虚拟现实技术在医学教育中的场景应用研究——基于79篇实验研究论文的系统分析与元分析

近年来,虚拟现实(Virtual Reality,以下简称VR)与教育的融合不断加深,VR在细分学科教学中的优势日益凸显。基于VR的腹腔镜手术模拟器(Virtual Reality based Laparoscopic Simulator,以下简称VRLS)成为VR技术在医学教育中极具优势和增长点的典型应用场景。实践中,VRLS已被许多医院手术技能培训中心和医学院引入,为医学生手术学习和技能训练提供了全新的平台,但从学术的角度,VR应用于医学教学场景中的优势和影响仍未形成统一结论。该研究系统地检索并筛选79篇相关文献,采用元分析方法,重点探究VRLS对于医学教育的影响,研究结果表明:(1)VRLS对于医学生腹腔镜技术水平作用的综合效应值为0.72,使用VRLS教学能够有效提升医学生的学习绩效;(2)对于医学生的学习绩效,VRLS与箱式模拟器、视频训练及传统训练方式相比有较大差异,特别是在自我效能感、深度(空间)感知能力、组织处理能力等维度上效果更为显著;(3)VRLS教学过程中,教师指导反馈对于医学生学习绩效提升起到正向作用;(4)基于效率和基于时间的训练方式对医学生学习绩效提升的效果类似。结合研究结果,该文深度阐述了VR智能技术的医学教育应用场景、策略分析及展望。

国家重点实验室H指数与H指数的人员贡献Q率

H指数是由HirschJE提出的一个用来评价科学工作者科学成就的指标。将H指数应用于国家重点实验室的科技论文水平评价,同时为了体现科研群体对其H指数的贡献,提出了实验室H指数人员贡献率Q的概念和计算方法,并给出一个具体实例。实验室H指数和Q率可以在一定程度上反映实验室科研人员的整体学术状况。

基于视频模型的虚拟现实视频融合系统

虚实融合技术以减少虚拟对象和真实视频图片之间的视觉差异为目标,力图实现视觉感官上的无缝结合。多视频的虚实融合技术普遍存在画面畸变与虚实对准代价大的问题。针对该问题,提出并设计了一种基于视频模型的虚拟现实视频融合系统。介绍了视频的注册与模型建立原理,阐述了系统中视频与场景融合绘制方法。对系统的总体结构进行了介绍。在实验阶段,测试了本系统的性能,并与国际上的虚实融合方法进行了对比分析。表明该方法在融合绘制效果和性能上更优。

虚拟现实技术本科专业课程体系探索

随着经济、社会发展对虚拟现实技术创新和应用需求的迅速增长,虚拟现实技术专业创新型、开发型、应用型等各类人才缺口不断扩大。本文针对虚拟现实技术本科专业,面向创新人才培养,阐述了虚拟现实技术专业课程体系建设的背景和意义,确定了虚拟现实技术专业创新人才培养的目标,论述了面向创新人才培养的虚拟现实技术专业课程体系建设的指导思想,然后给出了一套完整的虚拟现实技术专业课程体系范例,包含课程设置、教学进程和实践设计,最后对整个课程体系的特点进行了讨论与总结,为高等学校虚拟现实技术本科专业课程教学提供了参考。

虚拟现实技术用于龋坏识别教学

目的:基于虚拟现实牙科模拟系统UniDental开发龋坏识别软件,应用于口腔医学专业本科生临床前期龋坏识别教学,提高学生识别龋坏组织的能力。方法:基于UniDental系统进行龋坏识别软件开发,在软件中建立抽象龋洞模型,将龋洞分为浅、中、深3层,各层内赋予相同的硬度值和粗糙度值,其中硬度值随深度增加而增大,粗糙度值随深度增加而减小。被试选取北京大学口腔医学院2014级口腔医学专业临床前期教学阶段学生64人,使用Unidental系统的龋坏识别软件,操作力反馈手柄,分别在龋洞模型的浅层、中层、深层进行垂直向硬度探查和水平向粗糙度探查操作培训,完成培训后进行问卷调查,以1~5分评价各项力反馈效果的真实性和对龋坏识别能力提高的帮助度,选择个人倾向的教学模式,并进行相应的统计学分析。结果:各层硬度、粗糙度及其各自变化梯度评分的中位数均为4,表示比较真实;浅层、中层、深层硬度评分结果对硬度变化梯度评分的影响均有统计学意义(P<0.05);浅层、中层粗糙度评分结果对粗糙度变化梯度评分的影响有统计学意义(P<0.05);本实验对学生能力的提高比较有帮助(中位数为4),各层硬度和硬度变化梯度评分结果对学生能力提高帮助度的影响有统计学意义(P<0.05);90.4%的学生支持传统离体牙教学模式。结论:虚拟现实技术对学生龋坏识别能力提高比较有帮助,但无法取代传统教学,可作为传统离体牙教学模式的补充。

虚拟现实学习环境下力反馈交互促进技能习得的实验研究

虚拟现实技术变革传统教育,已经纵深至医学、建筑学等学科领域。文章围绕“知能发展”这一创新人才培养目标,以技能习得为研究主题,通过分析传统医学教育中手术技能习得难以实现的诸多困境,提出虚拟现实技术构建的学习场景能够促进学习绩效提升,并以此开展了实证研究。准实验基于我国自主研发的虚拟手术系统,面向北京航天总医院手术技能培训实验中心的医学临床高年级学生进行。在GOALS评价框架下,探究VR学习环境中,力反馈交互对手术技能习得在深度感知、组织处理能力、双手协调性和手术效率方面的影响。研究表明:加入力反馈交互学习可正向影响手术技能习得。结合数据分析、专家和被试访谈,提出研究启示,为VR智能医教的应用发展提供借鉴。

虚拟维修技术研究与应用

针对虚拟维修在建模与仿真等核心环节的研究中存有很大局限的问题,提出了虚拟维修方法体系,探讨虚拟维修理论与方法,在此基础上开展虚拟维修模型与仿真控制方法的深入研究.提出虚拟维修模型即维修任务网(MTN,Maintenance Task Net),MTN基于Petri网可描述维修过程,可表达维修过程中资源、活动和约束.提出MTN驱动虚拟仿真的触发规则及建立控制虚拟维修仿真机制.通过飞机典型设备维修案例对提出的虚拟维修模型和控制机制进行了实例验证,应用结果验证了建模与仿真方法的有效性,为支持维修性工程应用提供了可行的技术途径.

计算机触觉:虚拟现实环境的力触觉建模和生成

触觉是人类5种感觉通道之一,在日常生活中发挥着不可缺少的作用.在虚拟现实和增强现实系统中,力触觉反馈的引入有望显著提高人机交互的沉浸感和交互性.文中综述了虚拟现实环境中力触觉感受的建模和生成方法,从力触觉生成与视觉生成的差异性出发,回顾了计算机触觉的发展历史和国内外研究现状,重点分析了虚拟物体建模、碰撞检测、碰撞响应、变形计算等关键技术,并提出了力触觉生成技术的未来发展趋势和技术挑战.

基于增强现实的遥现系统研究

传统遥现技术大多利用视频采集传输系统,让用户产生远端临场感,但因为缺少深度信息,很难产生较高的沉浸感,实用价值不高。利用虚拟现实中的增强现实理论,通过双路视频,获取远端场景的深度信息,并将目标对象从视频中提取出来与虚拟场景相结合,搭建一个新型的增强遥现原型系统。系统构建于internet的环境中,重点解决了双路网络视频同步传输,立体视觉深度提取,虚实场景融合三个问题,获得了良好的沉浸感。最后本文以虚拟会议室为研究对象,验证该系统的可行性。

虚拟现实核心课程教学改革的探索与实践

在竞争激烈的人才市场中,培养出专业技能突出、岗位适应能力强的学生是专业发展的根本。通过多年的教学、管理、实践和校企合作经验,分析了山东省虚拟现实人才需求和人才培养之间存在的问题,采用"校企共建、项目主导"的模式,包括订单、项目和工作室。总结了高职院校虚拟现实核心课程教学改革的实施思路、措施、成果和创新点,提高了学生对口就业率,为下一步更好的教学奠定了基础。

基于中文语音交互的虚拟装配技术研究

虚拟装配系统通常依赖力反馈、体感设备作为交互工具,采用"抓取"、"拖拽"等直观的手势完成产品的装配。当遇到精细零件模型的装配时,往往达不到预想的结果。针对这一问题,提出了一种基于中文语音指令交互辅助控制虚拟装配的方法,并设计了一套自行车虚拟装配系统,通过实验验证了方法的可行性。为了解决多人环境下的操作者确认问题,综合利用Kinect的骨骼跟踪和语音识别功能确定操作者,并识别其语音指令;根据零部件的物理连接关系和装配约束关系,定义了零件的层次化优先级模型,并在此基础上基于推荐规划装配序列,提高了易用性,降低了识别的错误率。

远程沉浸:虚拟照进现实

北京航空航天大学虚拟现实技术与系统国家重点实验室在下一代互联网上开展了一系列的远程沉浸技术研究工作，让真实人体实时进入虚拟世界中。

虚拟平台推动科研现实

实时重建增强虚境 随着计算机虚拟现实和网络技术的不断发展和普及，传统的文字、图片、音频以及视频等交流媒介已经不能够满足人们的需求。

混合现实电子沙盘虚拟对象的手眼协同交互设计研究

目的面向混合现实电子沙盘虚拟3D对象,开展3D交互性能与用户体验研究与评估,提出交互设计原则和设计建议。方法针对混合现实环境下双手可触范围外的虚拟对象“选择”任务开展交互设计研究,引入虚拟对象布局排列方式作为评估变量,在3种典型的虚拟对象布局情况下,分别进行手控光线、头动、眼动与手势协同的3种交互方式性能及用户体验对比研究。通过设计原型实验系统,进行用户体验测试,实验数据分析与评估,验证交互设计原则,提出交互设计建议。结论实验结果显示眼动与捏合手势结合的手眼协同交互方式在时间、任务负荷及用户偏好方面都具有显著优势。手控光线与手势协同交互的准确性最优,并且这一优势在任何一种布局方式中都有所体现。建议混合现实环境下的“选择”任务交互设计要注重功用性、持续性和愉悦性原则,提出了降低“选择”任务交互的工作负荷与疲劳及增强新颖交互提升愉悦性的设计建议。

电动式操纵负荷系统多余力抑制技术研究

多余力是影响飞行模拟器操纵负荷系统力感跟踪性能的主要因素。传统多余力抑制方法如PID控制和前馈补偿,具有力感跟踪精度低,响应速度慢的缺点。针对上述问题,提出了基于变论域模糊控制、前馈补偿的复合控制策略。首先建立了飞行模拟器操纵负荷系统的数学模型。然后分析了多余力的产生原因。最后采用了变论域模糊控制,PID控制和前馈补偿来提高系统性能。通过计算机仿真分析,证明了上述复合控制策略可以有效抑制多余力,提高系统抗干扰能力,提高系统的响应速度,改善系统性能。

“虚拟现实+触觉反馈”对学习效率的促进机制研究--基于2010-2021年的元分析

虚拟现实(VR)不仅扩展了学习场域,丰富了学习体验,也为稀缺教育资源提供了有效的呈现方式。然而,由于VR主要依附图像处理技术,其在教育场域下的应用大多停留在知识观察层面。当学习者对观影模式的新鲜感褪去,诸多挑战(交互性不及时、临场感不强等问题)也随即暴露出来。近年来,触觉反馈(Haptics)逐渐成为人机交互的发展前沿,在很大程度上突破了VR单一的视觉刺激之局限。一些研究者开始探索“虚拟现实+触觉反馈”(VR+Haptics)的教学模式,以期调动学习者听觉、触觉、力觉、运动等多感知的刺激反应力,增强学习者的临场体验和心流体验。为了深入探索VR+Haptics在教学中的有效性,挖掘影响这一教学方式的调节变量,基于WoS、Scopus和中国知网三大数据库,对2010年6月到2021年6月期间发表的3698篇学术文献进行筛查。通过对筛选出的42个研究数据进行元分析(Meta Analysis)后发现:(1)从整体效应上看,VR+Haptics相对于传统VR环境,能显著提升学习者的学习效率;(2)通过对三个调节变量影响效应的分析发现:VR+Haptics更适合技能训练、无经验学习者和延长测试教学设计。继而,进一步分析了其在知识理解、生理反馈和远程协作三个教育场景上的应用方式。这一研究在理论上,丰富了心流理论和具身认知理论在VR教学中的内涵;在实践上,为设计高效的“虚拟现实+触觉反馈”教学场景,提供了重要的数据参考。

基于软体机器人与VR技术的手部康复系统的设计研究

目的脑卒中的高致残率导致患者在术后仍需进行长时间的康复治疗,进而增强其瘫痪侧的运动能力,提高生活质量,因为手部在ADL中起着尤为重要的作用,故对患者手部功能的恢复是康复治疗的关键。研究一种基于软体康复机器人与VR技术相结合的手部康复系统,探究该系统对康复过程中大脑皮层激活的影响。

虚拟现实中的云阴影实时生成方法研究

虚拟场景中的阴影能够反映出空间中物体之间的相互遮挡关系,提供视觉线索帮助我们理解物体在场景中的位置,增强虚拟场景的真实感。云是自然界中一种复杂的自然现象,外观形状极不规则,没有确定的表面和边界。由于云的这些复杂的特性,在虚拟场景中对于云阴影的模拟并不多见。针对这个问题,结合阴影图算法与云的模拟算法,提出了一种在地面模拟出云阴影的方法;并能根据云的密度计算出不同明暗程度的阴影光照效果。同时对由阴影图算法本身产生的走样问题作了相应处理。实验结果表明,该方法能够高效、真实地模拟出虚拟场景中的云阴影。

颈内动脉虹吸部血流的数值计算和模型实验

目的研究不同几何构型颈内动脉中的血流动力学因素,分析其构型和动脉狭窄的关系,为颈内动脉狭窄的风险预测和早期诊断提供一定的血流动力学基础。方法对两种常见形状的颈内动脉——U形和V形在定常流条件下的流场分别进行数值模拟和粒子成像测速的实验研究。结果在其中较上游的弯曲处,血流动力学因素与弯曲曲率存在单调的相关关系,V形在此处的狭窄风险小于U形。但是在下游的弯曲处,由于两个弯曲的叠加效应,其血流动力学因素与此处的曲率不存在单调的相关关系。结论弯曲动脉的曲率和动脉狭窄的风险成正相关关系。但是在连续多个弯曲的动脉中,则需考虑弯曲的叠加效应。对此叠加效应的研究有助于解释多弯血管内狭窄多发的原因。

基于小样本的试验系统可信度评估方法

针对小样本试验数据信息匮乏、难以利用概率统计方法进行可信度评估的问题,将重抽样方法与小样本区间估计方法相融合,提出了小样本试验系统新型可信度评估方法。利用重抽样理论,获取多个具有相同样本量的相似小样本。根据灰色系统理论,提出了改进的灰色置信度及置信区间的定义及计算方法。并在此基础上通过求公共区间的方式计算原小样本数据的灰色置信区间。该置信区间在相同的置信度下,区间宽度更窄,精度更高。通过算例仿真,验证了上述方法的合理性、有效性,对工程试验中的小样本数据系统评估提供了一定的方法指导。