虛擬實(shí)驗(yàn)室在醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究

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1、虛擬實(shí)驗(yàn)室在醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究摘要：近年來，國內(nèi)外眾多醫(yī)學(xué)院校及科研機(jī)構(gòu)紛紛提出虛擬實(shí)驗(yàn)室的概念，即基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的一個(gè)綜合不同工具和技術(shù)的信息化、網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境。該文具體闡述了虛擬實(shí)驗(yàn)室的內(nèi)涵、研究現(xiàn)狀、實(shí)際應(yīng)用及其運(yùn)用中的利與弊，特別列舉了虛擬實(shí)驗(yàn)室在醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)教學(xué)中的具體應(yīng)用，探索如何利用虛擬實(shí)驗(yàn)室更高效地完成教學(xué)任務(wù)，提高教學(xué)質(zhì)量。關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗(yàn)室；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；遠(yuǎn)程教育l虛擬實(shí)驗(yàn)室的內(nèi)涵虛擬實(shí)驗(yàn)室的概念是早在1989年由美國弗吉尼亞大學(xué)的Wolf教授提出的，用來描述計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。虛擬實(shí)驗(yàn)室綜合利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、人工智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)

2、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)和多傳感器技術(shù)，模擬人的視覺、聽覺、觸覺等感覺器官功能，使人能夠沉浸在計(jì)算機(jī)生成的逼真的三維虛擬環(huán)境中，并能夠通過語言、手勢等自然的方式與之進(jìn)行實(shí)時(shí)交互[1－4]。利用計(jì)算機(jī)，再加一套虛擬實(shí)驗(yàn)軟件，實(shí)現(xiàn)“以虛代實(shí)”、“以軟代硬”，就相當(dāng)于建立了一個(gè)擁有先進(jìn)設(shè)備的實(shí)驗(yàn)室。用計(jì)算機(jī)虛擬儀器設(shè)備可以進(jìn)行設(shè)備參數(shù)測定、操作練習(xí)[3]，將冗長枯燥的教學(xué)過程改進(jìn)為“簡單虛擬實(shí)驗(yàn)一簡單實(shí)物實(shí)驗(yàn)一復(fù)雜模擬實(shí)驗(yàn)一綜合性實(shí)物實(shí)驗(yàn)”這一循序漸進(jìn)的過程，不但增強(qiáng)教學(xué)趣味、簡化知識(shí)體系，同時(shí)也得以確保教學(xué)資源的優(yōu)化與共享[3]。2虛擬實(shí)驗(yàn)室在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究和應(yīng)用廣受研究機(jī)構(gòu)和軟

3、件供應(yīng)商的重視。早在1995年，互聯(lián)網(wǎng)上便出現(xiàn)了“虛擬青蛙解剖”實(shí)驗(yàn)，“實(shí)驗(yàn)者”可以用虛擬手術(shù)刀層層分離青蛙，觀察它的肌肉和骨骼組織。目前，國際上具有代表性的生物、醫(yī)學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室有：霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所(HowardHughesMedicalInstitute，HHMI)開發(fā)的細(xì)菌鑒定實(shí)驗(yàn)室、心臟病實(shí)驗(yàn)室、免疫實(shí)驗(yàn)室、神經(jīng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)室等；諾貝爾基金會(huì)(NobelFoundation)開發(fā)的虛擬生化實(shí)驗(yàn)室[1]。國內(nèi)虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)起步要晚一些，與發(fā)達(dá)國家還存在一定差距，但發(fā)展較快，目前已有部分高校初步建立了虛擬實(shí)驗(yàn)室和各類虛擬教學(xué)系統(tǒng)[5]。2003年初，第一軍醫(yī)大學(xué)完成了國內(nèi)首例女虛擬人的

4、數(shù)據(jù)采集。醫(yī)生可以為虛擬病人模型進(jìn)行手術(shù)，并可以利用網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制機(jī)器人，實(shí)施遠(yuǎn)程手術(shù)。手術(shù)實(shí)際進(jìn)展的圖像也可通過機(jī)器人攝像機(jī)實(shí)時(shí)傳遞并與虛擬病人疊加，以便醫(yī)生實(shí)時(shí)掌握手術(shù)情況，發(fā)出手術(shù)指令[6]。第二軍醫(yī)大學(xué)生理學(xué)教研室從20世紀(jì)90年代開始，對(duì)生理學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行初步探索，對(duì)“蛙心灌流”、“哺乳動(dòng)物血壓調(diào)節(jié)”以及“動(dòng)作電位的產(chǎn)生機(jī)制和記錄方法”等實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了成功的模擬，并先后在國內(nèi)生理學(xué)界的交流會(huì)上獲得好評(píng)。近年來，他們對(duì)原有實(shí)驗(yàn)進(jìn)行升級(jí)，初步建成了機(jī)能學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室[1.7]。選形態(tài)學(xué)科中結(jié)構(gòu)典型的組織切片信息，即可將制作成的虛擬切片存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)，按不同學(xué)科和章節(jié)分庫保存，并且建立相應(yīng)的虛擬

5、切片庫。虛擬切片庫在方便教學(xué)的同時(shí)，也在一定程度上實(shí)現(xiàn)了資源共享，增進(jìn)了師生互動(dòng)。3虛擬實(shí)驗(yàn)室在醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用3．1虛擬解剖虛擬三維人體解剖學(xué)展示系統(tǒng)使用虛擬三維技術(shù)進(jìn)行人體解剖學(xué)標(biāo)本的演示，在清晰度、質(zhì)感、素材輸入難易度上全面超越了常規(guī)三維建模方法制作的電子標(biāo)本。三維動(dòng)畫相對(duì)于傳統(tǒng)二維圖片，具有立體直觀、使用方便、無損耗、易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，在人體解剖教學(xué)及醫(yī)學(xué)科普教育中有良好的應(yīng)用前景。3．2虛擬診斷學(xué)以多媒體編程技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用語義識(shí)別、TTS發(fā)音、動(dòng)態(tài)圖形識(shí)別和多種音視頻素材，構(gòu)建一個(gè)仿真的臨床技能培訓(xùn)和診斷思維環(huán)境，采取人機(jī)交互方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。虛擬診斷技術(shù)具有創(chuàng)新性、

6、交互性、智能性、仿真性、開放性和可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)，用于訓(xùn)練和培養(yǎng)醫(yī)學(xué)生、研究生和青年醫(yī)師，有助于增強(qiáng)診斷學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果、提高學(xué)生的積極性和自主性、培養(yǎng)與學(xué)生臨床技能和思維能力。3．3虛擬切片系統(tǒng)傳統(tǒng)的組織切片存在數(shù)量龐大、不易儲(chǔ)存和查找不便等弊端，在實(shí)際教學(xué)過程中很不方便。運(yùn)用虛擬切片系統(tǒng)，將組織切片轉(zhuǎn)化為數(shù)字化的信息，并從中挑虛擬實(shí)驗(yàn)室具有明顯的低成本、高效率、功能全等優(yōu)點(diǎn)，足以彌補(bǔ)真實(shí)實(shí)驗(yàn)室的不足，因而廣受高校和研究機(jī)構(gòu)推崇。3．4虛擬胚胎學(xué)教學(xué)胚胎發(fā)育過程相對(duì)抽象復(fù)雜，是醫(yī)學(xué)生理解的難點(diǎn)。應(yīng)用虛擬胚胎學(xué)教學(xué)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)在課堂上的具體展示，使學(xué)生充分認(rèn)識(shí)人胚胎發(fā)生與早期發(fā)育的全過程，解決

7、因?qū)嶋H教學(xué)中對(duì)孕婦和胎兒進(jìn)行跟蹤研究不便的教學(xué)難點(diǎn)，并且可以在很短的時(shí)間內(nèi)將完整生理過程呈現(xiàn)出來。3．5虛擬手術(shù)教學(xué)系統(tǒng)虛擬手術(shù)是采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，利用醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)建立一個(gè)虛擬環(huán)境，并借助該環(huán)境的信息進(jìn)行手術(shù)計(jì)劃制訂、手術(shù)演練、手術(shù)教學(xué)、手術(shù)技能訓(xùn)練、術(shù)中引導(dǎo)手術(shù)、術(shù)后康復(fù)等工作。學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)可以學(xué)習(xí)手術(shù)前準(zhǔn)備、手術(shù)全過程以及手術(shù)后治療等。虛擬手術(shù)教學(xué)系統(tǒng)使教學(xué)與臨床結(jié)合得更緊密，以更高的質(zhì)量完成