虛擬現實醫療護理系統設計與應用的研究進展

趙彬雨 ，吳 桐 ，馮國和 ，曹梅娟 *

1.杭州師范大學醫學部，浙江 311100；2.杭州師范大學附屬醫院

虛擬現實(virtual reality,VR)技術日益完善，設計和服務不斷創新，在軍事、娛樂、教育、醫療等各個行業得到廣泛的關注。國家“十三五”規劃綱要和2019年民政部發布的《關于進一步擴大養老服務供給、促進養老服務消費的實施意見》均強調支持虛擬現實技術創新發展，且后者著重鼓勵其在健康管理和健康促進中的應用[1-2]。目前，虛擬現實技術憑借其獨特的優勢在疼痛護理、心理治療、康復訓練、遠程護理等多個方面展示出廣闊的應用前景[3]。本研究總結了虛擬現實醫療護理系統設計和應用過程中面臨的現實困境，總結并提出相應的對策，以期更好地將虛擬現實技術融入醫療護理領域，為促進虛擬現實醫療護理系統的完善和發展提供參考。

1 虛擬現實技術概述

虛擬現實技術是指利用計算機技術和傳感器技術構建的三維仿真環境，調動人的視覺、聽覺、觸覺等多個感官，實現身臨其境的體驗[4]。目前其在醫療護理領域主要應用于以下幾個方面：①疼痛護理，通過虛擬場景或互動游戲分散病人對疼痛的注意力，降低疼痛感知[5]；②心理治療，利用虛擬現實技術創建虛擬場景，引導病人進入特定情景狀態并逐漸適應該環境，包括創傷后應激性障礙、恐懼癥、自閉癥、精神分裂癥等的治療[6]；③康復治療，通過模擬日常生活行為或以游戲方式活動肢體，實現康復訓練[7]；④遠程醫療護理，醫護人員對虛擬病人實施臨床操作，通過網絡將動作傳達給機器人或其他輔助設備，由其對病人進行相應的操作[8]。在以上幾個領域充分展示其沉浸性、交互性和想象性三大特點，發揮無法替代的優勢。

1.1 沉浸性 指通過多感官體驗使用戶完全融入計算機生成的虛擬世界中，甚至忽視所處的現實世界[9]。在疼痛護理中，虛擬現實鎮痛技術憑借強烈的沉浸感可獲得病人更多的注意力，比傳統分心鎮痛更能顯著降低疼痛感知[10]。此外，許多傳統的認知訓練和心理治療都依賴將病人暴露于真實環境中或想象特定環境，存在真實世界危險性、病人想象能力差異性等局限，虛擬現實技術憑借其高度真實感和沉浸感可有效彌補這些不足，實現安全暴露和訓練，提高干預的有效性[11]。

1.2 交互性 指處于虛擬世界的用戶通過聲音、語言、動作等方式與虛擬環境中的各類對象進行交互活動，實現自然的交互體驗感受[9]。一方面，和諧的人機交互可促進虛擬環境與客觀現實融合，加深沉浸體驗[12]；另一方面，虛擬現實交互體驗可活動病人肢體，達到康復訓練和認知訓練的目的[11]。另外，虛擬現實醫療護理系統通過提供可重復且標準化的虛擬環境和交互行為，可廣泛擴大病人的受益范圍，有效緩解我國護理人力資源不足的問題[11]。同時虛擬現實技術也有助于實現遠程體檢、遠程會診等護理項目[3]，打破時空界限，節約時間成本，且在一定程度上增加病人治療時間選擇的自主性和靈活性。

1.3 想象性 指用戶沉浸于虛擬環境中，通過主動探尋信息獲得理性和感性的認識，進而深化概念，產生新意和構想[9]。該特點在健康教育中發揮著重要作用，可使專業術語和抽象概念形象化、具體化，病人通過觀察、操縱虛擬對象，易于增加對疾病的認識與理解，提高自我管理水平[13]。在孤獨癥患兒的應用中，對患兒抽象思維能力和語言能力的培養有較大益處，為克服情緒障礙、社交障礙等提供幫助[12]。

2 現實困境

2.1 虛擬現實醫療護理系統尚處于起步階段，其設計質量有待提高 目前，虛擬現實醫療護理系統處于起步階段，在設計方面仍存在諸多問題。在設計原理層面，運用不同的醫學原理可導致治療和護理效果有較大差異；其次，較多虛擬現實醫療護理系統在設計階段未充分把握虛擬現實技術及心理學相關原理，可影響病人的依從性和體驗感[14]。在設計內容層面，不少虛擬現實醫療護理系統缺乏個性化、多樣化和多功能化[15]。如老年人因易抵制變化、學習能力較差，對新技術的接受度比年輕人更低[9]，且有研究表明接受療養院治療、輔助生活和獨立生活等不同護理程度的老年人對虛擬內容有不同偏好，包括虛擬旅行、繼續教育、回憶性內容、保健和治療相關內容等[16]，而部分系統提供的場景和內容較為單一，欠缺個性化和多樣化的設計。此外，老年人可同時存在平衡功能、認知功能等多功能障礙問題，但多數虛擬現實醫療護理系統僅關注提升改善其中一方面能力，欠缺多功能化設計，不利于病人的全面康復[17-18]。在設計規范性層面，大部分虛擬現實醫療護理系統欠缺設計理論或框架的指導，存在科學性和嚴謹性不足的風險，且絕大多數為小樣本、短期的隨機對照試驗，其試驗結果的準確性有待商榷[6,19]。

2.2 虛擬現實醫療護理系統改變了傳統的醫療護理方式，成本大幅增加 相比傳統的醫療護理方式，虛擬現實醫療護理系統雖然有助于減輕人力資源不足的負擔，但需借助設備達到更好的治療和護理效果，初始運行成本較高，推廣受限。在軟件開發層面，虛擬現實醫療護理系統需同時兼顧臨床效果和用戶體驗，要求護理人員、虛擬現實開發人員、策劃人員等多學科團隊密切合作，增加了人力成本[20]。此外，虛擬現實醫療護理系統設計完成后還需根據試驗效果和病人接受度反復修改、提升場景內容和交互形式，進一步增加軟件開發成本[21]。在硬件設備投入中，一套完整的虛擬現實系統常包括頭盔顯示器、高性能計算機、操作手柄、頭部跟蹤器等多個部分[22]，而虛擬現實醫療護理系統為達到更好的臨床效果常增加額外的設備，如跑步機[23]、機器人手臂[24]等，更加重了成本。在后期維護中，硬件維修、軟件更新以及管理費用都需要持續的資金投入[6]。

2.3 虛擬現實醫療護理系統需使用專門設備，易引起暈動癥狀及其他不良反應 由于技術水平受限，使用虛擬現實設備后易發生視覺誘導暈動癥(VIMS)，也稱暈屏癥[25]，其癥狀主要表現為臉色蒼白、冷汗、惡心、嘔吐、眼部不適、方向障礙等[26]。VIMS的發生率較高，Regan等[27]的研究發現，使用虛擬現實設備的20 min內，60%的用戶會出現VIMS，且癥狀可持續5 h。國內外多個虛擬現實醫療護理系統在試驗階段均有病人發生VIMS，絕大多數癥狀較輕，但仍在一定程度上影響到干預的進程和病人的接受度[28-29]。此外，在應用中還發現，封閉空間中使用虛擬現實頭盔顯示器因其過熱可引起干眼癥，藍光可引起視網膜損傷[30]，設備產生的視覺刺激可引起高危人群癲癇發作[31]，患有特定恐懼癥（如恐水、恐高）的病人在虛擬世界中面臨特定場景可出現極度恐懼[29]，這不僅干擾疾病治療、降低病人依從性，而且不利于健康。

2.4 虛擬現實護理方式的出現，對護理人員的能力提出新的挑戰 護理人員的設計能力和應用能力也是影響虛擬現實醫療護理系統發展的關鍵因素。在設計過程中，虛擬現實醫療護理系統設計開發的門檻高，而護理人員大多缺乏計算機領域專業知識的儲備，較難將虛擬現實技術與臨床護理緊密結合[32]。盡管可通過跨學科合作或公司承包的方式部分彌補護理人員對虛擬現實的認識不足，但最終的應用效果仍很大程度取決于護理人員自身對產品設計的把握。在應用過程中，多數護理人員對虛擬現實醫療護理系統較為陌生，不易辨別適用對象、把握干預頻率和“劑量”，且難以在臨床操作中解決突發情況[33-34]。

2.5 虛擬現實醫療護理系統的普及，可能存在倫理隱患 隨著5G技術和計算機技術的不斷發展，未來可能普及虛擬現實遠程醫療護理，但可能帶來多種問題：第一，虛擬現實醫療護理系統的社區化、家庭化使病人長時間面對虛擬人物和機器，減少護患溝通，導致人文關懷相對不足或缺乏，不利于及時發現和減輕病人孤獨等不良心理狀態[15]。第二，虛擬現實醫療護理系統可能帶來類似游戲成癮的問題。逼真的虛擬場景和有趣的交互行為比網絡和電子游戲更易讓人成癮，尤其是青少年病人[35]，當虛擬現實醫療護理系統帶來樂趣的同時可以有效緩解病人的痛苦，或許會增加病人對其的依賴性[15]。第三，虛擬現實醫療護理系統的使用需采集病人基本信息和生理、心理、行為反應等數據，存在用戶隱私被侵犯的風險，且其中一些深層次數據可能涉及對個人行為和意識的調控[36]。

3 對策

3.1 以病人為中心完善設計，提高虛擬現實醫療護理系統的質量 在設計原理層面，應充分發揮多學科團隊合作的優勢，根據病人病情選擇適合的干預原理，并基于虛擬現實技術和心理學相關原理，保證治療效果的基礎上提供良好的體驗感，增加依從性[14]。在設計內容層面，護理人員可觀察和參與病人的生活，并通過訪談等途徑了解不同群體的病人需求、對待虛擬現實技術的態度及偏好等信息，從而有助于站在病人角度開發個性化、多樣化和多功能化的虛擬現實醫療護理系統[15]。在設計規范性層面，Birckhead等[19]以美國食品和藥物管理局(FDA)Ⅰ～Ⅲ期藥物治療模式為指導，結合文獻研究及21名國際專家的建議，最終制定虛擬現實臨床研究設計的三階段框架，即虛擬現實1、虛擬現實2和虛擬現實3。虛擬現實1側重以用戶為中心的內容設計；虛擬現實2側重評估虛擬現實醫療護理系統的可行性、可接受性、耐受性和初步療效，為大樣本、長期的試驗做好準備；虛擬現實3側重驗證虛擬現實醫療護理系統的臨床效果、安全性，并探索其中的機制，為系統的普及提供科學依據。未來研究可根據此框架制定虛擬現實醫療護理系統設計的量化標準，對保障虛擬現實醫療護理系統的質量有巨大價值。

3.2 加強頂層制度設計和多方參與，解決初始運行成本高的難題 政府機構是開展醫療衛生服務體系的建立者和主導者。虛擬現實醫療護理系統研發和運行的初始資金量大，單靠學校或醫院的資金投入遠遠不足，政府應出臺相應的扶持政策，激勵醫院和高校及其他機構進行研究；也可通過減免稅收或關聯虛擬現實醫療護理服務平臺來吸納相關企業資金的加盟[37]。此外，政府可遴選重點項目，加強經費支持，進而示范推廣，既防止重復研發帶來的資源浪費，又助于保障虛擬現實醫療護理系統的質量[38]。在實際應用中，虛擬現實醫療護理系統的硬件設備和其他輔助設備價格下降，更是為實現虛擬現實醫療護理系統的社區化、家庭化提供一臂之力[15]。

3.3 做好預防措施，減少VIMS及其他不良反應的發生 VIMS及其他不良反應的預防重在技術上的突破和設計上的改良，同時，在虛擬現實設備使用前做好預防措施，在使用中監測不良反應的發生。在技術層面，需不斷提高信息追蹤交互設備的精確度，提升虛擬現實頭盔顯示器的舒適度，減少不良反應發生[39]。在設計層面，護理人員應注意虛擬世界中物體運動速度不宜過快[40]，虛擬現實場景的色彩、紋理和整體復雜性不宜太過豐富[41]，防止VIMS的發生。在虛擬現實醫療護理系統使用前，盡量避免平衡控制能力不佳、有VIMS史和癲癇史的人群參與虛擬現實治療，以防VIMS或癲癇的發生[31]。在虛擬現實設備使用中，護理人員可通過模擬器暈動癥問卷、姿態穩定性測試和生理狀態評估等方式及時發現VIMS病人，并終止病人對虛擬現實醫療護理系統的使用[42]。此外，Cobb等[43]建議一次使用虛擬現實設備時長不超過20 min，且第1次使用時應有足夠時間探索、熟悉虛擬環境。

3.4 設立虛擬現實護理小組，促進虛擬現實技術有機融入臨床護理中 虛擬現實醫療護理系統的設計和開發常由虛擬現實技術人員主導，因其不了解護理工作易引起一系列問題，如若設立虛擬現實護理小組，不僅有利于設計開發契合臨床需要的虛擬現實醫療護理系統，而且對規范系統相關的護理操作有很大意義。通過以虛擬現實護理小組為主導，與虛擬現實技術人員展開密切合作的設計和開發模式，加強護理人員對虛擬現實技術的認知和知識儲備，利于其將虛擬現實技術的優勢與臨床護理緊密結合[44-45]。此外，虛擬現實技術也正在改進其高難度的資源開發和設計門檻，如虛擬現實編輯器[46]，該類軟件的出現有望實現護理人員按照實際需求自由設計虛擬場景和交互模式，從而使產品更符合預期設想。在虛擬現實醫療護理系統的臨床應用中，可以虛擬現實護理小組為主導，制定和完善操作指南，規范應用流程，培養臨床護士對虛擬現實醫療護理系統的操作能力，促進虛擬現實技術融入臨床護理中。

3.5 處理好科技和倫理關系，注重倫理層面的建設

科技是把雙刃劍，虛擬現實技術帶來新的治療與護理視角，同時也存在倫理隱患。對此，以下幾點措施可供參考：第一，在生物-心理-社會醫學模式下，通過定期隨訪或虛擬現實醫療護理系統智能反饋的方式監測病人的心理、情感及社會功能變化，并采取相應的干預措施，避免不良結果的發生[47]。第二，通過設定治療時長、加強成癮性宣教等方式避免病人對虛擬現實醫療護理系統的過度依賴和成癮行為[15]。第三，將涉及個人隱私數據及自主行為能力控制的深層次精確數據納入國家安全管理的范圍，制定相應的數據安全法規，引入數據安全管控機制[35]，保護病人個人信息，杜絕潛在危險。