)，并完成整個(gè)扎針過程的模擬，讓學(xué)生通過練習(xí)和此系統(tǒng)適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)學(xué)習(xí)臨床醫(yī)學(xué)知識(shí)。

4.4 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可大幅提升中醫(yī)學(xué)教育質(zhì)量，解決傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)大部分只能在書本上學(xué)習(xí)的局限性，學(xué)習(xí)者利用交互設(shè)備能夠和在現(xiàn)場(chǎng)一樣進(jìn)行操作，增強(qiáng)了實(shí)踐性，能幫助學(xué)生熟練掌握有關(guān)醫(yī)學(xué)診療的專業(yè)技能。

5 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)經(jīng)過近年的快速發(fā)展，各方面性能逐步完善，其應(yīng)用前景十分廣闊，但仍然面臨著一些關(guān)鍵技術(shù)有待改進(jìn)和突破，在中醫(yī)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用還處于初級(jí)階段。實(shí)際應(yīng)用主要存在以下難題：①當(dāng)前硬件相關(guān)的發(fā)展技術(shù)還不夠完善，設(shè)備還不夠貼合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的使用要求，硬件在分辨率、刷新速度、使用便捷程度上還有待提高，并且造價(jià)昂貴，在中醫(yī)學(xué)教學(xué)中大規(guī)模推廣應(yīng)用還不成熟。②當(dāng)前相關(guān)的模型搭建以及系統(tǒng)平臺(tái)搭建還不夠完善，相關(guān)模型工作比較復(fù)雜，系統(tǒng)平臺(tái)軟件的開發(fā)需要大量的精力和花費(fèi)，對(duì)應(yīng)的編程還有待進(jìn)一步開發(fā)，以及其他相關(guān)問題還有待解決。③當(dāng)前效果不夠理想，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)運(yùn)行所需的數(shù)據(jù)交換時(shí)間偏長(zhǎng)，互動(dòng)交流難以流暢進(jìn)行，而力檢測(cè)及反饋技術(shù)、語(yǔ)音識(shí)別、人工智能等還不夠成熟，環(huán)境真實(shí)感較差，容易出現(xiàn)眩暈和人眼疲勞等現(xiàn)象，影響教學(xué)質(zhì)量，同時(shí)與臨床實(shí)踐還需更加緊密結(jié)合。

6 結(jié)語(yǔ)

中醫(yī)教學(xué)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，改變了傳統(tǒng)的教育模式，具有沉浸性、交互性、時(shí)效性以及多感知性等多種優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還處于發(fā)展階段，許多關(guān)鍵技術(shù)有待發(fā)展完善。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)軟件硬件性能不斷提高，其在中醫(yī)教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用也會(huì)加更廣泛和深入，結(jié)合其它的教學(xué)模式，相互補(bǔ)充，可讓中醫(yī)教學(xué)方法更趨完善。

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