虛擬現實技術在急診醫學教育中的應用

李一凡 王 晶 王長遠

虛擬現實(virtual reality，VR)是近年來發展最為迅速的多學科交叉新技術，其高度模擬了真實世界或想象世界中的情景，并且可以讓操作者在這個虛擬的情景中與周圍事物進行交流互動，使操作者親身體驗虛擬情景中事物的變化，與虛擬模擬環境中的人物進行語言和動作交流等。在醫學領域中VR技術主要用于康復訓練、手術模擬、人體解剖學、臨床教學、遠程醫療、災害救援培訓、心理治療和針灸研究等[1,2]。目前VR越來越多地用于培訓醫療專業人員。急診專業和許多其他專業一樣，傳統的培訓模式仍然存在，在患者的診斷、治療和處理過程中，真實患者仍然是臨床教學中的不可缺少的一部分。但是一些有創的臨床操作和團隊合作能力等非技術技能的培訓很難在真正的患者身上進行。VR技術和計算機高仿真技術的持續發展為醫學教育提供了基礎，VR可以創建真實的學習環境，提高學習者的積極性和參與度，改善學習的情境以及發展卓越的技術技能和非技術技能，已經顯示出巨大的教學應用前景。

一、VR的概念及分類

虛擬現實(virtual reality，VR)這一名詞首先由美國VPL公司的創始人Lanier在20世紀80年代初提出，也稱靈境技術或人工環境[3]。VR是應用計算機技術模擬生成一個具有三維空間的虛擬模擬世界，并且能夠向操作者提供仿真的觸覺、視覺和聽覺等感官的交流互動，讓操作者如同置身在真實的場景中，感知三維世界中的事物的變化。為了滿足視覺、觸覺和聽覺等多個感官上的模擬需求，VR技術需要的設備一般包括語音識別設備、數據感觸設備、耳機、立體眼鏡、操控桿和鍵盤等設備[4]。

VR技術又可分為沉浸式VR技術和非沉浸式VR技術。沉浸式VR技術要求用戶戴上VR頭盔，應用計算機模擬技術產生一個三維立體空間的虛擬模擬世界，操作者幾乎與外面的現實世界一切聯系中斷，能夠與虛擬對象實時交互信息, 仿佛置身在真實的現實世界中[5]。非沉浸式VR也稱為桌面式VR, 使用者主要借助計算機和其鍵盤、鼠標、攝像頭和話筒等計算機輔助設備, 應用三維制圖軟件在計算機屏幕上生成的窗口式虛擬環境, 或者是通過現代攝像技術在實際圖像基礎上進行計算機處理模擬生成的虛擬的仿真環境，與沉浸式VR比較，非沉浸式VR仿真性較差，對真實世界的模擬性不強。目前臨床上所說的VR一般是指沉浸式VR。

然而，對于醫學領域來說，使用V?elter等[6]提出的VR分類可能更為準確。他將VR技術分為4類，即沉浸式VR、桌面VR、偽VR和逆向VR。沉浸式 VR 將用戶完全融入到計算機模擬出的虛擬世界中，而桌面 VR 的不同之處在于用戶沒有完全融入到虛擬世界中，但仍能夠在計算機屏幕上觀察和管理虛擬世界。偽VR是指用戶可以控制計算機動畫并觀察動畫的系統，但是沒有進一步的交互，例如，可以旋轉三維(3D)解剖模型來改進學習，但不能將其扭曲或變形。逆向VR是指通過頭戴式顯示器上呈現虛擬圖像，從而將虛擬世界疊加到真實世界上。例如，為了使外科手術醫生能夠查看清患者面部的內部解剖結構，創建了一個程序來幫助在頜面手術中疊加在患者表面解剖結構上，換而言之，外科醫生幾乎能夠看清患者的皮膚及其內部結構。

二、VR的特征

沉浸感是VR技術與其他計算機應用技術比較明顯不同的一個重要特征。沉浸感的概念最早來源于沉浸理論，主要是指一個人全身心投入到某件事情上，達到忘我狀態的感覺[7]。完全沉浸在某種情景和事物之中，會有極高的欣快感、充實感和成就感,不斷學習和探索,克服一切困難，努力達到新的學習高度。VR技術能幫助操作者更加生動、形象和直觀體驗真實的場景。在醫學教學中，可以模擬真正的臨床患者的生理和病理狀態、診療環境和治療目的，模擬緊急情況，反復進行操作演練，同時克服了空間和時間限制。沉浸感使操作者具有強烈的參與感、真實感和成就感，極大地提高了學生的學習興趣和積極性，顯著提高了學習成績[8]。

交互性是VR技術的另一特征，可實現操作者通過某些器械對虛擬環境中的特定對象進行各種操作，操作效果可以及時反饋給操作者，使操作者可以快速改正自己的操作方法，糾正錯誤。在醫學中VR技術可以模擬醫生與患者交流互動，操作者可以應用虛擬手術器械進行腹腔鏡、關節鏡等各種手術虛擬操作，計算機反饋系統可以對操作者的各種操作及時進行反饋，從而使操作者根據計算機反饋信息及時糾正錯誤，調整手術操作動作和流程[9]。

VR技術具有豐富的構想性，VR留給用戶極大的想象空間，操作者可以根據自己的特點，自由發揮自身潛力，不斷開拓自己認知領域，對未知事物做出勇敢的嘗試。因此VR系統把主動權交給了操作者，從而使操作者發揮自己的想象力和創造力，主動地去探索身邊未知的世界。

三、VR在急診醫學教學中的應用

在急診臨床工作中，經常會用到心肺復蘇和深靜脈穿刺等單項操作技能，因此對醫學生進行這些單項急救技能培訓非常重要。由于心肺復蘇、深靜脈穿刺和氣管插管等操作會對患者造成傷害，因此這些操作技能培訓不可能在真正急診患者身上進行。急診年輕醫生和實習生面臨著臨床實踐機會少、教學資源不足等問題，同時單純的技能操作模型仿真性差，因此培訓效果欠佳[10]。應用VR技術能有效模擬出真實的臨床工作場景和虛擬患者，有效克服教學資源不足的問題，確保醫學生熟練進行各種急診有創技能操作，達到及時救治患者的目的。例如急診常見的深靜脈穿刺培訓中，利用VR技術可以使醫學生能夠看到要穿刺的動脈或靜脈的位置，在特定的急救場景中反復訓練，熟練掌握操作技能，達到良好的教學效果。

在急診醫學教學過程中，除了要培訓心肺復蘇、氣管插管等單項技能操作能力外，更需要把急診醫學教學重點放在培養醫學生敏銳的臨床思維能力、情景意識、領導能力和團隊合作能力等非技術技能上[11]。在真正的急診臨床救治患者過程中，心肺復蘇、氣管插管等單項技能操作能力不是搶救成功的關鍵，而團隊合作能力等非技術技能才是成功救治患者的有效保證[12]。應用VR技術進行急診非技術技能培訓，克服了傳統的急診醫學培訓的缺點，傳統的團隊合作能力等非技術技能培訓多通過書面或視頻進行講解，學生興趣不高，教學效果差。而VR技術可以模擬各種急診搶救場景，VR系統會隨著時間的推移而發生各種病理和生理變化，醫學生可根據這些變化進行各種有創或無創的臨床操作，不同的臨床操作會在虛擬患者身上產生不同的臨床效果，從而獲得各種虛擬臨床診療信息，學生有身臨其境的感覺，可多人進行互動合作，培養任務管理、團隊合作、情景意識和決策能力等非技術技能。

VR技術還可以用于急診顳骨剝離術、急診血管吻合等急診創傷手術培訓[13]。在這些急診手術培訓中，VR技術可以提供可視化的人體解剖模型，使學生可以清晰地看到手術部位，方便醫學生進行手術操作。同時在這些手術操作過程中允許學生犯錯誤，在錯誤中學習正確的手術知識和方法，這些VR技術都非常受醫學生的歡迎，具有很大的發展潛力。

四、展 望

VR技術代表了醫學教育的未來，盡管這項技術還處于起步階段，但目前的教學應用已經證明了VR是有效的教學工具。在急診醫學教學中要充分發揮VR技術的交互性、沉浸感和構想性的特點,通過VR技術進行培訓以提高醫學生的學習興趣, 增強臨床技能操作能力。隨著計算機和工程技術的飛速發展，VR已經體現出在醫學教育方面巨大的發展潛力。雖然VR具有成本高和容易導致學生視覺疲勞等缺點，但隨著科學技術的發展，這些問題一定會得到解決。目前在VR基礎上發展的增強現實(augmented reality，AR)技術和混合現實(mix reality，MR)技術也逐步應用于醫學教育，這些技術把虛擬世界和真實世界結合起來，互相擬補不足，能夠提高臨床教學效果，隨著VR、AR和MR技術的廣泛應用，將顯著提高我國的醫學教育水平。