李 然， 婁 巖， 黃 和

（1.大連海洋大學(xué)信息工程學(xué)院，遼寧 大連 116023；2.中國(guó)醫(yī)科大學(xué)智能醫(yī)學(xué)學(xué)院，沈陽(yáng) 110122；3.沈陽(yáng)醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)信息工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110043）

0 引 言

腎臟病的發(fā)病率在全球逐年上漲，已成為威脅人類健康的重大健康問(wèn)題之一。在我國(guó)已達(dá)到10.8%，腎臟病的預(yù)防及診療已成為國(guó)家和患者的沉重負(fù)擔(dān)，培養(yǎng)更多更優(yōu)秀的腎臟科醫(yī)生顯得尤為重要。

原發(fā)性腎小球疾病是臨床的常見(jiàn)病、多發(fā)病，且原發(fā)性腎小球疾病的種類繁多，病變復(fù)雜，是病理教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。現(xiàn)有腎小球疾病的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，多使用文字、病理切片進(jìn)行教學(xué)，這些鏡下看到的病理切片是二維圖像，對(duì)于腎小球這種由多種細(xì)胞構(gòu)成、空間比鄰關(guān)系較為復(fù)雜的組織，學(xué)生通過(guò)觀察病理切片不能建立正確的三維立體組織學(xué)形態(tài)，掌握疾病導(dǎo)致的組織破壞機(jī)理難度較大，教學(xué)效果欠佳。不同的腎臟疾病臨床表現(xiàn)和病理類型存在交叉性以及矛盾性，學(xué)生缺乏臨床實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)的感性認(rèn)識(shí)，學(xué)習(xí)過(guò)程比較枯燥，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)沒(méi)有提供教學(xué)實(shí)時(shí)反饋機(jī)制，無(wú)法及時(shí)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。

目前國(guó)內(nèi)外已有一些虛擬仿真系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的應(yīng)用方案，但仍存在一些不足，雖然實(shí)現(xiàn)了基于B/S的應(yīng)用模式，但在使用過(guò)程中的數(shù)據(jù)還是下載到本地，其中的計(jì)算和渲染等依然需要使用本地的硬件資源，需配置高端PC支持。因此，沒(méi)有解決硬件終端的限制瓶頸；同時(shí)學(xué)習(xí)人數(shù)受限，只提供VR端，不提供PC端和Web端，使學(xué)習(xí)過(guò)程只能一對(duì)一開(kāi)展；一些網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)只可展現(xiàn)VR程序，而不支持實(shí)時(shí)交互操作，仿真度低，實(shí)操效果差，經(jīng)常出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象。另外，基于某一種引擎開(kāi)發(fā)的特性導(dǎo)致非基于此系統(tǒng)的程序無(wú)法復(fù)用。因此，此類方案并沒(méi)有突破軟硬件兼容性的瓶頸［1］。

5G技術(shù)作為科技前沿領(lǐng)域，為醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)現(xiàn)三維可視化提供了技術(shù)基礎(chǔ)，5G的超高速率能夠急速暢享360°全景VR；更高的帶寬可以顯示高清的VR視頻畫面，超低延時(shí)使高保真內(nèi)容更加清晰無(wú)卡頓。本研究將5G云與VR技術(shù)應(yīng)用到腎小球疾病實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，構(gòu)建虛擬的腎臟、腎小球、腎小球病理模型，將相關(guān)的組織結(jié)構(gòu)、發(fā)病機(jī)理等教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)融入虛擬仿真教學(xué)中，并以全新的視角將仿真系統(tǒng)部署到5G云，給出虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的解決方案，為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)絡(luò)化開(kāi)辟了新的思路和技術(shù)支持［2-3］。

本系統(tǒng)中腎臟、腎小球、病理模型均可通過(guò)鼠標(biāo)進(jìn)行360°自由旋轉(zhuǎn)，多視角觀看。結(jié)合課后練習(xí)，使學(xué)生對(duì)腎臟結(jié)構(gòu)、腎小球病理改變等有全面、深刻的認(rèn)識(shí)和理解，獲得更多練習(xí)機(jī)會(huì)和接近實(shí)際的臨床體驗(yàn)，達(dá)到傳統(tǒng)教學(xué)中無(wú)法達(dá)到的教學(xué)效果；將虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)部署到5G云上，在云端完成渲染、計(jì)算過(guò)程，終端無(wú)需配置高端PC，達(dá)到“精簡(jiǎn)”終端設(shè)備的目的，不僅能夠降低運(yùn)維成本，還能實(shí)現(xiàn)多終端供多用戶無(wú)時(shí)空限制同時(shí)使用，系統(tǒng)不僅能夠展示虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，而且具有實(shí)時(shí)交互功能，在高仿真情況下，運(yùn)行流暢，無(wú)卡頓，實(shí)現(xiàn)將基于VR技術(shù)的優(yōu)質(zhì)資源，真正用于教育培訓(xùn)中［4］。

1 腎小球疾病實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

腎小球疾病實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)分成2個(gè)模塊：課堂交互學(xué)習(xí)和智能考評(píng)（見(jiàn)圖1）。課堂交互學(xué)習(xí)模塊通過(guò)虛擬操作，實(shí)現(xiàn)360°觀看腎臟組織構(gòu)造和不同腎小球腎炎的病理改變，并通過(guò)病變動(dòng)態(tài)模型觀看病情演變過(guò)程，使鏡下微觀結(jié)構(gòu)能夠生動(dòng)逼真地顯現(xiàn)，學(xué)生通過(guò)反復(fù)虛擬訓(xùn)練，掌握知識(shí)點(diǎn)，培養(yǎng)臨床思維，達(dá)到傳統(tǒng)教學(xué)中無(wú)法達(dá)到的教學(xué)效果。智能考評(píng)模塊集成了相關(guān)題庫(kù)和通用型醫(yī)療網(wǎng)站的相關(guān)案例，包括病理切片、中國(guó)醫(yī)科大學(xué)多家附屬醫(yī)院提供的個(gè)性化案例、臨床經(jīng)驗(yàn)等，達(dá)到多維度鞏固知識(shí)點(diǎn)的目的。

圖1 腎小球疾病實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了VR版、PC版和Web版，VR版可通過(guò)VR頭盔和手柄進(jìn)行單人一對(duì)一操作的個(gè)性學(xué)習(xí)和實(shí)訓(xùn)，PC版可以通過(guò)單人或小組演示操作，同時(shí)通過(guò)局域網(wǎng)進(jìn)行大班教學(xué)或可視化觀摩學(xué)習(xí)，Web端可以通過(guò)瀏覽器完成線上學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)多用戶無(wú)時(shí)空限制同時(shí)使用［5-6］。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 腎臟建模及渲染

腎臟數(shù)據(jù)的采集主要通過(guò)標(biāo)本的拍攝和CT影像獲?。?］（見(jiàn)圖2）。通過(guò)超聲和資料查閱獲得腎臟各部的正常數(shù)值。使用MIMICS軟件將CT數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成3D模型文件。

圖2 腎臟數(shù)據(jù)采集

腎臟三維建模采用腎臟二維橫斷面數(shù)字影像，將其導(dǎo)入到醫(yī)學(xué)影像處理軟件MIMICS中，利用圖像分割功能將感興趣的目標(biāo)區(qū)域從整體背景中單獨(dú)勾畫出來(lái)，獲得周圍組織器官。通過(guò)測(cè)量實(shí)際人體模型大小比例，利用軟件3DMax，使用多邊形建模方法制作模型，實(shí)現(xiàn)邊緣與輪廓自然過(guò)渡。將生成后的3D模型導(dǎo)入數(shù)字雕刻和繪畫軟件中，進(jìn)一步進(jìn)行模型細(xì)節(jié)制作與模型等級(jí)細(xì)化。為了制作近似真實(shí)的紋理與貼圖效果，需在UVLayout軟件中進(jìn)行模型拆分與展開(kāi)；在專門烘培法線貼圖的xNormal軟件中進(jìn)行模型匹配和法線的烘培工作，產(chǎn)生細(xì)節(jié)貼圖；在圖像處理軟件Photoshop和3D貼圖繪制軟件Substance Painter中完成模型整體的顏色和貼圖工作，完成最終的模型制作，最后導(dǎo)入VR引擎中。實(shí)現(xiàn)控制模型的變化與動(dòng)態(tài)效果，通過(guò)采集的數(shù)據(jù)，進(jìn)行三維重建，然后再通過(guò)C＋＋語(yǔ)言使材質(zhì)體現(xiàn)醫(yī)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)低性能的媒介能夠得到主機(jī)端的實(shí)時(shí)優(yōu)質(zhì)畫面效果［8］。

模型可視化渲染使用高動(dòng)態(tài)范圍圖像（HDR）模式實(shí)現(xiàn)，相比普通的圖像，提供更多的動(dòng)態(tài)范圍和圖像細(xì)節(jié)，更好地反映出真實(shí)環(huán)境中的視覺(jué)效果［9-10］（見(jiàn)圖3）。

圖3 腎臟模型

2.2 服務(wù)器端設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

2.2.1 服務(wù)器編程解決方案

圖形處理器（Graphic Processing Unit）虛擬化處理是實(shí)現(xiàn)服務(wù)器部署的關(guān)鍵之一。本研究通過(guò)對(duì)軟件底層代碼和算法的優(yōu)化，使用Hook方式接管系統(tǒng)的應(yīng)用程序接口（Application Programming Interface），通過(guò)重新分配顯卡時(shí)間片解決GPU分時(shí)同步的計(jì)算，使得單一顯卡擴(kuò)展成供多用戶同時(shí)使用的數(shù)個(gè)虛擬顯卡，實(shí)現(xiàn)GPU虛擬化（見(jiàn)圖4）。

圖4 GPU虛擬化

在保持基本隔離機(jī)制的前提下最大限度地共享GPU資源。使用進(jìn)程隔離技術(shù)，并在進(jìn)程級(jí)別共享對(duì)于圖形應(yīng)用來(lái)說(shuō)更為稀缺的GPU資源。主要流程如下：

（1）圖像捕獲。基于軟件Direct3D或OpenGL，攔截Direct3D’s的Present API來(lái)獲取圖像，攔截OpenGL的glutSwapBuffers來(lái)獲取圖像。

（2）聲音捕獲。音頻數(shù)據(jù)的捕獲是和平臺(tái)相關(guān)的，在Windows上使用Windows Audio Session APIs來(lái)捕獲聲音數(shù)據(jù)。

（3）應(yīng)用服務(wù)器完成編碼傳輸?shù)娇蛻舳?。GPU資源是共享的，但完成一幀的渲染需要CPU和GPU進(jìn)行協(xié)同，CPU運(yùn)行應(yīng)用，提交渲染命令到GPU，應(yīng)用服務(wù)器完成編碼傳輸?shù)娇蛻舳恕?/p>

對(duì)于渲染完的每幀，有一個(gè)專門的提交函數(shù)用于把渲染結(jié)果進(jìn)行輸出，對(duì)于軟件OpenGL，該函數(shù)是glutSwapBuffers（），對(duì)于軟件Direct3D，該函數(shù)是交換鏈中的Present（），可以通過(guò)關(guān)聯(lián)Present函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)圖形的捕獲功能。

2.2.2 視頻流實(shí)時(shí)編碼設(shè)計(jì)

GPU是并行編程模式，其應(yīng)用方式有兩種：應(yīng)用程序通過(guò)圖形庫(kù)接口調(diào)用GPU設(shè)備；應(yīng)用程序通過(guò)GPU提供的API編程接口直接調(diào)用GPU設(shè)備。實(shí)驗(yàn)表明虛擬仿真程序通過(guò)GPU提供的API編程接口，直接調(diào)用GPU設(shè)備渲染出的畫面真實(shí)度較高，且細(xì)節(jié)豐富。研究通過(guò)建立層次化的并行性對(duì)應(yīng)關(guān)系模型，利用GPU高并行性特點(diǎn)去除冗余信息，降低視頻數(shù)據(jù)量的傳輸，提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和傳輸速率。

本研究制定的提高視頻流傳輸效率的解決方案是當(dāng)終端通過(guò)鍵盤鼠標(biāo)或模擬器械發(fā)出交互信息后，由直接或中轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)紾PU服務(wù)器，由服務(wù)器后臺(tái)運(yùn)行的主程序計(jì)算結(jié)果，再將渲染的圖像以90 f/s速度進(jìn)行實(shí)時(shí)編碼。將GPU渲染的畫面實(shí)時(shí)硬編碼為H.265格式，可以實(shí)現(xiàn)在保持畫質(zhì)清晰的前提下，傳輸文件的數(shù)據(jù)量大幅壓縮。編碼后的數(shù)據(jù)回傳到終端顯示設(shè)備上，終端再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)解碼，同時(shí)等待再次接受交互數(shù)據(jù)。

視頻流實(shí)時(shí)編碼實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線首先通過(guò)算法對(duì)GPU編碼進(jìn)行優(yōu)化。其次優(yōu)化H.265編碼器，即對(duì)視頻流編碼程序?qū)崿F(xiàn)視頻和音頻的H.265實(shí)時(shí)編碼。通過(guò)重寫實(shí)時(shí)編碼程序API接口，對(duì)多用戶請(qǐng)求與多GPU虛擬化運(yùn)算單元進(jìn)行適配，使多用戶調(diào)用成為可能。音頻實(shí)現(xiàn)通過(guò)調(diào)用Windows Audio Session API完成。

2.3 虛擬仿真程序網(wǎng)絡(luò)傳輸策略

2.3.1 構(gòu)建局域網(wǎng)傳輸環(huán)境

為實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)中多用戶同時(shí)訪問(wèn)服務(wù)器并獲取實(shí)時(shí)視頻流數(shù)據(jù)，需要將部署完虛擬仿真程序的服務(wù)器置入高速、穩(wěn)定性好、并發(fā)和低延遲局域網(wǎng)環(huán)境中。研究采用萬(wàn)兆技術(shù)組建局域網(wǎng)，通過(guò)兩層扁平化結(jié)構(gòu)，中高端以太網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)行組網(wǎng)，兩臺(tái)核心交換機(jī)進(jìn)行冗余備份負(fù)載分擔(dān)設(shè)計(jì)。通過(guò)萬(wàn)兆級(jí)連、千兆多桌面的組網(wǎng)方式，從根本上解決網(wǎng)絡(luò)的帶寬問(wèn)題，為每個(gè)用戶提供最大千兆的網(wǎng)絡(luò)帶寬，使局域網(wǎng)內(nèi)直接開(kāi)展IP組播視頻業(yè)務(wù)成為可能?？梢詫?shí)現(xiàn)虛擬仿真H.265視頻實(shí)時(shí)傳送教學(xué)等多種基于IP組播協(xié)議的視頻應(yīng)用。配合WiFi 6高速無(wú)線路由器，增加學(xué)習(xí)者數(shù)量，在非機(jī)房環(huán)境也可進(jìn)入仿真程序。選擇使用WiFi 6，將在5G時(shí)代與5G技術(shù)形成互補(bǔ)，成為室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的核心，尤其適合校園局域網(wǎng)絡(luò)的虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)化。

2.3.2 5G互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)牟渴鹋c應(yīng)用方式

研究采用視頻流作為云端向終端呈現(xiàn)處理結(jié)果的一種云計(jì)算方案。應(yīng)用程序在云端服務(wù)器上運(yùn)行，將視頻輸出和音頻輸出編碼后經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸給終端，終端進(jìn)行實(shí)時(shí)解碼后可視化輸出。

在云服務(wù)器上部署虛擬仿真程序，采取全部云主機(jī)的方式，將GPU渲染程序、GPU實(shí)時(shí)編碼程序以及Web交互通信服務(wù)器程序全部部署到GPU云主機(jī)。實(shí)驗(yàn)表明，為滿足多戶同時(shí)訪問(wèn)仿真程序并獲取高質(zhì)量視頻流、大量用戶高并發(fā)的需求，硬件上必須依靠5G傳輸技術(shù)［11］（見(jiàn)圖5）。

圖5 基于5G云傳輸部署圖

2.4 Web前端設(shè)計(jì)

前端Web程序主要解決實(shí)時(shí)解碼和各種用戶仿真操作輸入請(qǐng)求，實(shí)現(xiàn)輸入輸出操作同步。本研究在用戶端的HTML5瀏覽器上對(duì)服務(wù)器發(fā)送過(guò)來(lái)的H.265數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)解碼，通過(guò)C＋＋實(shí)現(xiàn)渲染編程，完成在HTML頁(yè)面運(yùn)行仿真軟件，把GPU渲染的清晰畫面呈現(xiàn)給學(xué)習(xí)者。另一方面需要將學(xué)習(xí)者輸入信息，轉(zhuǎn)化為虛擬空間的操作并發(fā)送回服務(wù)器。對(duì)于學(xué)習(xí)者而言，形成一個(gè)集視聽(tīng)感知輸入、控制輸出和實(shí)時(shí)反饋于一體的閉環(huán)。最終完成整個(gè)虛擬仿真程序?qū)W習(xí)體驗(yàn)環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)化。研究采用HTML5頁(yè)面＋定位手柄的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)操作的模擬，將輸入設(shè)備API的C＋＋源代碼移植到Web頁(yè)面，通過(guò)延遲處理和GPU編程優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有輸入方式——觸摸屏、鍵盤、鼠標(biāo)和游戲手柄等全方位適配，解決了客戶端通用性的問(wèn)題，最終實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)體驗(yàn)交互學(xué)習(xí)。

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

本研究以“虛實(shí)結(jié)合、正常-異常遞進(jìn)，基礎(chǔ)-臨床融合”為理念，用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬的立體腎小球結(jié)構(gòu)為載體，結(jié)合傳統(tǒng)臨床病理切片，從多層次、多角度開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐。促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，全面培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的臨床思維。

系統(tǒng)使用三維模型、視頻、音頻、文字等形式進(jìn)行闡釋和展現(xiàn)，每部分配有旁白音頻和名稱互動(dòng)點(diǎn)，能夠全面而清晰地展示腎臟從宏觀到微觀的解剖結(jié)構(gòu)，并通過(guò)腎臟、腎小球及病理的三維模型、病變動(dòng)態(tài)變化動(dòng)畫使學(xué)生充分理解、掌握腎小球內(nèi)幾種細(xì)胞的空間構(gòu)成、各種腎小球腎炎的發(fā)病機(jī)制。三維模型均可通過(guò)鼠標(biāo)進(jìn)行360°自由旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的放大，縮小；并可改變當(dāng)前視角和位置。課后練習(xí)除了客觀題，還集成了病理切片和臨床病例，讓學(xué)生多維度掌握相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，形成科學(xué)的臨床思維［12-13］。

（1）可進(jìn)行腎臟總論內(nèi)容的學(xué)習(xí)。使用者進(jìn)入系統(tǒng)，選擇學(xué)習(xí)模式，進(jìn)入課堂交互學(xué)習(xí)模塊，點(diǎn)擊“腎臟的位置和毗鄰”了解腎臟在腹腔內(nèi)的位置，毗鄰關(guān)系（見(jiàn)圖6）。

圖6 腎臟的位置和毗鄰

（2）進(jìn)一步了解腎臟的解刨結(jié)構(gòu)，掌握腎臟的功能。點(diǎn)擊選項(xiàng)中的“冠狀剖面”“外部形態(tài)”“內(nèi)部形態(tài)”，可以看到腎臟的三維結(jié)構(gòu)，包括腎的形狀、腎門、腎動(dòng)脈、腎靜脈、皮質(zhì)、髓質(zhì)、腎乳頭、腎小盞等。通過(guò)多角度反復(fù)觀看，掌握該部分知識(shí)點(diǎn)［14］（見(jiàn)圖7）。

其中，腎臟的血液循環(huán)是掌握腎臟功能的重要環(huán)節(jié)，系統(tǒng)以三維立體形式形象地展示了腎臟的血管走向，相比傳統(tǒng)教學(xué)更加直觀生動(dòng)。血管走向包括：節(jié)段動(dòng)脈起自腎動(dòng)脈前支或后支，分支形成葉間動(dòng)脈；在皮-髓質(zhì)交界處，形成弓形動(dòng)脈；沿錐體底部彎曲走行，與腎表面平行，發(fā)出指向腎表面的放射狀小葉間動(dòng)脈；向上進(jìn)入皮質(zhì)，進(jìn)入外層皮質(zhì)后，分支形成入球小動(dòng)脈（見(jiàn)圖8）。

圖8 腎臟的血管

（3）掌握腎臟的顯微結(jié)構(gòu)——腎小球的構(gòu)成。在這一部分，重點(diǎn)展現(xiàn)腎小球的組織結(jié)構(gòu)，為后續(xù)學(xué)習(xí)病理改變奠定基礎(chǔ)。點(diǎn)擊腎小球會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)組織名稱：如內(nèi)皮細(xì)胞、基底膜、足細(xì)胞裂孔膜、系膜、腎小囊等，見(jiàn)圖9。通過(guò)三維模型，展現(xiàn)腎小球的正常顯微結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)“正常-異常遞進(jìn)”的教學(xué)理念。其中濾過(guò)膜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能既是腎小球?qū)崿F(xiàn)過(guò)濾功能的重要組成部分，也是各種病變發(fā)生的主要位置，傳統(tǒng)教學(xué)多以圖片展示，學(xué)生感覺(jué)抽象，難以理解，本系統(tǒng)以三維立體呈現(xiàn)該部分內(nèi)容，提供了更加生動(dòng)豐富的呈現(xiàn)形式［15］（見(jiàn)圖10）。

圖9 腎小球三維模型

圖10 濾過(guò)膜三維模型

傳統(tǒng)腎小球腎炎的病理學(xué)習(xí)多通過(guò)觀看鏡下切片完成，本系統(tǒng)將各種類型的腎小球腎炎的病理做成三維模型，將病變的組織狀態(tài)展現(xiàn)在三維模型中，如：點(diǎn)擊膜性腎病，能看到釘狀突起、基膜增生、上皮下沉積物等病變狀態(tài)（見(jiàn)圖11）。通過(guò)鼠標(biāo)進(jìn)行360°自由旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)視角和位置的改變，多角度展現(xiàn)了該病癥的病理狀態(tài)。系統(tǒng)還增加了“病變動(dòng)態(tài)模型”，以動(dòng)畫的形式展示了病理的變化過(guò)程，幫組學(xué)生理解、記憶復(fù)雜的腎小球腎炎的病理改變，提高學(xué)習(xí)效果。

圖11 腎小球腎炎病理的三維模型

（4）智能考評(píng)。智能考評(píng)模塊能夠根據(jù)題目的知識(shí)點(diǎn)、難度、教學(xué)要求、分?jǐn)?shù)等指標(biāo)智能組卷；提供多種形式題型，幫助學(xué)生掌握各種類型腎小球疾病的特點(diǎn)，題目既有文字題，也有真實(shí)的病理切片題，典型臨床案例等（見(jiàn)圖12）。涵蓋了腎小球腎炎、腎病綜合癥等多種類型的腎臟疾病的知識(shí)點(diǎn)。體現(xiàn)出“虛實(shí)結(jié)合、基礎(chǔ)-臨床融合”的教學(xué)理念。

圖12 智能考評(píng)模塊題型

根據(jù)考試情況，進(jìn)行全面、多維度的統(tǒng)計(jì)分析，提供糾錯(cuò)反饋信息，讓學(xué)生知錯(cuò)、改錯(cuò)，自主提升臨床技能；同時(shí)，學(xué)生的考評(píng)數(shù)據(jù)也會(huì)形成報(bào)告，發(fā)送給老師，幫助老師實(shí)時(shí)了解學(xué)生對(duì)知識(shí)掌握的情況，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)指導(dǎo)，打通課前、課堂、課后訓(xùn)練評(píng)價(jià)各環(huán)節(jié)，讓教學(xué)良性循環(huán)，讓評(píng)教、評(píng)學(xué)更準(zhǔn)確［16-17］。

4 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)推廣與服務(wù)

目前，該系統(tǒng)已取得軟件著作權(quán)，并在中國(guó)醫(yī)科大學(xué)、暨南大學(xué)、西南醫(yī)科大學(xué)、新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院、中國(guó)醫(yī)科大學(xué)附屬盛京醫(yī)院等推廣試用，反饋良好。

系統(tǒng)首先面向醫(yī)學(xué)院校（醫(yī)院）開(kāi)放，方便學(xué)生深度理解，及時(shí)回顧知識(shí)點(diǎn)，提高學(xué)生對(duì)腎小球疾病的學(xué)習(xí)效果，培養(yǎng)科學(xué)的臨床思維。還可服務(wù)于各級(jí)臨床醫(yī)學(xué)生畢業(yè)后專科教育、繼續(xù)教育，共享優(yōu)質(zhì)的虛擬仿真教學(xué)資源以及面向社會(huì)開(kāi)放并持續(xù)提供在線服務(wù)，為各種科普活動(dòng)、腎病學(xué)術(shù)交流等活動(dòng)提供豐富的仿真演示案例。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了5G云與VR技術(shù)結(jié)合的腎小球疾病實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)建方法和關(guān)鍵技術(shù)，將5G云、VR技術(shù)引入虛擬實(shí)踐教學(xué)中，構(gòu)建了集交互學(xué)習(xí)、考評(píng)一體化的教學(xué)平臺(tái)。系統(tǒng)利用VR技術(shù)，逼真地模擬腎臟解剖結(jié)構(gòu)、腎小球?yàn)V過(guò)膜的構(gòu)造、腎小球腎炎的病理狀態(tài)，將臨床技能融入虛擬教學(xué)實(shí)踐中，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境下實(shí)現(xiàn)反復(fù)訓(xùn)練，完成知識(shí)點(diǎn)掌握，彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)中的不足。通過(guò)考評(píng)模塊，實(shí)現(xiàn)智能、高效的評(píng)價(jià)反饋，提高教學(xué)效果，實(shí)現(xiàn)教學(xué)相長(zhǎng)；系統(tǒng)將虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容部署到5G云上，突破目前虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)對(duì)同時(shí)受訓(xùn)人數(shù)和時(shí)空上的限制，實(shí)現(xiàn)了多終端供多用戶無(wú)時(shí)空限制流暢使用，使醫(yī)學(xué)仿真系統(tǒng)應(yīng)用更加廣泛；徹底擺脫醫(yī)學(xué)虛擬仿真系統(tǒng)對(duì)高端PC和昂貴VR設(shè)備等硬件的依賴，降低應(yīng)用門檻和使用成本，更利于普及推廣。

對(duì)于醫(yī)學(xué)生而言，崗前培訓(xùn)以及臨床實(shí)踐是必經(jīng)之路。借助VR技術(shù)可以進(jìn)行模擬培訓(xùn)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)的短板，可為學(xué)生提供生動(dòng)、逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，提高學(xué)習(xí)興趣和效果。這種創(chuàng)新型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，將基于VR技術(shù)的優(yōu)質(zhì)資源，真正用于教育培訓(xùn)中，利用醫(yī)工融合，有效地促進(jìn)了醫(yī)學(xué)教育技術(shù)向數(shù)字化轉(zhuǎn)型，拓展了虛擬仿真系統(tǒng)的應(yīng)用范圍和受益人群，具有重大社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。