AR應用于醫療健康教育的系統綜述

劉瑩杰

（天津職業技術師范大學，天津 300222）

0 引言

增強現實（Augmented Reality,簡稱AR）技術備受關注。AR 具有現實性、交互性、實用性等特點，目前廣泛應用于醫療、軍事、旅游等領域[1]。在醫學上來說，臨床醫學在教學中是一門具有較強實踐性的學科，也是評價學生學習能力的重要標準。當虛擬對象疊加在環境上，它們就能為我們提供更真實、更直觀的感官體驗。比如，一種被稱為“疊加視覺”的技術，能夠讓一個虛擬對象在另一個虛擬對象的背景上出現。這種技術還可以與環境合成，從而為我們提供一種具有真實感的體驗[2]。經過文獻調查研究，發現利用AR 技術指導外科手術也是國內外長期研究的課題，要提高學生的能力，必須進行廣泛、系統、規范的培訓與練習。模擬學習是將多媒體、模擬、傳感、人機交互和人工智能等技術融合在一起，使學生在一種可控制的情境下，可以培養他們的臨床思維，訓練他們復雜的臨床技能，在不會出現錯誤的情況下，還可以避免對現實中的患者造成傷害[3]。本研究采用文獻綜述方法對現有文獻進行分析，分析了目前醫療健康教育使用AR技術的相關文獻，通過分析模式、影響和表現的結果得出AR在醫療健康教育方面為學生提供真實的模擬環境，對臨床試驗提供了保障。硬件設備和技術的提升對于醫療方面提供堅實的基礎，但技術、設備和成本仍是目前發展的難點。本文通過綜述了2000 年至2023 年AR 在醫療健康教育領域的最新進展，旨在實現以下目標：繪制最近的研究成果，以促進對當前挑戰的進一步研究。同時，通過采用文獻綜述的形式，本文旨在為AR 技術在醫療健康領域提供進一步的研究方向，從而推動該領域的發展和創新。它的結構如下：第二節介紹了研究設計；第三節介紹了結果與討論；第四節指出研究局限性；第五節得出結論。

1 研究設計

1.1 研究問題

本文采用了一種系統的文獻回顧與定量分析相結合的方法，探討AR 在醫療健康教育發展中的影響和表現，研究問題包括:

1）AR在醫療健康教育中的發展現狀如何?

2）AR在醫療健康領域的關鍵技術和應用前景有哪些?

3）AR在醫療健康教育中的發展還需要解決哪些問題?

1.2 研究方法

本研究采用文獻研究法，通過對相關文獻的檢索、篩選和評估，明確了相關的研究文獻。本論文的主要內容為：計劃文獻檢索，評價文獻質量，抽取資料，整合資料，撰寫論文等。在本研究中，研究人員運用了定性定量元分析方法，并對所收集到的資料進行了撰寫。

1.2.1 文獻檢索

為了有效檢索文獻，本研究以AR教育、醫療教育為關鍵詞，在CNKI（260）、EBSCO（315）和Web of Science（280）數據庫中對相關文獻進行配對檢索。文獻時間期限為2000年至2023年。以AR教育、醫療健康教育為關鍵詞，按時間限制選取文獻，最終檢索到相關研究文獻805篇。

1.2.2 文獻質量評價

根據文獻篩選標準，對檢索到的有效文獻進行篩選，去除重復出現（90篇）且頁數少于兩頁（130篇）的綜述類文獻（180 篇），去除與研究主題不相關的文獻（380）。保留非重復出現、可獲取、篇幅在兩頁以上、采用實證研究方法以及與研究主題高度相關的文獻。通過不斷的檢查和閱讀，最終篩選出25篇文獻，如圖1所示。

圖1 文獻篩選過程及結果

1.2.3 數據的提取和編碼

為了整合已有研究的結果，本研究從文獻中提取出關鍵信息，對最終篩選的25篇論文進行編碼，根據主題內容，確定3個核心屬和5種類型代碼，隨后采用定性定量的方法對已有研究進行比較和整合，細化AR在醫療健康教育中的模式、影響和表現(表1)。

表1 增強現實在醫療健康教育研究策略編碼

3 結果與討論

AR 技術可以將影像結果、器官三維模型等虛擬場景導入現實世界，提供更加直觀、立體和交互性的效果。將其用于醫學實習課程及情景辨識等方面，具有較大的實用價值。傳統的教學方式主要是以課堂講授為主，輔以模型演示、實地觀察和動物實驗，甚至還可以直接在患者身上進行實驗。研究發現，那些穿著VirtualiTee T 恤衫的學生，在學習了解心臟解剖之后，成績優異的比例要高得多[4]。另有研究顯示，MagicBook可以顯著提高學生對解剖學知識的掌握[5]。AR 技術已被越來越多地應用于有創及外科的教學中。因為AR技術的核心在于將現實世界中的虛擬場景與現實世界中的真實世界進行準確的重疊，所以它可以更好地用于一些難運動、難變形的人體器官。AR技術目前廣泛應用于臨床醫學，涵蓋神經外科、頜面外科和普外科等多個領域[6-7]。例如，利用虛擬腹腔鏡技術對學生進行闌尾切除術的訓練，能夠明顯地減少不需要的內腔設備，從而增加手術的安全性[8]；肺點系統是建立在病人的胸腔CT3D 模型上，以模擬支氣管為基礎的，智能規劃操作路徑的虛擬導航支氣管鏡，可以縮短呼吸內窺鏡醫師的培訓時間，提高培訓效果[9];AR 眼鏡應用于中心靜脈穿刺訓練，教學結果表明該方法靈活有效[10]。研究發現，心臟科和超音波系之學員，使用此裝置來學習經胸腔及經食道之超音波，大部分學員認為此裝置的仿真效果較佳。Echo-Com是一種三維追蹤登記系統，能夠輔助醫學生運用超聲信息進行先天性心臟病的早期識別，其使用將大大提高醫學生的診斷率[11]。

3.1 AR技術在健康教育中的應用模式

在此基礎上，提出了一種以仿真為基礎，以減少病人受傷為目的，又能保證培養出合格的醫學生。AR技術可以確保患者和醫生的安全。利用AR技術，用戶可以獲得大量的虛擬影像與模型，使得用戶所獲得的知識更為真實、直觀、有趣。在教學中運用，能提高學生的主動性和主動性。一項將以AR技術為基礎的教學法和傳統課本進行對比的研究表明，采用手機AR 技術的學生要比傳統的控制組了更多的知識，而這種好處主要是由于刺激了學習投入[12]。

AR 技術可以將海量的臨床信息提取出來，然后對其進行仿真并將其疊加，這樣就能讓同樣的場景反復出現，對于有經驗、有技術的醫師來說，這種訓練是必須要反復進行的。然而，在實際的情況下，我們很難做到重復使用。舉例來說，在正頜外科中，一個用來覆蓋真實頜骨的數字手術規劃程序，以及在脈管外科中對脈管和外科手術路徑進行定位[13]。AR 技術還允許多人協作，其次在醫學教育中非常重要。

在新的教學模式下，新的教學模式亟待引進新的教學手段。從硬件和經濟兩個角度來看，AR 系統需要大量的硬件資源，并且費用高昂，所以無法在所有的醫療教育機構中普及。盡管各種低成本的AR系統層出不窮，但是它們也存在著各自的限制，比如為節約成本，大多采用一種投射式的顯示方式，使景物交疊的位置相對固定；沒有即時反饋、糾錯等制度。當前AR技術在臨床上的應用仍處在小規模、試驗階段。在今后的研究與開發中，如何使系統的性能與成本達到一個均衡，將成為研究與開發的焦點。

3.2 AR技術在健康教育中的影響

3.2.1 理論與AR技術在健康教育中的結合

共調查了2529 篇關于AR 技術在職業健康教育中的應用的研究，結果表明，只有少數幾篇文章提及需要新的理論來引導AR 在健康教育中的設計和應用，大多數仍然應用傳統理論[14]。衛生教育就是醫學知識的普及。如何充分發揮AR技術在衛生教育中的作用，如何進行對話情景的設計，以及如何向使用者展示這些內容，是亟待解決的問題。新技術的產生與舊系統的瓦解與新系統的生成是分不開的?；谇榫硨W習理論、體驗學習理論和轉換學習理論上，建立了AR 在健康護理教育中的應用指導設計框架，并在實踐中對其有效性進行了驗證[15]。

3.2.2 AR技術應用于醫療健康教育

要想將AR 技術有效地運用到實際中去，就必須要有與之相對應的物質基礎，這就是虛擬場景。由于缺少相關權威的AR 資料，制約了大規模的健康教育AR 的應用。所以，作為衛生教育者應考慮盡快建設一個全國性的衛生知識資料庫，這個資料庫將包括不同族群的衛生知識資料以及每個人的健康檔案。這就要求我們不僅要了解健康教育的工作，而且要了解AR技術的原理與實現方法。

3.2.3 硬件設備和AR技術應用于醫療健康教育

要使AR 技術的優勢最大化，就需要相應的載體設備。當前，在中國的衛生教學中，AR技術的運用還不多。除了尚未建立的AR 資料資料庫，還沒有達到所需的硬件條件。在衛生教學中，若需在大型場合作焦點展示，可使用三維顯示設備，以盡量小的屏幕尺寸，營造出最真實的情景；在使用手機進行健康指南掃描時，對手機攝像頭功能提出了較高的識別性能；而像全息眼鏡這樣可以充當個人管家的可穿戴設備，則要求設備堅固、輻射小、負擔小、耐磨等特點。

3.3 AR關鍵技術在醫療健康教育中的表現

最終表現主要是跟蹤注冊技術、AR 顯示技術和技能交互技術。在此基礎上，采用了追蹤、登記等技術來實現3D匹配。按其成像原理，可將AR系統中所采用的顯示方式分為影像式、光學式和投影式三種。該方法的優勢在于可以獲得更好的重疊效果，但其不足之處在于其處理過程過于煩瑣，使得重疊效果與實際效果有一定的差距。常見的人機交互方法有以下幾種：以傳統硬件設備為基礎的交互方法，硬件比如鼠標和手柄，與虛擬場景中的某個坐標相對應，硬件操作在真實場景中反映虛擬場景中該點的行為，如手勢交互系統和投影交互技術。

目前，以AR為主導的衛生宣傳方式，存在著使用者依從性差、內容過于抽象、情境性差等問題，使其收效甚微。通過AR 健康教育游戲，對未出現明顯癥狀或病癥的亞健康人群進行健康教育。在中國衛生事業不斷“前進”的同時，這個人群也成為中國健康教育的主要目標。因此，如何提升我國高校學生的衛生素質，增強其衛生行為的遵從性，是當前我國高校衛生工作中迫切需要解決的重要問題。在對健康教育游戲進行開發時，應該將興趣與學習過程有機地結合起來，做到寓教于樂，能夠開發出適合不同人群的游戲，從而提升不同人群的健康素養水平。例如，開展大范圍的流感病毒預防教育，社區與家庭的急救知識，中醫治療與健康，心理健康教育，等等基本的健康教育內容，都需要進行大范圍的普及。通過AR 多媒體演示，既可以將一些高深的概念變得具體，又可以將一些專門的知識進行完整的組織與展現。通過課堂AR多媒體演示，可以集中、系統地講授專業、抽象的健康教育內容，包括人體組織器官解剖動態演示、急救技能、康復護理、科學鍛煉、康復功能訓練和災難逃生等內容。

4 局限性

本文僅限從Web of Science 和CNKI 數據庫中選取文章。本研究較為完整，主要研究AR 技術在醫療保健教育中的應用。我們詳細回顧了納入研究的文獻和統計范圍。其中，場景比較單一，都是通過預人虛擬場景來設計的，與臨床現實相比，場景比較單一和固定，單純地運用并不能取代真實的臨床實習。在實際工作中，我們要學會怎樣處理因病人的個人差異以及因病人的心理、社會因素所造成的臨床差異。這種不足也存在于技術方面。臨床教學對場景模擬的跟蹤、配準精度和真實感要求較高，目前我國的AR技術還處于起步階段，無法充分滿足臨床應用的需要。

5 結論

由于提高技能而實施的模擬技術可能是提高衛生和護理工作者技能的一種新穎和引人入勝的方式。衛生和護理工作者一詞涵蓋了衛生和社會護理領域的專業人員，包括護理人員、全科醫生、護士、護理工作者和社區工作者。在這種情況下，增強現實可以被模擬為對現實生活互動或場景的復制，學習者從中獲得即時反饋/匯報。AR 技術能夠實現多種情景的仿真，可用于應急、災害和生命保障等方面，對大學生進行有效的訓練。隨著AR 技術的不斷發展和成熟，將會對臨床醫療教學產生很大的影響。就目前而言，將增強現實應用于醫療保健可以更好地促進醫學生的相關學習。在使用模擬技術時，學習者不僅可以反復練習技術，并從中學習，而不會傷害患者，使他們痛苦或面臨其他負面后果。在本文中，我們了解到醫療健康教育增強現實技術的研究還存在很多局限性，如成本、技術缺陷、硬件設備等。因此，在未來的發展過程中，仍存在巨大的挑戰和突破空間。