導(dǎo)語(yǔ)：醫(yī)學(xué)教學(xué)的虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與應(yīng)用一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢(xún)客服老師，歡迎參考。

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

由于人們對(duì)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(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)與建設(shè)的方案也是種類(lèi)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(guò)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(guó)外高校虛擬實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用案例較多，而國(guó)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(guó)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(kāi)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(kāi)發(fā)平臺(tái)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(guò)立體聽(tīng)覺(jué)、三維觸覺(jué)或力感以及沉浸感的視覺(jué)環(huán)境來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其中，立體聽(tīng)覺(jué)一般通過(guò)三維環(huán)繞立體聲響系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，三維觸覺(jué)和力感可以通過(guò)計(jì)算機(jī)觸覺(jué)或力反饋設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)，而高度沉浸的視覺(jué)環(huán)境通常會(huì)通過(guò)大屏幕立體投影顯示系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。如：?jiǎn)瓮ǖ阑蚨嗤ǖ乐嫱队帮@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(guò)多自由度的虛擬現(xiàn)實(shí)交互設(shè)備來(lái)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(mǎn)足醫(yī)學(xué)教學(xué)需求，使參與者具有身臨其境的感覺(jué)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(tái)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(kāi)放性和可擴(kuò)展性。系統(tǒng)功能上包括：二次開(kāi)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(jué)反饋及立體音效輸出等功能。系統(tǒng)組成上包括：開(kāi)發(fā)和渲染平臺(tái)、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(kāi)發(fā)與渲染平臺(tái)

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(tái)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_(kāi)發(fā)創(chuàng)作的任務(wù)，對(duì)整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的開(kāi)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(kù)的基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，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(guò)大屏幕立體投影來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)沉浸程度的不同，通?？梢苑譃閱瓮ǖ懒Ⅲw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(tái)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(jué)。它通常包括：?jiǎn)瓮ǖ懒Ⅲw投影設(shè)備、柱面投影幕以及用于圖像無(wú)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(huà)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(huì)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(jiàn)的主要有六自由度交互系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)力或觸覺(jué)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(hù)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(duì)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。

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(kāi)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(duì)象，并且通過(guò)頭盔、數(shù)據(jù)手套等設(shè)備與虛擬對(duì)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(duì)知識(shí)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(guò)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(guò)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)。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(kāi)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(shí)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(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)理論與技術(shù)知識(shí)的學(xué)習(xí)，可以利用3DMax，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(tái)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(guò)程中大家互相取長(zhǎng)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(guò)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(tái)上生成可以三維顯示的文件，在立體投影上展示出來(lái)。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(duì)相應(yīng)醫(yī)學(xué)知識(shí)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)。教師或?qū)W生通過(guò)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(shí)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(shí)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(píng)價(jià)。為了掌握學(xué)生利用虛擬環(huán)境的學(xué)習(xí)效果，對(duì)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(duì)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(tái)進(jìn)行學(xué)習(xí)的380名學(xué)生。通過(guò)對(duì)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(tái)能夠幫助他們提高實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，在提高學(xué)習(xí)興趣、理解學(xué)習(xí)內(nèi)容等方面是有顯著優(yōu)勢(shì)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(huì)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(guò)傳統(tǒng)的方式，如閱讀相關(guān)書(shū)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(duì)醫(yī)學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室的國(guó)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(kāi)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(tái)開(kāi)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(kù)，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(shì)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。

作者:劉尚輝 婁巖 劉 佳 王艷華，郭婷婷 單位:中國(guó)醫(yī)科大學(xué)公共基礎(chǔ)學(xué)院計(jì)算機(jī)教研室