虛擬現實和增強現實技術在創傷急救教學中的應用

江妍霞 張美珍 胡小妹 王蕓蕓

（南昌大學第一附屬醫院 江西·南昌 330006）

全球每年約有500萬人死于創傷，嚴重創傷已成為當今世界公共的健康問題，創傷急救如處理不當會直接影響傷員的預后，導致致殘率、致死率上升。[1]切實掌握創傷急救技術是每個醫學生應具備的基本能力。然而，緊張、混亂、急迫的創傷情境及救治經過一旦發生，不能再還原，無法在實驗室或技能訓練室真實地再現，受訓者缺乏實操前模擬訓練的機會，且真實場景下沒有反復訓練的機會。傳統教學下，學生雖然掌握了理論急救知識，但到了急救現場，往往不知所措，無法學以致用，嚴重影響創傷救護的教學效果，成為創傷急救教學的痛點難點。近年來，隨著信息化技術的迅速發展，新的教學方法正在不斷涌現，虛擬現實技術和增強現實技術的三維立體感和虛實結合沉浸感讓學生獲取更直觀、更真實的信息，有助于學生深入理解和掌握創傷急救的知識和技能，在創傷急救教學中具有廣闊的應用前景。

1 虛擬現實和增強現實技術的概念和起源

虛擬現實（virtual reality，VR）是一種集成性的信息技術，綜合了計算機圖形圖像處理、互聯網、傳感器、多媒體、人機交互、仿真系統等多種技術，可以為人們呈現一個具有較強沉浸感、模擬真實環境的虛擬世界。[2]VR最早起源于美國，1965年虛擬現實之父伊凡·蘇澤蘭（Ivan Sutherland）首次提出了包括具有交互圖形顯示、力反饋設備以及聲音提示的虛擬現實系統的基本思想。增強現實技術（Augmented Reality，AR）是虛擬現實領域中一個重要的分支，是在VR的基礎上發展起來的，包含了多媒體、三維建模、實時視頻顯示及控制、多傳感器融合、實時跟蹤及注冊、場景融合等新技術與新手段。[3]通過將計算機生成的虛擬物體和場景無縫嵌入到真實世界中而產生的一種特殊可視化環境，用戶通過戴上AR眼鏡、數據手套等特殊設備便可以進入該環境中進行人機交互，通過計算機技術和信息技術的結合，增強了用戶與環境中真實或虛擬物體的交互，實現了現實與虛擬的無縫連接。因其有著顯著的3大優點：虛實結合、實時交互、三維配準，有望成為提高人們生活品質的一項重要技術。[4]兩項技術的最大差異體現在用戶沉浸感，VR沉浸在完全虛擬的環境中，AR則借助于設備，使虛擬環境中的物體疊加到真實場景中，并與真實場景交互。我國虛擬現實領域的研究起步于20世紀90年代，隨著計算機圖形學、計算機系統工程的高速發展，虛擬現實和增強現實技術得到越來越多的重視。AR技術在全球制造/資源、政府（包括軍事）、零售、建筑、醫療保健、教育、交通運輸、金融服務、公共事業方面都得到應用，并且具有比VR技術更加明顯的優勢。[5]

2 虛擬現實和增強現實在教育領域的運用

隨著科學技術不斷發展、教育觀念不斷更新，在教育教學領域中，虛擬現實領域的發展和完善對我們的傳統教學模式產生了巨大的沖擊。虛擬現實可以通過對資源合理的組織，將教學內容通過交互式的三維空間動態視景生動地呈現于學習者面前，面前因枯燥乏味的教學理論所導致的學生學習積極性不高的情況，能夠得到有效的緩解，從而提高教學效率，改善教學效果。同VR技術相比，AR可以讓現實的物體場景和數字化虛擬對象很好地融為一體，有著更強的真實感，三維建模工作量也大大減少，[6]因此在實踐類、場景識別類的教育領域應用更為廣泛。雖然AR在教育領域的應用研究尚處于探索階段，國外已經開發了較為成熟的系統，并結合相關的教學理論和學習理論進行了多方面的論述。國內高校也陸續開展相關研究工作。如北京師范大學研發的“未來之書”，利用增強現實的圖像識別、三維成像等技術克服傳統圖書的不足，帶來了新的教學模式和方法。

3 虛擬現實和增強現實在創傷急救教學中的應用優勢和發展前景

創傷急救要求學生必須掌握大量的急診救治技術，如外傷急救（止血、包扎、固定、搬運）技術、心肺復蘇術、環甲膜穿刺術、胸膜腔穿刺減壓術等，而上述技術的培訓需要多次強化訓練才能讓受訓者真正掌握。反復的急救技能培訓需投入大量的人力物力成本，創傷事件的不可復制性無法全仿真模擬現場環境，醫學生無法熟練掌握在不同環境下的救援技能，嚴重影響了教學任務的實施效果。近幾年來，VR技術發展迅猛，相對于傳統的模擬訓練方式，可以更真實地模擬患者視角或醫師視角，從而增強現場感。創傷急救技術是相關專業學生必須牢固掌握的臨床技能，把傳統的面授教學與網絡教學進行有機結合，以達到較好教學效果的方法。結合創傷急救教學面臨的問題，VR技術的應用具有寓教于樂激發學生學習興趣，全仿真模擬技能培訓、提高培訓效果，可重復訓練，節約教學資源，降低實踐教學成本，可多人協作等優勢。以交通事故現場為例，通過設計創傷案例，將虛擬現實技術用于創傷急救教學，再現急救現場及完整的急救處理過程。解決創傷情境不能再現的教學難題，并且運用虛擬現實技術可以避免危險和傷害，通過訓練讓學生掌握正確的急救思維和操作流程。可以完成較全面的知識點學習，如通過對虛擬傷員進行問診，培養學生病史采集技能；通過對虛擬傷員體格檢查，培養學生在創傷急救中重點查體技能；通過對虛擬傷員癥狀及體征的判斷，培養學生傷情評估技能；通過在虛擬傷員上反復操作訓練，培養學生創傷急救基本操作技能；通過不同截點及處置導致的傷情演變體現急救的時效性，培養學生急救思維及資源配置技能；通過與虛擬傷員的交互，培養學生人文關懷的職業素養及醫患溝通技能；通過多人交互模式，培養學生團隊分工協作技能。

在創傷急救教學中，目前國內普遍處于使用虛擬現實技術的階段，作為虛擬現實的延伸，增強現實技術在該領域的潛力不容忽視。AR可以將抽象的學習內容變得更加形象化，學生可以通過設備從多個角度對虛擬的3D模型進行觀察交互。提升學生的存在感、專注度、主動性。[7]增強現實教育系統為學生提供了一個特殊的學習空間，使學生的存在感加強，及時地反饋語音、畫面等。使用自然方式交互學習對象，增強現實的體驗，增強了學生的實際運用能力。隨著AR技術的突飛猛進，AR眼鏡由70度FOV實現到110度的FOV的提升，使得我們可以通過3D建模技術重建整個現場場景，并向AR眼鏡全視場輸出該虛擬場景。通過與光學大空間定位技術結合，參訓人員和訓練模型的位置被實時定位并映射到虛擬場景中，而在參訓人員到達模型可操作區域時，空出模擬人可操作區域，便于使用急救器械進行急救實操訓練，以實現院前急救技能操作的虛實融合。并且通過動作捕捉系統實現對于人表情和動作的捕捉，結合3D模型制作過程中臉部及肢體的運動捕捉，實現動作制作過程的自動化，大大提升動畫制作效率。所捕捉的人的體征和表情則通過AR技術貼合到模擬人的相應位置上，結合病例數據庫在虛擬院前急救訓練中實現模擬人的表情和體征的動態變化，以提升真實感。AR輔助教學將成為未來的發展趨勢，通過AR技術，線上線下虛擬現實結合的團隊式訓練，應用現實病例還原，創造逼真的臨場真實感，模擬多種事故、災害現場，再現完整的急救處理過程，充分訓練學員現場應對、急救思維、規范操作及團隊協作等綜合救治能力，可以用于廣大醫學生、醫務工作者、應急救護人員、社會團體的急救培訓及演練。

將VR、AR技術應用于創傷急救教學，是適應當今急診醫學教學模式的有益探索。雖然其應用目前存在一定的局限性，如場景相對固定、硬件與經濟成本高等，有待進一步完善。隨著技術的不斷發展以及設備的不斷改良，虛擬教學與傳統教學將有機融合，并結合創傷急救的特點，逐步探索虛實結合的教育新模式，最終達到AR技術與模型、虛擬數字標準化病人及多種3D全虛擬創傷現場場景的多元化虛實融合，實現急救過程的完整模擬，讓受訓者身臨創傷情境并可同步實操訓練，從而熟練掌握創傷院前救治技術，提高院前救治成功率。