虚拟现实技术在中医教学中的应用及其发展研究

戴红芬，肖骏，周小莉，徐孟，刘晓伟

（1.湖北中医药大学，湖北 武汉 430065；2.湖北省中医院光谷院区，湖北 武汉 430073；3.武汉大学，湖北 武汉 430073）

1 引言

虚拟现实技术是一种可应用于各种不同领域的新兴技术，混合了人机界面、图形、传感器技术、高端计算等现代科技。虚拟现实技术是通过最新的电脑科技及软件技术手段，生成全方位多感官的认知环境，客户可以通过一定的输入输出设备直接与其进行交互操作，从而可以得到身临其境的感觉[1-3]。

如今虚拟现实技术成功应用于工程、建筑设计、飞行员和军事训练中，同样地，在医学教育、培训和诊断中，虚拟现实技术已然已经应用于全身解剖模型、交互式三维可视化的医学图像、一些简单外科手术的模拟等。传统医学的教学模式通常是根据教材内容顺序进行讲授，能够较好地调控教学进度，同时让学生系统地学习高度提炼、总结学科知识及理论体系，但许多教学内容相对抽象，难以用言语表达使学习者体会到位，在中医的教学过程中，需要较详尽的传授医学知识及医学动态，尤其注重培养学习者的实践动手能力的培养。实践性强的教学内容在传统的教授模式中难达到较为理想的效果。此外，实验教学资源有限、部分医学实验风险性大、学者在临床上实践机会不多，使得中医教育的质量和效果受到严重影响[4-5]。如果将虚拟现实技术用于中医教学，给初学者搭建一个完全模拟实际情况的虚拟平台学习系统，将对初学者的学习效果和质量起到事半功倍的效果，更能直接将抽象理论知识直接转化为实际认知和操作，并通过三维交互使得学习者在虚拟环境中有直接参与和实践机会，从而打破时间和空间的限制，规避真实实验或操作的失误对患者可能造成的影响，同时这种类型的模拟训练可以高效的练习操作，可使学习者不断地进行探索、判断、分析和总结等思维活动，从而节约培训实践和成本[6-8]。

2 虚拟现实技术主要技术

虚拟现实能让操作者参与并沉浸在所搭建的环境，通过交互设备，使体验者仿佛置身于现实环境中，获得相应看似真实的体验。虚拟现实技术原理见图1。

图1 虚拟现实技术原理

虚拟现实的主要技术包括：①动态环境建模技术。该技术主要是对实体环境进行3D模型搭建，如Unity3D等引擎根据获得实际的空间数据来搭建三维可视化的虚拟环境。其中3D数据模型的获取可以通过人体造影成像、CAD三维建模以及非接触式建模等技术生成。②实时三维图形生成技术。该技术应用已经很完备了，最重要的部分是实时性的保证，为达到相应的应用效果，其对硬件刷新频率有一定的要求。在维持3D画面质量和复杂程度的前体下，刷新数据及视频界面的频率适当增加，则其画面感会更加舒服、流畅，最优情况是在30帧以上。③立体显示和传感器技术。该技术是实现虚拟现实技术呈现完美的逼近现实的载体。通过当前多种先进的传感器和显示技术，如力反馈控制器、3D显示器、空间定位器等等，来实现人与虚拟环境的交互，极大的提升了虚拟现实技术的应用效果和体验。④应用系统开发工具。虚拟现实对某一个领域的应用是通过平台进行的。开发者通过对应的应用开发工具来搭建，可以避免从原始的底层做起，提高了工作效率和应用推广的可行性。当前，虚拟现实的开发工具软件系统有很多。比如Virtools系列、WTK；MuliGen系列软件是一个交互式的图形建模系统；MuliGen-Pasadigm公司的Vega可用于实时视觉和听觉仿真，使用简单；SGI公司的IRIS Performer可用于生成实时可视仿真和其它交互式三维图形应用。⑤多种系统集成技术。一个完整的虚拟现实系统，必然是通过软硬件多系统的集成构成，融合多种技术，实现复杂功能[9-10]。

3 虚拟现实技术在中医教学中的应用

虚拟现实技术目前在中医学方面有所应用，比如远程指导；其在中医学教学中的应用主要有以下两个方面。

3.1 中医脉诊教学 脉诊是通过按压、感觉人体特点部位的脉搏跳动情况，并据此判断人体的一些生理状况。其深浅沉浮变化均与脏腑功能、气血运行密切关键。若脏腑气血失和，血脉运行会受到影响，脉像亦随之改变，故脉诊可辅助了解疾病的发展及预后。

临床上主要需掌握脉诊的把脉指法、指力轻重以及每次按脉时间，才能正确进行脉诊，故对经验和主观感觉依存度较高,长期以来影响着脉学的学习和推广。

基于虚拟现实技术的仿真技术为传授脉诊提供了新的方式。应用该仿真技术可对脉相信息的分析模拟，科研观察、定量诊断方面提供宝贵的根据。通过基于虚拟现实技术的可调闭环脉诊平台，能够让初学者在交互工具上，进行身临其境的脉诊，完全模拟实际操作。同时可通过最新的数据库技术，将诊断信号通过算法和工具形成专家系统，将能进一步丰富脉诊的科学性及虚拟现实脉诊技术的指导性。

3.2 针灸教学 针灸是针法和灸法的总称。针法针灸通过进行相应的配穴针刺治疗，以通经脉，调气血，和阴阳，平脏腑。针灸学是中医领域不可或缺的一部分，也是现代临床医学诊疗的组成部分，针灸是通过人体的经络、穴位知识，并通过疾病的方式位置种类，在穴位、刺激、效应这种动态关系之中选最恰当的手段来进行针灸治疗，因此，针灸的掌握和研究较为复杂。

当前针灸教学所常采用的是人体塑模工具来进行，上面有粗略的人体穴位和经络的走势图，但学习者还需依据文字资料和各个穴位特点来确定穴位的精准位置。传统针灸教学当中，通过直观的二维图或者计算机模型观看了解各个穴位的名称和所在位置，然而该方式直观性能差，学习难度大，分块的模型不利于显示和观察。

基于上述分析，本文认为虚拟现实技术特点结合针灸学可以更好的帮助中医针灸教学工作。基于虚拟现实技术的针灸教学，通过人体扫描或者核磁共振等成像技术进行建模，将穴位在虚拟的3D模型上实时的表现出来，可实现穴位三维结构表达与相关医疗功用信息显示，如经络循行演示、穴位定位显示、人体模型多自由度旋转、点穴操作实现等，使学习者易于理解与掌握。初学者在进行具有穴位显示的3D虚拟模型上可以直接通过力反馈控制器或位置传感器等操作，并通过3D显示器显示操作环境，该方式可以完全模拟针灸操作，设定多种临床针灸治疗的情形，初学者在电脑上反复练习，可有效掌握针灸学临床思维方式和有关规律，从而提高教学质量和降低医疗风险。

4 虚拟现实技术在中医教学中的优势

中医教学的传统模式主要是课堂授学以及其他插图，模具，以及动物实验、尸体解剖来进行教学。由于医学领域的特殊性，其交互方式受一定的条件限制，并具有一定的危险性。然而当虚拟现实和传统医学教育相结合时，可以使得医学教育具有很强的针对性、实用性，能突破原有局限的书本化教学方式。

4.1 有助于解决中医实验教学资源紧缺的难题，利用虚拟现实的技术优势创设逼真的教学情境,使学习者在系统中获得近似于真实实验的操作体会，该项技术的使用可以节约大量的试验设备，样本如试验动物、组织等等，一次投入使用，重复利用率高，学生和老师都可以进行操作，教学、测试、分析以及进行研究。从这方面来说可以极大的解决教学资源紧缺的问题，在有关地区采用还可以缓解教育资源分布不均的矛盾。例如利用虚拟现实系统进行尸体解剖，在虚拟的尸体上进行处理，而操作者又可以实时观察所解剖的结构，组织，并且可以进行操作、处理，浸入式的学习操作能帮忙学生提高动手能力，并且解决尸源紧缺的问题。

4.2 可以极大的节省时间。如相关的实践操作，可以迅速开展，不受仪器设备、实验对象、物理空间等外界条件限制，可随时进行相关教学。又如经络循行，这些在传统的教学中只能依靠教师的口头讲述传授的抽象知识，可利用虚拟现实技术的模拟，使学生详细观察以获得形象生动的概念及知识，大大促进学习者对该学科的理解和掌握。除此之外，很多漫长的变化发展过程，可以通过虚拟现实技术配合当前先进的计算机运算处理技术，来模拟医学变化的发展规律，可以直观的进行深入的了解，而且能够在此基础上进行操作，打破时间的局限性。

4.3 可快速提高学习者的中医临床经验和实操能力，虚拟现实技术可以充分地利用现有的计算机软件和硬件资源，模拟各种不同的疾病和系统病状供学生进行直观的学习和感受，促进学习效果的进步。例如：腕踝针虚拟教学系统，可以充分地利用现有的计算机软件和硬件资源具有病症体验教学模块，可模拟临床的不同的病症，学习者需要选择正确的针刺点，并完成整个扎针过程的模拟，让学生通过练习和此系统适当的引导学习临床医学知识。

4.4 虚拟现实技术可大幅提升中医学教育质量，解决传统医学大部分只能在书本上学习的局限性，学习者利用交互设备能够和在现场一样进行操作，增强了实践性，能帮助学生熟练掌握有关医学诊疗的专业技能。

5 虚拟现实技术面临的挑战

虚拟现实技术经过近年的快速发展，各方面性能逐步完善，其应用前景十分广阔，但仍然面临着一些关键技术有待改进和突破，在中医学教学中的应用还处于初级阶段。实际应用主要存在以下难题：①当前硬件相关的发展技术还不够完善，设备还不够贴合虚拟现实技术的使用要求，硬件在分辨率、刷新速度、使用便捷程度上还有待提高，并且造价昂贵，在中医学教学中大规模推广应用还不成熟。②当前相关的模型搭建以及系统平台搭建还不够完善，相关模型工作比较复杂，系统平台软件的开发需要大量的精力和花费，对应的编程还有待进一步开发，以及其他相关问题还有待解决。③当前效果不够理想，虚拟现实系统运行所需的数据交换时间偏长，互动交流难以流畅进行，而力检测及反馈技术、语音识别、人工智能等还不够成熟，环境真实感较差，容易出现眩晕和人眼疲劳等现象，影响教学质量，同时与临床实践还需更加紧密结合。

6 结语

中医教学与虚拟现实技术的有机结合，改变了传统的教育模式，具有沉浸性、交互性、时效性以及多感知性等多种优点，但当前虚拟现实技术还处于发展阶段，许多关键技术有待发展完善。随着虚拟现实技术的发展，相关软件硬件性能不断提高，其在中医教学领域的应用也会加更广泛和深入，结合其它的教学模式，相互补充，可让中医教学方法更趋完善。

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