VR技术在医学专业考试复习中的开发与应用

    安小霞 孙嘉楠 张越

    

    摘 要：传统的医考复习模式有其优势，但总的来说其还是存在以下主要问题：复习效率低下，缺少实操环境和标准化人体模型。而VR技术在医学专业考试复习中的开发与应用则可以有效地解决此类问题，极大地提高考生的复习效率。它主要应用到了以下四个技术：动态环境建模技术、实时三维图形生成和显示技术、人机交互设备、智能化语音虚拟现实。让医考复习具有可模拟性，可操作性和真实感。

    关键词：VR技术;医考复习;人机交互;实时三维图形生成和显示

    近年来，随着医学专业考试考生数量的增长，不同的考试培训机构层出不穷，在网课理论学习被普遍应用的今天，医学考生对实操训练的愿望越来越强烈，传统的考试复习模式缺乏合适的训练环境，医考复习中实物资源不足，考生不易掌握相关操作的流程，而且有些实操练习有一定的风险性。所以，为了巩固医学考生在实操这一部分的练习环境，方便考生直观的复习各项专科查体手法，使考生熟练掌握相关技能操作，形成系统操作思维，高效且实用的复习方法是考生所追求的。

    虚拟现实（virtual reality，VR）是近年来兴起的一门跨学科领域的综合高端技术，应用计算机动态环境建模技术和智能化人机交互的适配模式，实时生成和显示数字三维模型，实现人与计算机之间互动。[2]虚拟技术是由计算机生成的数字模拟系统，其特点在于虚拟的真实感、可造塑性、可模拟性、可操作性与可通信性。利用以上特性不仅节省资源，也打破了时空条件的限制，更有利于学习的补充，使考生熟练掌握实践技能操作，提高复习效率，在应用市场中具有竞争价值。

    1 现状分析

    1.1 国内VR技术在医学方面的应用

    2009年，钟世镇、傅征等主编的《数字医学概论》，作为国内第一部系统全面描述数字医学的专著，有关VR技术应用在临床医学散在见于书中“虚拟外科手术”“第二代中国虚拟人”等章节;Pieper及Satara等研究者在90年代初基于两个SGI工作站建立了一个虚拟外科手术训练器，用于腿部及腹部外科手术模拟。这个虚拟的环境包括虚拟的手术台与手术灯，虚拟的外科工具（如手术刀、注射器、手术钳等），虚拟的人体模型与器官等。借助于HMD及感觉手套，使用者可以对虚拟的人体模型进行手术;2016年7月12日，上海交通大学医学院直播了一台由副院长、肝脏外科科主任夏强主刀的小儿活体肝移植手术。与之前不同的是，这次直播采用了当前最为先进的虚拟现实技术（VR）来显示手术的全景画面，这也是全国首次采用VR技术直播的3D儿童肝移植手术;如北京航天航空大学在分布式飞行模拟方面的应用;浙江大学在建筑方面进行虚拟规划、虚拟设计的应用等，这些例子都一一证明了VR技术能够帮助医学解决一些传统的技术问题，同时也显现出了VR技术在医学方面的發展前景是非常好的。

    1.2 国外VR技术在医学方面的应用

    加拿大初创公司Aris MD正在开发一种AR/VR系统来处理2D扫描图像并将其转换为3D图像，这些图像在手术期间覆盖在患者身上。使用来自MRI，CT，X射线或超声扫描的诊断图像，该技术提供了患者解剖和损伤的图。这样的“地图”可以节省手术时间并减少患者麻醉的时间。美国加州健康科学西部大学目前已建成一个虚拟现实学习中心，该中心拥有四种VR技术：Anaomage虚拟解剖台、z Space显示屏、Oculus Rift头显和iPad上载的斯坦福大学开发的解剖模型;2016年12月，全球VR联盟（Global VR Association）成立。美国Surgical Theater公司—3D虚拟现实的导航操作系统等，也进一步证明了VR技术在医学领域的重大突破和巨大优势，展现了VR技术在医学专业考试复习中的开发与应用前景非常广阔，同时也为其提供了一定的开发与应用。

    2 技术构建

    VR技术在医学专业考试复习中的开发与应用的研究，包括设计、研发制作医考最优复习方式、高效的理解与记忆、规范化医考实操、通用。众所周知，医学知识内容多且繁杂，传统的医考复习模式已不能满足需求，故为了能够提高医学专业考试复习的效率，大幅缩短复习时间，我们有下面四个技术：

    （1）动态环境建模技术：是为了获得现实环境的三维数据，并根据实际情况构建相应的虚拟环境，通过对虚拟环境模型的建立，可模拟多种现实环境，如病房、实验室等，通过此种模拟，使用者无论何时何地都能进入进行动作所需的场景或情景。

    （2）实时三维图形生成和显示技术：主要为VR眼镜的原理。

    （3）人机交互技术：虚拟现实技术实现人能够自由在虚拟世界对象进行交互，犹如身临其境，借助的输入输出设备主要有头盔显示器、三维位置传感器、声音产生器及部分辅助设备，如数据手套、衣服、体感手柄等。虚拟现实技术实现人能够自由在虚拟世界对象进行交互，如通过体感手柄或数据手套，可与虚拟标准化病人进行交互，完成对于专科查体的检查过程，摆脱了使用者想要进行练习时，所受的时间、空间的约束。相比与视频类课程，能与模拟标准化病人直接进行交互这一特点可帮助使用者更好的理解消化内容，增加熟练度，加深短时和长时记忆。

    （4）语音虚拟现实智能化：虚拟现实建模是一个比较繁复的过程，需要大量的时间和精力。如果将VR技术与智能技术、语音识别技术结合起来，可以很好地解决这个问题。将人工智能（AI）语音与模拟现实相结合是目前针对与VR技术领域较为新鲜的技术之一，我们可利用这一结合，在复习形式中加入问答方式，同时在专科查体的内容中增加问诊的环节，帮助使用者熟练内容。对模型的属性、方法和一般特点的描述通过语音识别技术转化为建模所需要的数据，然后利用计算机图形处理技术和人工智能技术进行综合分析及及时作出相应评价，将模型用对象表示出来，并且将各种模型静态或动态地连接起来，最终形成系统模型。[3]

    3 优势

    3.1 操作对象和环境更逼真，沉浸式操作训练

    传统的技能操作训练只能在特定的训练基地用假人模型进行训练，但是假人模型的身体数据状态与真人有很大差距，且许多相对应训练的假人模型缺少整体性，不利于考生进行整体化操作。VR技术可基于计算机对人体数据的收集，构建人体仿真模型，使考生对操作理解更加直观。同时，采用动态环境建模技术和人机交互设备，令操作模拟的视野和感觉更加接近于现实，加深考生对操作的认识和记忆，提高考生复习效率。

    3.2 操作具有可重复性，弥补实物资源的不足

    传统的实地操作训练由于实物设备、实验场地等原因导致一大部分学生无法获得相应训练机会，同时，许多操作具有风险性，且临床中由于医疗资源差异，有些技能操作无法进行，导致大部分学生没有条件进行训练。VR技术不仅有生动的讲解、注意事项以及病人实时反应，而且为考生大大增加了实践机会，学习接触不到的操作，降低了病人的风险。

    3.3 实时交互，有效加强实践训练，提高操作精度和准确性[4]

    VR系统在操作过程中，能检测考生的操作规范度，采集各种数据，实时反馈考生的操作水平，保证了考生操作的精准度，有效支持理论内容的复习，提高考生实践技能操作的精细度和准确度，大幅缩短学习时间，摆脱传统的复习模式。

    3.4 实现VR远程教学[5]

    通过信号传输，保证考生远距离互动学习，在有效技术支持下，实现远程训练，提高考生熟练度，加深考生对理论知识的理解及实践操作的熟练度，更大幅度的提升考生的考试通过率。

    4 结语

    本文VR技术在医学专业考试复习中的开发与应用的研究，包括设计、研发制作医考最优复习方式、高效的理解与记忆、规范化医考实操、通用。经过一系列的调查与测试效果良好，很好地达到了我们的预期效果。

    参考文献：

    [1]李婧.医学模拟教育与人才培养——谈VR/AR在医学院校的应用前景[J].内蒙古师范大学学报（哲学社会科学版），2018，47（06）：113-116.

    [2]刘琳，苏雪晨.基于VR技术的沉浸式学习环境的构建研究[J].信息与电脑，2020（03）：1003-97.

    [3]趙守凯，林慧君.VR数字电子技术实验室的设计与实现[J].计算机时代，2020（04）：1006-8228.

    [4]李柯.一种基于VR技术的远程规划优化系统[J].信息通信，2019（12）：1673-1131.

    [5]潘卫军，徐海瑶，朱新平.基于VR技术的机场应急救援虚拟演练平台[J].中国安全生产科学技术，2020（02）：1673-193X.