基于VR的戰創傷麻醉技能訓練教學平臺的構建與應用探討

魯晉方，馬 鵬，張藝璇，鄭 奮，李永華，袁紅斌

海軍軍醫大學：1.第二附屬醫院麻醉科， 上海 200003；2.衛勤系計算機與仿真技術教研室， 上海 200433

虛擬現實(virtual reality,VR)技術是通過計算機硬件和軟件協同，為用戶創建外觀和感覺類似于現實世界的虛擬環境[1]。目前，虛擬現實技術已被應用于手術技能培訓[2-4]、緊急胸腔穿刺減壓操作訓練[5]、大批量傷員的檢傷分類訓練[6]、眼科眼底鏡檢查培訓[7]、口腔植入體放置[8]、導尿術培訓[9]、解剖知識學習[10]、血管造影學習[11]、病理讀片訓練[12]等醫學教學場景中，并取得了良好的教學效果。Barteit等[13]對2014—2019年間發表的相關文獻進行了匯總分析，認為同傳統教學方式相比，虛擬現實技術不僅可獲得同等或更好的學習效果，而且能激發學員學習熱情，而不會對真實患者造成傷害。虛擬現實技術輔助教學的這些優勢表明，虛擬現實技術是一種有效的醫學教學工具，為解決當前戰創傷麻醉教學面臨的實際問題提供了新的思路。

戰創傷麻醉學是一門理論與實踐并重的臨床學科，然而受多種因素制約，當前戰創傷麻醉實踐教學容量難以滿足學員的學習需求，具體表現為：①戰創傷麻醉技能教學中基礎理論學習與實踐技能訓練之間尚缺乏有效的銜接手段。②實踐課的教學資源有限，學員課后鞏固困難。③臨床實踐機會相對不足。臨床教學中可用于學員實踐的機會十分有限[14]，同時部分戰創傷麻醉場景難以在教學中模擬復現、急危重癥麻醉病例罕見且緊急，難以用于開展臨床教學。④優質師資地域分布不均。這些問題的存在顯著制約了麻醉軍醫崗位勝任力的提升。因此，探索構建新型戰創傷麻醉技能訓練教學平臺具有重要的現實意義。

1 戰創傷麻醉技能VR教學平臺的構建

1.1 VR的呈現形式與硬件選擇

VR技術具有多樣化的呈現形式和種類豐富的硬件資源，VR的呈現形式與VR硬件的選擇息息相關。例如，普通的手機屏幕或顯示器即可作為呈現虛擬現實技術的顯示媒介；但其顯示效果與VR頭盔呈現的效果相差甚遠，給使用者帶來的使用體驗也截然不同。研究表明，與非沉浸式VR系統相比，沉浸式VR系統能對使用者施加更強的干預效果[15]，能更有效地吸引學員的注意力，因此該研究選用沉浸式虛擬現實技術構建平臺功能，其對應設備為VR頭盔、定位器和手持控制器。基于沉浸式虛擬現實技術，虛擬教學場景可以逼真地呈現在學員面前，學員不僅可以全景視角在虛擬手術室內自由轉動，并能以同現實世界相近的邏輯與手術室內的物品交互，仿佛親身來到手術室。

1.2 軟件開發平臺

Unity 3D是由Unity Technologies公司開發的一款支持多平臺的應用開發的開發工具，其提供一套完善的軟件解決方案，是當前應用最為廣泛的3D開發工具之一。該研究以Unity軟件作為主要開發平臺，使用C#語言編寫邏輯代碼，實現平臺功能，使用SteamVR Plugin開發包實現平臺對VR硬件的調用。

1.3 場景構想和搭建

在教學實踐中，學員進入手術室內見習往往因環境陌生而感到緊張，影響學習效率，浪費了寶貴的臨床見習機會。研究表明，基于虛擬現實技術的暴露療法可明顯緩解這種緊張焦慮情緒[16]，因此將教學平臺的場景設定為某醫院的手術室內。手術室具備完備的基礎設施，包括麻醉機、麻醉操作臺、治療托盤、辦公電腦、手術床、無影燈等手術室常見設備設施，且依照臨床實際物體比例調整模型尺寸，為用戶提供與真實手術室盡可能接近的沉浸體驗。虛擬手術室還具備各類無菌包、器械、藥品等物品和相應的模擬人，用于學員麻醉操作技能練習。根據場景需求，使用3D Max和Maya等軟件建立三維模型并導出，將導出的模型文件導入Unity 3D布置場景，繼而通過綁定各類功能組件、設置光照和貼圖等步驟實現虛擬手術室場景的搭建(如圖1所示)。

圖1 戰創傷麻醉技能VR教學平臺場景

1.4 教學平臺設計

戰創傷麻醉技能VR訓練教學平臺總體功能設計(如圖2所示)包括《海域環境戰創傷麻醉指南》培訓、戰創傷麻醉技能訓練兩大功能模塊，以及精細操作檢測模塊、實時操作反饋模塊、提示模塊、訓練總結模塊四個支撐服務模塊。

圖2 戰創傷麻醉技能VR教學平臺總體功能設計

1.4.1《海域環境戰創傷麻醉指南》培訓模塊

為幫助學員掌握海域環境下戰創傷麻醉和救治的基本原則，教學平臺專門設立了《海域環境戰創傷麻醉指南》培訓模塊。在此模塊內，學員以全景視角進入《海域環境戰創傷麻醉指南》的培訓課堂，跟隨專家教授深入學習《海域環境戰創傷麻醉指南》，培訓提綱如圖3所示。

圖3 《海域環境戰創傷麻醉指南》培訓提綱

1.4.2戰創傷麻醉技能訓練模塊

為應對復雜多變的海上衛勤保障需求，麻醉軍醫需要掌握多種關鍵救治技能，而隨著戰創傷救治研究的不斷深入，這些救治技能必然需要不斷地增加和完善。這對該模塊開發的靈活性和可拓展性提出了更高的要求。因此，在開發過程中以模塊化的思維指導代碼編寫，根據代碼功能區分共享類和私有類，并為每一項技能單獨設立子模塊，各個子模塊之間相對獨立，為后期添加和完善子模塊提供較大的靈活性。最終實現該模塊的邏輯流程如圖4所示。

圖4 戰創傷麻醉技能訓練流程圖

1.4.3提示模塊

VR教學平臺內的提示模塊預先儲存了戰創傷麻醉技能的標準操作步驟，當學員操作到相應步驟時，系統以語音、文字、圖標等多種形式提示后續操作步驟，幫助尚不熟悉操作步驟的學員完成操作流程，從而實現以VR教學平臺代替教員指導學員練習操作技能的目的。此外，提示模塊還可幫助學員在初次使用時盡快熟悉平臺功能，掌握VR教學平臺的使用要領，減少不必要的時間浪費。

1.4.4精細操作檢測模塊

戰創傷麻醉救治操作的成功與否，同操作實施的精度密切相關，因此在戰創傷麻醉技能的訓練階段實時高精度檢測用戶操作對學員的技能學習具有重要意義。平臺內部專門設定了不同形式和功能的觸發器，實時獲取觸發器的響應狀態，并通過軟件內部邏輯代碼對不同的觸發器響應組合進行匯總分析，實現對學員動作的精細檢測，以滿足戰創傷麻醉技能操作對關鍵動作細節的精度要求。例如，在蛛網膜下腔麻醉的穿刺模擬中，根據需要設定碰撞體，可實現對穿刺針進針點和進針深度的檢測；通過穿刺針在三維方向上的旋轉屬性，經坐標系變換可推算出穿刺針的進針角度，最終實現對穿刺過程的實時精細檢測。

1.4.5實時操作反饋模塊

教學反饋既是教學過程的必要環節,也是實施教學活動和完成教學任務的基本方式與重要手段[17]，尤其在技能教學中，教員即時的指導反饋對學員學習操作技能具有重要意義。為避免學員在反復練習中積累錯誤經驗，并真實地模擬技能教學中教員與學員的互動反饋，平臺在實現對學員操作動作精細檢測的基礎上，依據當前步驟的操作要求判斷學員操作是否正確，進而根據判定結果做出不同的反饋。例如，當判定結果正確時，系統會自動進入下一步操作；當判定結果錯誤時，系統提示操作錯誤，并以語音和文字的形式說明錯誤原因和處理方法。

1.4.6訓練總結模塊

當完成麻醉技能的操作步驟后平臺將自動彈出總結分析面版，對學員在該次練習中的表現進行評價，以“遺漏步驟XXX”“XXX步驟錯誤”的形式指出遺漏或錯誤的步驟，同時顯示正確的操作步驟。設定練習操作的滿分為100分，根據練習操作中錯誤問題的數量和嚴重性扣除相應的分數，最終分數作為此次學員練習操作的總分。

2 初步應用與討論

2.1 VR教學平臺的初步應用

戰創傷麻醉技能訓練VR教學平臺構建完成后，在麻醉專業學員中進行了初步應用，參與試用的學員由在海軍軍醫大學第二附屬醫院麻醉科的實習學員和規培學員組成，共計26人。此次試用特別設置了由3名高級職稱教員組成的觀察組，在學員自主體驗過程中，觀察員僅觀察學員在使用VR教學平臺時的表現，不干預學員的自主操作，在學員體驗結束后由學員完成調查問卷，并允許觀察員與學員溝通(如圖5所示)。

圖5 學員試用戰創傷麻醉技能VR教學平臺

2.2 初步應用結果

調查結果顯示，所有參與VR教學平臺試用的學員均認為VR教學平臺有助于麻醉臨床技能的學習，可以幫助其在臨床階段更快地掌握操作技能。就學習興趣而言，在理論課學習、通過書本或視頻學習、在模型上練習麻醉操作、臨床上教員帶教、使用VR學習麻醉操作技能等常見學習方式中，53.85%(n=14)的學員認為使用VR教學平臺時的學習興趣更高，認為臨床上教員帶教時學習興趣最高的學員占34.62%(n=9)，認為在模型上練習時學習興趣最高的僅占11.54%(n=3)，沒有學員認為理論課學習和通過書本視頻學習的學習興趣最高。

就學習效果而言，認為臨床教員帶教最有助于學習操作技能的學員最多，占全部學員的80.77%(n=21)，另有19.23%(n=5)的學員認為VR教學平臺比其他學習方式更有助于學習操作技能。

在有教員指導時，53.85%(n=14)的學員認為在實體模型上練習操作技能的學習效果優于VR教學平臺，34.62%(n=9)的學員認為二者學習效果相差不多，11.54%(n=3)的學員認為VR教學平臺的學習效果更好。在沒有教員指導時，53.85%(n=14)的學員認為在VR教學平臺上練習操作技能的學習效果優于實體模型，30.77%(n=8)的學員認為二者學習效果相差不多，15.38%(n=4)的學員認為在實體模型上練習的學習效果更好。

2.3 VR教學平臺的優勢

前述數據表明，臨床教員帶教是學習麻醉操作技能最有效的學習方式，然而在教學實踐中臨床帶教的人均課時容量有限，且教學內容隨機性極大，這些問題難以在短時間內得到改善。因此，為解決臨床技能教學資源短缺問題，部分教學資源豐富的院校建立了專門的臨床技能教學中心。這種臨床技能教學中心多數基于實體模型，可在一定程度上緩解臨床實踐資源匱乏的問題，但其建設和使用仍然存在諸多限制和不足：①建設和維護成本高[18]。僅適用于部分建設資源豐富的院校，多數院校難以復制。②臨床技能教學中心課時容量一定，學員的人均實踐時間仍然有限。③學員使用不便。技能教室的使用由院校統一規劃，因而技能練習時間相對集中，內容單一且固定，難以在課后有選擇性地自主強化鞏固。④師資依賴明顯。學員操作技能的提高離不開技能教學中心教師的親身指導，臨床技能教學中心需要配備相應的師資隊伍。這種實體模型教學對師資的依賴在前述問卷調查結果中得到了印證。以上問題的存在極大地限制了基于實體模型的教學中心在院校間的推廣，也不便于學員使用。

根據學員的試用表現和觀察組反饋，與傳統的基于實體模型的戰創傷麻醉技能實踐教學相比，該研究構建的基于VR的戰創傷麻醉技能訓練教學平臺具有以下優勢：①資源占用少。基于實體模型的傳統技能教學依賴各類模擬人、專用模型器材的配備，不僅資金投入高，占地面積大，而且專門的維護和管理的資源投入高。而VR教學平臺僅須消費級電子設備，同專業醫療教學儀器相比，價格低廉且無須建設專用場地，運行維護成本低。②學員使用靈活便捷。基于實體模型的教學限定了學習的時間和地點，而使用VR教學平臺無此限制，可更好地滿足學員的多樣化需求。③可拓展性強。VR的教學可通過軟件更新不斷添加最前沿的戰創傷麻醉技能。④有利于彌補各基層單位間戰創傷麻醉技能訓練水平的差異。

2.4 VR教學平臺的問題

受技術、人才等多種因素的制約，目前基于VR的教學平臺建設仍然存在如下問題：①軟件工程師和醫學教育專家深度融合不夠，導致高質量醫學VR資源庫缺乏；②VR控制方式相對單一，不便于完成復雜動作，如外科打結手法的練習難以由VR實現；③VR呈現效果精細化與VR設備的輕量化之間存在矛盾。這些問題的解決一方面依賴于整個VR產業的進步，另一方面也需要醫學教育工作者更多、更早地參與到VR教學平臺各要素的開發中。

3 結束語

該研究成功構建了戰創傷麻醉技能VR訓練教學平臺，是將VR用于戰創傷麻醉技能訓練教學的一次探索，可用于軍醫大學麻醉學本科生戰創傷技能訓練實踐教學，麻醉軍醫任職教育培訓，以及基層一線軍醫戰創傷麻醉技能訓練與考核。該平臺作為一種新型教學手段同基于實體模型的教學中心相比具有諸多優勢，對軍隊院校教育、部隊訓練實踐、軍事職業教育“三位一體”新型麻醉軍醫的培養具有重要意義。該平臺的構建證明VR在戰創傷麻醉教學領域潛力巨大，并有望隨著技術、人才等要素的不斷發展，在戰創傷麻醉學教學改革和人才培養中發揮出更大的作用。