虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在臨床實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)展

郭辰樨，歐鳳榮

（中國醫(yī)科大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院營養(yǎng)與食品衛(wèi)生教研室，遼寧 沈陽110122）

醫(yī)學(xué)教育不僅需要注重理論知識(shí)的傳授，也需注重醫(yī)學(xué)實(shí)踐能力的培養(yǎng)。臨床工作的復(fù)雜性決定了其對醫(yī)生自身臨床思維與臨床實(shí)踐操作能力都有著非常高的要求。醫(yī)學(xué)生在掌握理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，更需要熟練掌握臨床實(shí)踐操作技能。臨床實(shí)踐是臨床教學(xué)的重要內(nèi)容，是培養(yǎng)和訓(xùn)練醫(yī)學(xué)生臨床思維、操作技能和實(shí)際工作能力的重要環(huán)節(jié)［1］。隨著醫(yī)療環(huán)境的變化、社會(huì)期望的改變、患者對隱私權(quán)的重視以及自我保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，傳統(tǒng)的臨床教學(xué)模式已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)有的醫(yī)療環(huán)境［2］，醫(yī)學(xué)生在臨床上進(jìn)行技能培訓(xùn)受到嚴(yán)重限制，已成為嚴(yán)重影響醫(yī)學(xué)人才培養(yǎng)質(zhì)量的一個(gè)瓶頸問題［3］。現(xiàn)代教育技術(shù)的發(fā)展，為破解臨床實(shí)踐教學(xué)難題提供了新的思路。

1 模擬教學(xué)在醫(yī)學(xué)教育中的發(fā)展

由于醫(yī)學(xué)技術(shù)的進(jìn)步、臨床實(shí)踐教學(xué)復(fù)雜性的增加，模擬教學(xué)成為了醫(yī)學(xué)教育中的一個(gè)迅速發(fā)展的領(lǐng)域［4］。模擬教學(xué)可以利用各種技術(shù)創(chuàng)造出模擬患者、模擬病房、模擬診室、模擬手術(shù)室乃至模擬醫(yī)院等軟硬件條件，在模擬環(huán)境下，醫(yī)學(xué)生的臨床工作能力和診療水平得到大幅度的提高，同時(shí)培養(yǎng)了正確而迅捷的臨床思維，從而減少醫(yī)療差錯(cuò)和事故在實(shí)際臨床工作中的發(fā)生［5－8］。經(jīng)過長期的實(shí)踐證明，模擬教學(xué)是破解臨床實(shí)踐教學(xué)難題的一個(gè)重要手段［9］。

1.1 醫(yī)學(xué)模型 模擬教學(xué)的開展離不開多種類型的高科技醫(yī)學(xué)模型。目前醫(yī)學(xué)模型大致可分為基礎(chǔ)解剖示教模型、局部功能性模型、計(jì)算機(jī)互動(dòng)模型、生理驅(qū)動(dòng)模擬系統(tǒng)、虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)5個(gè)模塊。這5個(gè)模塊按照醫(yī)學(xué)教育規(guī)律，滿足不同階段、不同層次對象的教學(xué)需求。基礎(chǔ)解剖示教模型主要是展示人體各局部器官組織間關(guān)系，用于學(xué)習(xí)人體解剖知識(shí)；局部功能性模型展示人體某局部、某系統(tǒng)或某一學(xué)科的解剖結(jié)構(gòu)和生理以及疾病的發(fā)生、發(fā)展過程，用于學(xué)生各種技能操作訓(xùn)練和考核；計(jì)算機(jī)互動(dòng)模型可模擬正常和異常生理學(xué)和藥理學(xué)反應(yīng)，訓(xùn)練學(xué)生臨床技能、臨床思維能力和獨(dú)立救治能力；生理驅(qū)動(dòng)模擬系統(tǒng)通過對大量臨床數(shù)據(jù)的整合，使模擬人對在其身上實(shí)施的操作做出自主的、全面的生理反應(yīng)；虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)是伴隨高科技和微創(chuàng)外科技術(shù)的發(fā)展而興起的，常見有外周血管穿刺與操作培訓(xùn)系統(tǒng)、心血管介入術(shù)培訓(xùn)系統(tǒng)、內(nèi)鏡手術(shù)與操作培訓(xùn)系統(tǒng)、腹腔鏡微創(chuàng)手術(shù)培訓(xùn)系統(tǒng)等。

1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)系統(tǒng) （virtual reality training systems） 2016年，虛擬現(xiàn)實(shí) （virtual reality，VR）技術(shù)迎來爆發(fā)式發(fā)展，成為全球IT領(lǐng)域創(chuàng)新科技的前沿技術(shù)。隨著VR硬件設(shè)備的不斷升級和配套計(jì)算機(jī)技術(shù)的逐漸成熟，虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)系統(tǒng)迎來快速發(fā)展機(jī)遇。虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)系統(tǒng)可以讓醫(yī)學(xué)生置身于模擬的醫(yī)療環(huán)境中，系統(tǒng)發(fā)布任務(wù)，學(xué)生收到任務(wù)后在模擬患者身上能直接看三維立體的解剖結(jié)構(gòu)并進(jìn)行具體的臨床操作，在這種培訓(xùn)環(huán)境下，學(xué)生能夠充分調(diào)動(dòng)自己的多種感官，不僅訓(xùn)練了學(xué)生的臨床思維能力，而且提高了其臨床實(shí)踐技術(shù)，整個(gè)環(huán)境開放且自主，整個(gè)過程安全且經(jīng)濟(jì)［10－12］，彌補(bǔ)了仿真模型價(jià)格較高、仿真耗材消耗量巨大、培訓(xùn)空間和師資不足的缺陷，能在較短的時(shí)間里提高學(xué)生的多項(xiàng)臨床實(shí)踐技術(shù)，從而提高培訓(xùn)效率［13］。有研究證實(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)已成為外科技能培訓(xùn)的支柱之一，提高了手術(shù)性能并縮短了手術(shù)時(shí)間［14－15］。因此，虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)為破除傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)教育高風(fēng)險(xiǎn)、高成本以及高能耗的弊端提供了一條行之有效的解決途徑。

目前常用的虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)系統(tǒng)中桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)通過點(diǎn)選、拖拽、旋轉(zhuǎn)等簡單的操作得以實(shí)現(xiàn)，技術(shù)相對成熟，但真實(shí)的互動(dòng)感不足，而且更容易受到外界環(huán)境干擾，常用于臨床思維訓(xùn)練或診療演練［16－18］；腔鏡與模擬器具相結(jié)合的手術(shù)培訓(xùn)系統(tǒng)如普通外科、婦產(chǎn)科、泌尿外科等腔鏡手術(shù)培訓(xùn)系統(tǒng)［19－21］，這種虛實(shí)結(jié)合的訓(xùn)練模式比較常用，能夠有效地提高腔鏡手術(shù)技能，但由于不能完全擺脫對模具的依賴，成本相對較高；沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成逼真的視覺、聽覺、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境，該系統(tǒng)具有3個(gè)特點(diǎn)： （1）多感知：通過頭盔提供視覺，通過耳機(jī)實(shí)現(xiàn)聽覺，通過手套實(shí)現(xiàn)觸覺，通過手柄實(shí)現(xiàn)力覺，視覺、聽覺、觸覺、力覺的全方面結(jié)合調(diào)動(dòng)起了用戶的多種感知；（2）沉浸感：創(chuàng)建的虛擬空間十分真實(shí)，用戶通過多種感知完全沉浸在這個(gè)與現(xiàn)實(shí)世界相隔離的空間中；（3）交互性：通過虛擬現(xiàn)實(shí)手套等設(shè)備讓用戶的手在虛擬患者的身上進(jìn)行交互時(shí)感覺到它的重量，如同在真實(shí)的世界中［22－23］。

1.3 沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)系統(tǒng)的應(yīng)用研究 Huang等［24］對使用VR4－MAX沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行醫(yī)學(xué)課程學(xué)習(xí)的學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查，發(fā)現(xiàn)沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對學(xué)生的感知性有積極的影響。研究發(fā)現(xiàn)，3D－VR技術(shù)在學(xué)生學(xué)習(xí)解剖課程時(shí)，能夠更好地幫助學(xué)生理解解剖部位及其周圍結(jié)構(gòu)、促進(jìn)學(xué)生真實(shí)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，與傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合能更方便理解與記憶［25］。但是，缺點(diǎn)是剛開始使用因不熟悉系統(tǒng)功能而影響學(xué)生的注意力以及學(xué)習(xí)進(jìn)度，長時(shí)間使用也會(huì)造成眼睛疲勞，影響視力健康［26］。一項(xiàng)前瞻性隨機(jī)對照研究結(jié)果表明，VR技術(shù)可以讓大量醫(yī)務(wù)專業(yè)人員在不需要昂貴設(shè)備的情況下接受臨床實(shí)踐技能的培訓(xùn)［27］，醫(yī)學(xué)生進(jìn)行VR的手術(shù)模擬比看視頻更能增加他們的手術(shù)信心［28］。因此，VR技術(shù)可以有效地提高醫(yī)學(xué)生對于解剖知識(shí)的理解和記憶，增強(qiáng)醫(yī)學(xué)生的臨床實(shí)踐水平，提高其實(shí)踐信心。目前沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)已經(jīng)開始應(yīng)用于眼科手術(shù)、微創(chuàng)手術(shù)、內(nèi)窺鏡手術(shù)、骨科手術(shù)、牙科手術(shù)等醫(yī)療培訓(xùn)，多項(xiàng)研究證實(shí)了其用于醫(yī)學(xué)教育的有效性和優(yōu)越性［9，11，29－33］。雖然VR技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用，但實(shí)現(xiàn)完全沉浸的目標(biāo)仍是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)和巨大的挑戰(zhàn)［20，34］，一些瓶頸問題如目前的科技還無法做到高度還原真實(shí)場景，使用虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備時(shí)會(huì)產(chǎn)生眩暈感，軟硬件設(shè)施尚不完備，開發(fā)人員技術(shù)力量不足等仍有待解決。

2 醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)及應(yīng)用

2.1 醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)情況 VR技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育中的研發(fā)應(yīng)用在我國仍處于起步階段，成熟產(chǎn)品不多。為深入推進(jìn)信息技術(shù)與高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合，2017年教育部在普通本科高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)性地開展虛擬仿真教學(xué)建設(shè)，2020年公布的首批國家級一流本科課程中，包括虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流課程728門［35］。為推進(jìn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目共建共享，教育部建設(shè)了實(shí)驗(yàn)空間——國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享服務(wù)平臺(tái)（http：／／www.ilab－x.com），目前在平臺(tái)上運(yùn)行的臨床醫(yī)學(xué)類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共計(jì)97項(xiàng)，其中53項(xiàng)獲批國家級一流課程，示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)極大地推動(dòng)了VR技術(shù)在臨床實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用。

2.2 VR技術(shù)在腰椎穿刺術(shù)臨床實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

2.2.1 腰椎穿刺術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練考評系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路 腰椎穿刺術(shù)是國家臨床執(zhí)業(yè)醫(yī)師考試大綱中規(guī)定的臨床醫(yī)師必須掌握的臨床基礎(chǔ)操作之一，此操作如能熟練掌握、合理應(yīng)用，對臨床疾病的診斷和治療有重要價(jià)值。但由于傳統(tǒng)腰椎穿刺術(shù)臨床實(shí)踐課程存在教師資源緊缺、操作的有創(chuàng)性、實(shí)驗(yàn)資源不足、損耗大等弊端，學(xué)生無法充分地進(jìn)行實(shí)踐訓(xùn)練。而建立腰椎穿刺術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練考評系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的醫(yī)學(xué)生反復(fù)對腰椎穿刺術(shù)的學(xué)習(xí)，進(jìn)而掌握腰椎穿刺術(shù)，并且具有無損耗、無風(fēng)險(xiǎn)、降低對教師依賴性等優(yōu)勢。本系統(tǒng)圍繞腰椎穿刺術(shù)進(jìn)行病例設(shè)計(jì)，采用VR技術(shù)構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)腰椎穿刺訓(xùn)練評價(jià)系統(tǒng)，建立評價(jià)反饋體系，并根據(jù)學(xué)生應(yīng)用情況及反饋，逐步優(yōu)化系統(tǒng)。

（1）系統(tǒng)圍繞腰椎穿刺術(shù)進(jìn)行病例設(shè)計(jì)，根據(jù)國際化一流醫(yī)院建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)搭建虛擬診療環(huán)境，嚴(yán)格劃分各功能區(qū)域，規(guī)范使用及管理醫(yī)療器械，協(xié)助用戶浸入真實(shí)規(guī)范的醫(yī)療環(huán)境。在情境設(shè)計(jì)中強(qiáng)調(diào)按照臨床實(shí)際規(guī)范設(shè)置醫(yī)療陳設(shè)及物品擺放、使用、管理，進(jìn)行環(huán)境建模和渲染、定位、精確手勢識(shí)別。 （2）根據(jù)相關(guān)操作規(guī)范，結(jié)合多年臨床技能教學(xué)、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)一套規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化臨床技能操作流程。然后根據(jù)操作流程，開始軟件系統(tǒng)開發(fā)，構(gòu)建一套自主研發(fā)軟件開發(fā)框架，集成主流設(shè)備廠商SDK，根據(jù)臨床虛擬場景特點(diǎn)，構(gòu)建了人機(jī)交互接口，做到數(shù)據(jù)與程序分離、業(yè)務(wù)邏輯與設(shè)備分離，并支持多平臺(tái)的快速迭代。（3）建立評價(jià)反饋體系。系統(tǒng)記錄每次學(xué)生操作步驟、時(shí)長、操作是否正確等信息，并將信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)記錄平臺(tái)。平臺(tái)設(shè)有數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能，并可形成每個(gè)學(xué)生的電子檔案，供教師進(jìn)行分析與管理。（4）建設(shè)三方交互平臺(tái)。采用云數(shù)據(jù)共享與即時(shí)通訊技術(shù)，建立學(xué)生、教師、教學(xué)管理三方溝通的平臺(tái)。學(xué)生能夠獲得實(shí)時(shí)操作記錄，及時(shí)自查，不斷改進(jìn)。教師能夠利用平臺(tái)遠(yuǎn)程指導(dǎo)，針對每個(gè)學(xué)生的問題進(jìn)行有效反饋，并能根據(jù)學(xué)習(xí)效果不斷改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容。教學(xué)管理部門利用平臺(tái)數(shù)據(jù)能夠更加切實(shí)有效地評價(jià)教學(xué)方案和教學(xué)效果，實(shí)施教學(xué)改革，優(yōu)化教學(xué)體系。

2.2.2 腰椎穿刺術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練考評系統(tǒng)的應(yīng)用 該系統(tǒng)采用VR技術(shù)，運(yùn)用Unity3D、3D Studio Max等工具構(gòu)建虛擬的病房、處置室等操作場景，并構(gòu)建醫(yī)療相關(guān)器械、患者、護(hù)士等三維模型，逼真地還原真實(shí)場景布局，將臨床腰椎穿刺標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐操作流程嵌套，通過專業(yè)的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)出操作系統(tǒng)。學(xué)生可以通過穿戴相應(yīng)設(shè)備，沉浸在虛擬的臨床場景中，并與虛擬患者、器械等交互，真實(shí)地還原臨床診療流程，全面提升醫(yī)學(xué)生的臨床操作能力。該系統(tǒng)分為學(xué)習(xí)模式、訓(xùn)練模式和考試模式3種模式。學(xué)習(xí)模式下，每一步操作都有相應(yīng)的語音、文字提示及相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)講解，學(xué)生可以獨(dú)自按照提示完成整個(gè)操作；訓(xùn)練模式下，學(xué)生可以隨意進(jìn)行每一個(gè)步驟的強(qiáng)化訓(xùn)練，強(qiáng)化學(xué)習(xí)過程的熟練程度；考試模式下，系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄學(xué)生在考試過程中的所有操作，包括操作順序、每一步的操作時(shí)長、操作是否正確等，考試完成后形成評價(jià)報(bào)告；系統(tǒng)設(shè)有評估反饋體系，依據(jù)中國臨床醫(yī)生崗位勝任力模型［36］，構(gòu)建綜合能力評價(jià)模型，全面評價(jià)學(xué)生能力。

該系統(tǒng)已大范圍應(yīng)用于筆者所在學(xué)校及相關(guān)教學(xué)醫(yī)院，應(yīng)用效果良好，學(xué)生興趣濃厚，使用該系統(tǒng)訓(xùn)練后實(shí)踐技能明顯提升。該研究將信息化技術(shù)的最新成果與醫(yī)學(xué)教育需求有機(jī)結(jié)合，運(yùn)用VR技術(shù)有效整合現(xiàn)有的醫(yī)學(xué)教育資源，建設(shè)虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境，幫助醫(yī)學(xué)生獲取醫(yī)學(xué)知識(shí)、精進(jìn)臨床技術(shù)、培養(yǎng)臨床思維，是對以VR技術(shù)為支撐的現(xiàn)代化教學(xué)模式的有益探索，對VR技術(shù)在臨床實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用起到示范作用，2020年腰椎穿刺術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練考評系統(tǒng)獲得國家級一流本科課程稱號(hào)（http：／／www.ilab－x.com／details？id＝54＆isView＝true）。

3 VR技術(shù)在醫(yī)學(xué)臨床實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用前景

虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)系統(tǒng)突破了操作訓(xùn)練的時(shí)空限制，擺脫了對活體和材料的依賴，具有低耗損、零風(fēng)險(xiǎn)、可重復(fù)性以及自動(dòng)指導(dǎo)等優(yōu)勢，已經(jīng)成為當(dāng)前信息技術(shù)與醫(yī)學(xué)教育交叉領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，有著廣闊的應(yīng)用前景［37－38］。在信息化教育背景下，VR技術(shù)在醫(yī)學(xué)臨床實(shí)踐教學(xué)中應(yīng)用將成為不可或缺的重要手段。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展和軟硬件設(shè)備的性能提升和價(jià)格降低，會(huì)有更多優(yōu)質(zhì)的醫(yī)學(xué)虛擬教學(xué)資源被開發(fā)應(yīng)用。VR技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育中的普及，將有助于破解傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)教育高風(fēng)險(xiǎn)、高成本以及高能耗的難題，同時(shí)帶來教與學(xué)形式的顛覆性改變，促進(jìn)臨床實(shí)踐教學(xué)的同質(zhì)化和規(guī)范化，推進(jìn)教學(xué)方法改革和教學(xué)模式創(chuàng)新，提高醫(yī)學(xué)人才培養(yǎng)質(zhì)量。