摘要：本文在分析目前3D虚拟技术的进展和医学教学特点后，提出利用3D虚拟技术在医学教学中开展的可能性和交互特点，构想和分析了医学“解剖-生理-疾病-诊治”模式3D虚拟教学软件设计的可能和现实意义。
关键词：医学教学 3D 虚拟技术
中图分类号：TP399 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）02-0131-02
1 三维数字技术成熟为医学3D动画虚拟教学的实现提供技术基础
1.1 三维数字技术及虚拟技术的发展与现状
3D（Three Dimensions），是指三维、三个维度、三个坐标，即有长、宽、高，或称有X轴、Y轴、Z轴。3D动画，又称三维动画，是近年来随着计算机软硬件技术的发展而形成的一门新兴技术，设计师利用三维动画软件在计算机中首先建立一个虚拟的世界，再在这个虚拟的三维世界中，按照要表现的内容的形状尺寸建立模型以及场景，再根据要求设定模型的运动轨迹、虚拟摄影机的运动和其它动画参数，最后按要求为模型赋上特定的材质，并打上灯光[1]。经过计算机自动运算处理，生成三维动画画面。
3D游戏，即三维游戏，既是在游戏中使用3D模型来制作人物、场景等物体，使玩家可以在游戏中体会到长宽高三种度量，可以360度旋转视角和远近距离视角，并且可以主动使用大量的交互方式来改变和主导游戏内容，使得人物和场景根据操作有不同的反映和结果。
三维动画技术模拟真实物体有其独特的优势，其真实性、精确性、和无限的可操作性[2]，目前已被广泛应用于各个领域，与我们现实生活接触的最多的3D电影和3D游戏。
1.2 医学教学的特点
医学教学有其特殊性，主要表现在：（1）容错性低：绝大多数操作、试验、处置等都不允许犯错，不允许在真实人体上进行尝试。（2）教育成本高、资源昂贵：不仅人体标本、动物标本、药品、仪器等昂贵，尤其人体标本使用年限长了后容易损坏。这些人体标本不仅感觉上与活人体有很大差别，使用和来源上还存在伦理道德上的问题。（3）涉及医学类微观内容的教育不够直观，学习者难以快速接收[3]。（4）因病患的感受和要求，以及医患关系的改变，使学生可供实习的机会越来越少。（5）学习周期长，课目多，内容涵盖领域广。
虚拟技术不仅能真实地表现3D物体，还可有其沉浸性、交互性和创意性[3]，从而使得在医学教学上有更大的优越性：学习者可以将自身置于计算机产生的三维人体虚拟环境中，如同感受真实人体一样；通过学习者与计算机人体的交互来进行操作和实验；虚拟技术还可以使学习者从人体生物、生化、生理、病理等方面，从定量和定性的综合表现中得到感性和理性的认识，从而深化概念、得到启发、萌发创意。
2 医学3D动画及虚拟技术教学要承担的功能
2.1 真实体现人体解剖结构
要求3D技术在局部解剖的空间层面上体现人体结构，借助重组（多层面、曲面）、投影（最大密度、最小密度）、显示（表面遮盖、透明）等技术，可在屏幕上直观的显示器官、组织、血管、肌肉、神经、腔隙、管道等，使学生在系统解剖、局部解剖及断层解剖结构上学习人体基础知识[4][5]。还可允许学生以血细胞、神经递质、食物、食物成份、各种代谢产物、电冲动等“身份”在体内“旅游”，从而学习人体生化、生理知识。真实体现人体解剖结构不仅要分出性别，还要能在儿童、妊娠期、老年等方面体现出各自的特点。德国汉堡Eppendorf大学医学院建立的虚拟人体系统（名为VOXEL-MAN），每一种解剖结构，如骨骼、肌肉、神经、血管等都是三维可视的，学习者使用头盔显示器就可以模拟解剖过程[6]。
2.2 能真实体现各系统、器官的功能和生命现象
系统和器官的功能可以通过多种方式与学习者进行交互，如形态、功能表现及失去功能后的表现、模型、人机对话等多种方法让学习者得到理解和感受。
2.3 能根据要求显示疾病在虚拟体上的表现
3D人体不仅能在正常状态有所表现，在每一种疾病的设计上，人体要能有相应的变化，无论是在形态结构，还是功能上，都能让学习者真实体会疾病带来的躯体影响和生化改变。有必要安排疾病发生发展情节和诊治经历情节来表现不同疾病的过程特点。
2.4 能够体现机体在医学处理后有相应的反映
疾病发生后，操作者进行交互式处理后，3D虚拟人体要能对处理做出应答，反馈学习中正误。
3 人机交互特点和交互界面
3.1 能360度进入解剖结构场景
就象3D游戏一样，学习者可能通过计算机显示器，以3D的特点进入人体解剖结构场景。能够通过键盘或鼠标或其它传感器，控制观察点和运动方向。
3.2 体检、辅检、治疗、试验等成为交互
交互界面的设计，要象玩3D游戏，允许学习者在体格检查、辅助检查、治疗方式（包括用药、手术、处置等）实行交互操作，并能按医学要求看到操作后的表现和结果。可以设置疾病在诊治过程中的自然特性[7]。虚拟手术是虚拟技术在医学训练中最重要的应用，主要用于复杂手术过程的规划、演练及预测，指导手术的进行[8]。治疗手段交互后，治疗结果按医学原理进行反映[9]。
3.3 交互的方式不能仅限于键盘和鼠标
为了使医学教学更加生动贴切，交互方式可以有特殊的交互手段，如听诊、触诊、叩诊等，可以设计拟真交互设备，来满足学习者的真实感受。
3.4 引入测试和评分系统
可以引入测试和评分系统，以纠正交互学习过程中发生的错误和不准确的做法。通过类似游戏“关卡”来强化学习经历，甚至可以用于考试。
3.5 随着医学知识和诊治手段的更新而升级版本
医学知识日新月异，新学说、新技术层出不穷，软件要能及时升级，更新诊治手段和相关理论。
4 应用的意义和前景
（1）教学模式发生改变。虚拟教学使医学课堂教学不再局限于有形的教室、陈列室和实训室中，教学网络化程度提高，使空间和时间得到了无形扩展[10]。也象网络游戏一样，让远程教学不再是简单的听说，而是拟真实物的教学。
（2）调动了学生的学习兴趣。将抽象的内容具体化、形象化、可操作化，象玩网络游戏一样，具有探索性和无限乐趣，使学习者记忆深刻，大大提高了教学质量。
（3）缩短教学时间，加速知识传播。有兴趣和主动探索式学习，不仅改变了传统的教学模式，还能缩短教学时间，让有精力和潜力的学生快速完成学习经历。
（4）计算机的普及和虚拟技术快速发展为医学3D教学综合软件提供可能。虽然目前没有较为系统的教学软件开发，但两个领域合作一定能解决这个问题。
参考文献
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