虚拟现实模拟技术在护理教育中的应用现状

林丽娜，黄洛莹 综述；王秀岚 审校

（中山大学新华学院 医学系，广东 广州 510520）

在传统的实践教学中，临床技能训练主要在医院患者身上进行。随着招生规模的不断扩大和医患关系日趋紧张，护理学生临床实践机会越来越少，并且在临床环境中呈现焦虑状态[1-2]。模拟教学作为一种具有实践性、动态性、交互性、协作性的教学策略，已逐渐成为临床医学教学改革中具有广泛前景的教育模式。医学模拟以模拟临床实际情况为前提，利用模拟技术设计并创造出模拟患者和模拟临床场景，代替真实患者进行临床教学和实践，以尽可能贴近临床真实环境和更符合医学伦理学的方式进行医学教学，为医学生提供了更多主动学习的机会，且具有安全、无医疗风险、可以反复应用等优点。临床模拟已应用于临床护士教育多年，但由于花费昂贵、资源短缺、需要较高的指导老师/学生比等原因，使其应用受限。而以计算机技术为基础的虚拟现实模拟（virtual reality simulation,VRS）技术，作为一种新的护理教育策略，能够更好的满足新时代护理教育挑战。笔者从VRS技术及其在护理教育中的应用进行综述，以供参考。

1 虚拟现实模拟技术的概述

1.1 VR S的定义和特征 VRS高度集成了实时三维图像生成技术、多功能交互技术和高分辨率的显示设备等技术，力求生成的人工环境完全或部分代替真实环境，以一种实时视觉、听觉、触觉的方式使用户产生身临其境的感觉。VRS具有沉浸性（immertion）、交互性（interaction）、想象性（imagination）3 个基本特征[3]，现已成为教育领域中新时代学生科学技术技能获得的一种新的模拟教学策略[2]。练习前，学生可以选择各种逼真临床情景进行体验学习；学习过程中，学生可以给予治疗方案，并与虚拟医生、患者互动；系统提供即时反馈给予指导或提示，并可录像用以回顾和评价[4]。

1.2 VR S技术的发展历程 第一个具有虚拟现实思想的装置由Morton Heilig在1962年研制，具有多种感官刺激。1968年，van Sutherlan组织开发了第一台由计算机图形驱动的头盔显示器 （Helmet-Mounted Displays，HMD）及头部跟踪系统。1989 年，美国Jaron Lanier正式提出“Virtual Reality”一词。1994年3月，在日内瓦召开的第一届万维网大会（World Wide Web，WWW）首次正式提出了虚拟现实建模语言(virtual reality modeling language，VRML)，其目标是在因特网上建立交互式三维虚拟环境。此后，VRS技术进入全面发展阶段。近年来，国内许多高校及研究所开始了对VRS技术的研究和应用，并取得了一定的研究成果[5-6]。

1.3 VR S的分类 根据用户参与虚拟现实的不同形式以及沉浸程度的不同，可以将VRS分为2类：（1）台式机虚拟环境或非沉浸式虚拟现实(nonimmersion VR，NVR)[7]，适用于沉浸感要求不太高的场合，只需要普通的PC机，配备必要的软件工具，即可构建灵活实用的VRS系统；（2）沉浸式虚拟现实环境(immersion VR，IVR)[8]，它通过配置高级视频游戏设备建立高度仿真场景，用户能够完全沉浸其中。二者都具有自由设置情景，无使用人员和时间限制的优点，但后者需要特殊设备、高级视频技术和一定的操作技能，限制了其推广应用。目前，在国内开发NVR更具有推广价值。

2 VRS在护理教育领域中的应用

自20世纪90年代中期开始，VRS技术开始应用于医学护理教学领域，在临床护理思维以及临床综合能力训练中都有较好的应用[3]。目前，护理教育领域中应用的VRS系统，按照不同的用途主要有以下几个方面。

2.1 课堂教学 1985年，美国国家医学图书馆（National Library of Medicine,NLM）开始人体解剖图像数字化研究，即“可视人体计划”（Vsible Human Project，VHP），利用虚拟人体开展虚拟解剖学、虚拟放射学及虚拟内窥镜学等学科的计算机辅助教学，为开展各类人体相关研究提供形象而真实的模型[9]。本世纪初,德国汉堡大学Eppendorf医学院利用VHP成像建立了VOXEL-MAN 3D-Navigator虚拟人体系统，使用者戴上头盔显示器就可以在三维水平上形象逼真地全面了解人体各解剖结构的内部构造与功能[10-11]。我国长春中医药大学于2010年引入VHP三维数字化可视人体工程，并构建了全数字化虚拟可视人体三维解剖模型，用于解剖学的动态性观察和学习，他们还将该平台与临床、针灸推拿等专业相结合，增设许多综合性、创新性实验项目[12]。

2.2 单项技能训练

2.2.1 CathSim静脉穿刺训练系统 20世纪90年代，由美国Immersion Medical医学公司研制，由一台电脑和触觉反馈装置即静脉穿刺用的 “胳膊”组成。用户可选择不同的临床情境进行训练，在穿刺过程中可通过显示屏观察局部解剖和进针角度，并体验穿刺时“真实”的突破感。系统还可以模拟患者发出疼痛的声音，播放标准操作过程，并将学生操作过程录制下来供学生和指导老师进行评价[13]。该系统具有成本低、高仿真和无风险特性，已在全球众多培训机构和医学院校得到应用，用于周围静脉穿刺、中心静脉导管插入和外周插入中心导管放置[14]。与传统的橡胶假臂相比，该系统可以更为明显地提高培训效果[15]；但也有研究表明传统塑料假臂（100%）的培训效果优于CathSim训练系统（92.86%），这可能与训练次数和时间有关，但参加该CathSim系统培训的人反映印象更深刻，他们认为使用真实患者效果会更好[16]。

2.2.2 Port-A Cath注射虚拟模拟系统（VR simulation system of Port-A cath injections） 为训练初学者Port-A Cath皮下植入与护理知识和技能的虚拟教学系统,包括考试系统和Port-A Cath模拟2大模块。2008年，台北荣总医院护理部的Tsai等报道了应用Hybrid VR系统创建了Port-A Cath注射VRS情境教学模式，他们对无临床经验的护理初学者进行的实验研究表明：该培训模式的理论知识得分、临床技能都优于传统教学模式，且可以显著降低操作时的恐惧心理，适用于初学者护士的培训程序[17]。

2.2.3 Melerit UrecathVisionTM导尿技能培训系统

是由瑞典的Melerit Medical AB公司[18]近2年研制的一个具有真实触感的便携式虚拟训练系统。由手提电脑和仿真尿道组成，包括准备模块和操作训练模块，用于培训尿导管插入技能，并对其操作能力进行客观检测，该公司于2010年对其完成了性能评价。2013年，Johannesson等对大三本科护生进行的研究表明，该模拟系统将任务与早期经验相联系起来可有效培养学生的动手能力[19]。目前，尚未见国内医学院校对其应用和效果评价的文献报道。

2.2.4 护理记录教学软件 2012年，李玉玲等[20]借助Photoshop图像处理软件、Flash技术和ActionScript开发了虚拟护理记录教学课件，用于该院的护理教学，应用于量血压、体温等的虚拟教学中，具有交互性、数据处理等功能。同时，他们还运用Visual Studio开发“虚拟课堂”教学模块，模拟医院护理工作的不同真实情境，让护生身临其境地学习和掌握全面的护理记录相关知识，利于教学的统一性和规范化，锻炼护生的临床思维能力。但该系统的使用需借助学校的计算机，导致学生使用时间受限，并且师生在线交流时间不够充裕。

2.2.5 机能学实验教学模拟软件 医学临床模拟教学的发展，带动和促进了我国医药学实验室方面模拟仿真教学软件的开发和应用。例如：中国药科大学创制的药物分析实验仿真软件，并在此基础上构建了完整的开放式药学虚拟仿真实验体系，可根据不同专业要求设计虚拟实验教学模块。2005年，桂林医学院药理学教研室开发了 “计算机虚拟急性毒性实验软件”[21]。这些软件可用于护理机能实验课的教学，不仅激发了学生学习动机，有效提高教学质量，也节省了实验动物与师资力量，降低了教学成本。同时它们的开发和应用也给予我们提示，充分分析课程内容，将专业知识与计算机技术相融合也可以制作出高质量的虚拟教学软件，用于提高教学质量。

上述单项技能训练虚拟系统，使学生能够在逼真的临床情境中直观地学习理论知识、掌握操作技能，并能培养临床思维，但这些系统是一种分解的专项护理操作技能训练，针对不同的训练项目购买相应的虚拟训练系统，对于配置人体模型的训练系统还需要建立专门的实验室，花费较昂贵。而对于个别院校研发的虚拟软件多用于其自身教学，缺乏统一的标准，其有效性尚待进一步验证。此外，人是一个完整的有机整体，在不同的健康状况下身体对各种刺激会做出不同的应答，甚至出现全身反应，而单项技能训练系统不能很好的体现整体人的特点和功能。

2.3 综合能力培训

2.3.1 生理驱动模拟人 是美国METI公司生产的代表目前最高端医学模拟培训技术的生理驱动高仿真模拟人,有模拟患者,简称模拟人（the human patient simulator，HPS）和急诊护理模拟人(emergency care simulator，ECS)2种[22]。2种模型都是建立在模拟人的基础之上，结合计算机技术开发的虚拟系统应用于临床情境的教学。它们都能够模拟患者的各种生理和病理学特征，可根据设置的个案临床场景显示不同的生命特征状态，并对不同的治疗操作产生不同的生理反应，因此应用于各种复杂临床情境的逼真的案例教学。在护理领域中，ECS主要用在急诊护理及护理程序[23]的教学,学生可以对模拟患者进行体检、呼吸道管理、心肺复苏、电除颤、静脉给药和观察创伤发展过程，有效提高教学效果和培养学生的团队协作精神。

挪度公司生产的Simman 3G具有高仿真和生理驱动2大特性，并具有自编程序，可以模拟各类“真实环境”（如医院、救护车、战场等）的临床救治情境，提供全方位的模拟训练[21，24]。目前，国内已有多家院校将其应用于临床技能的培训，使学生早期接触和体会真实的临床情境，培养了学生独立组织管理临床病例诊治的能力，强化学生的团队合作意识。将其用于跨学科医护团队综合技能的培训，显著提高培训效果，并突出培养团队的非技术能力，如医生的病情判断，方案实施准确率，医护间口头交流、传达信息的能力和合作意识等[25]。但由于我国的模拟教学刚刚起步，从师资培训、课程安排、带教模式等多方面还要继续探索和完善。相信将生理驱动模拟人和VRS技术相结合应用于护理教育，可以更好的实现情境教学、个体化教学。

2.3.2 数字化虚拟人体 简称“虚拟人”，是通过计算机技术将人体结构数字化，并利用和图像处理技术在电脑屏幕上呈现一个看似“真实”的模拟人体，可真实显示人体三维结构、再现人体组织、器官及相互间的毗邻关系，精确的定量研究空间关系。尤其适合进行手术设计、模拟手术和手术训练，同时促进显微外科、美容整形外科、介入诊断和治疗等临床教学的真实开展。随着虚拟人模拟人体的功能和部位的不断精准，在Visual Basic.NET环境中设计的临床护理虚拟教学系统，包括用户登陆及难度选择模块、护理实践模拟模块、训练评估模块、康复指导模块以及系统维护模块[16]。由于人体模型具有明显的人种差异，故结合我国数字化人体可视数据库，创建适合我国人种的各种临床医学的教学模式，是当前的应用热点和难点。

2.3.3 专科护理应用系统 日本NEC公司研发的“Sim Coeur”软件系统，可以模拟千余种患者情景和急诊患者每分钟的临床表现，突出培养了学生的判断和处理急危重症患者的能力及应变能力。该公司研制的 “Sim Nursing”模拟急诊患者软件系统，于1998年投入日本市场，用于护理程序的教学。美国Anesoft公司研发的模拟急救教学软件，包括单项技能技术的操作步骤、要点及注意事项和急救综合演练技术的全过程。文献资料显示，将上述多媒体教学视频软件和高级综合模拟人等，系统结合起来应用于“临床模拟急救培训”，能够有效地提高实习生的临床急救操作能力、团队协作能力和自信心，并提高学生的临床思维、判断能力[26]。通过构建突发公共事件虚拟救援场景，还可以提高救援人员在应急救助中的技术水平和心理适应。挪威挪度公司生产的Microsim医学模拟培训系统有院前、院内和军队医学3种版本，每个版本有不同的模块，适用范围更为广泛，训练项目更具针对性。目前，该系统已应用于护生实习前强化训练、急救护理技能、内科护理等领域。但由于该模拟系统是一种综合性的实验教学系统，因此只能在护生学完大部分专业课后进行，并且对护生学习效果评价缺乏量化标准[27]。这些VRS系统充分调动了学生对某一学科及相关领域学科的学习，系统地掌握该学科的理论知识和技能，培养学生整体临床思维。

Kowlowitz等[28]研发了一个基于距离的聚焦于问题的护理模拟程序（distance-based problem-focused nursing simulation program），应用于老年护理教育，该程序体验模板包括：先决知识条件、学习目标、病例回顾、随着时间的推移患者问题的进展，以及在线学习资源和自评工具。Broom等[29]在儿科护理学中，实施了一个相类似的程序。后面这两种属于个人开发和设计的VRS教学系统，尚未大范围的推广应该，但他们的设计思路和成熟的设计模块，为进一步开展其他护理教学内容提供了有力帮助。

2.3.4 虚拟实验室 即以计算机网络为核心，将虚拟仪器通过网络连接起来，以实现数据采集、分析，远程操作的一个系统。在虚拟实验室里，按照实验教学的基本要求，建立虚拟的工程实验环境，运用各种虚拟实验仪器仪表和设备，对建立起来的实验模型进行实时仿真，构成新型的虚拟教学实验[30]。虚拟实验室最早在1989年由美国弗吉尼亚大学的William Wulf教授提出，用于描述计算机网络化的虚拟实验室环境。1998年，麻省理工学院的WebLeb虚拟实验室投入使用。目前，虚拟实验室在发达国家已广泛普及。我国部分高校也初步建立了虚拟实验室，如清华大学、复旦大学、上海交通大学、广州暨南大学等。但目前国内用于医学教育的虚拟实验室报道较少，而关于护理虚拟实验室多处于构思阶段，这可能和医学专业的性质和特点有关。

2.4 虚拟医院

2.4.1 虚拟临床之旅 (virtual clinical excursions，VCE)20世纪80年代，美国就应用虚拟技术建立临床病例库，用于考试和教学。2005年以来，虚拟临床之旅系列教学软件和指导手册已发展到第8—第10版，覆盖了内外科护理学、妇产科护理学、儿科护理学、精神科护理学、护理学基础和护理学技术等课程，并且提供了网络学习资源。虚拟临床之旅结合护理教科书建立了虚拟医院(virtual hospital)。进入虚拟医院后，学生可以对虚拟医院里的患者进行护理，学习沟通、记录、评估和安全给药等技术，从而获取逼真、亲身经历的经验[13，31]。因此，该系统不仅有助于护理专业的理论教学，更有助于培养和提高学生临床综合判断能力和批判性思维能力。

2.4.2 在线健康服务系统(e-health delivery system)由堪萨斯大学护理学院和康宁公司共同创办，含有病例研究情景、虚拟护理单元、用药管理、护理文件编制、体格评估、与患者及健康护理小组成员交流等多个模板。学生从与网络相连的电脑进入临床体验，对各种疾病进行现实化护理。经研究评估模拟活动有助于学习者研发知识、增强临床技能和协作能力[32]。其他一些围绕一定主题建立的网络虚拟游戏，可以应用于更广泛的护理教育中，如病理生理学、调查、患者教育、临床判断等方面的教学[33]。

2.4.3 虚拟化社区 虚拟化社区的建立，是VRS应用于护理教育更广范围的一项革新技术。作为一种在线教育应用程序，虚拟化社区以具备多重交叉和开放人物故事的功能性社区为特征。通过解析病史和随着时间演变的关系，虚拟化社区以一种情景化方式为学生学习复杂的、健康相关方面的内容提供了一个有力的教学策略，它反映了真实生命类实验研究结果。护理学生在虚拟化社区中通过人物故事背景了解概念，在安全环境中使用模拟和练习技能，实践表明学生的学习投入精力和交流沟通水平显著提高[34-35]。目前，文献已报道的用于护理教育的虚拟化社区有左邻右舍 （Neighborhood）、Stillwell、镜湖（Mirror Lake）、第二人生（Second life）等[35]。

3 展望

VRS作为一种新型教学策略，其优越性已经得到越来越多的肯定。VRS模块确保每位学生在相同的情境下学习，保证了教学效果的一致性。基于集成网络技术的虚拟平台既能实现多学科内的专科性和综合性教学，又能实现院校间合作，节约和共享教学资源，促进院校间师生教学的互动交流，使学校教育和临床实践紧密结合，缩短护生向护士转变的历程。VRS与远程教育相结合，更可以服务社会有效实现在职医务人员的继续教育需求和全民基本医学知识及技能的专业培训。但要实现VRS的可持续性发展，还需首先解决以下问题：首先，用于教学的护理技能类型和程序所占比例较少，需要研发更多用于教学的护理技能训练系统和程序，尤其是数字化模拟医院护理体系的建立和推广应用将会实现护理教育的飞跃性发展；其次,VRS是对真实情境的一种仿真，其仿真程度取决于对生物人的认识和掌握的程度;在学习过程中学生难以把它当做真人对待;最后，VRS只能模拟标准状态和预设的临床反应，并不能全面反映临床情境，无法体现临床技能操作的复杂性、多变性。因此，VRS并不能完全取代临床实践，VRS与多种教学手段相结合才能真正的做到教学相长，培养出满足社会需要的全面发展的护理人才。

[1]Dutile C,Wright N,Beauchesne M.Virtual Clinical Education：Going the Full Distance in Nursing Education[J].Newborn Infant Nurs Rev,2011,11(1)：43-48.

[2]Jenson C E,Forsyth D M.Virtual Reality Simulation：Using Three-dimensional Technology to Teach Nursing Students[J].Comput Inform Nurs,2012,30(6)：312-318.

[3]宋晓瑞,曹 慧,张 艳,等.虚拟现实技术在医学中的应用[J].山东科学,2009,22(6)：79-82.

[4]Davis R L.Exploring Possibilities：Virtual Reality in Nursing Research[J].Res Theory Nurs Pract,2009,23(2)：133-147.

[5]王艳梅.虚拟现实技术的历史与未来[J].中国现代教育装备,2007（1）：108-110.

[6]吕 婷,刘桂铃,杜海洲,等.虚拟现实技术在生物医学领域中的应用[J].中国组织工程研究与临床康复,2010,14(43)：8099-8103.

[7]Simpson R l.See the Future of Distance Education[J].Nurs Manage,2006,37(2)：46-51.

[8]Kilmon C A,Brown L,Ghosh S,et al.Immersive Virtual Reality Simulations in Nursing Education[J].Nurs Educ Perspect,2010,31(5)：314-317.

[9]焦安权,钟 声.虚拟现实技术在医学领域的发展与应用研究[J].海南医学院学报,2008,14(5)：584-586.

[10]Pflesser B,Petersik A,Pommert A,et al.Exploring the Visible Human’s Inner Organs with the VOXEL-MAN 3D Navigator[J].Stud Health Technol Inform,2001,81：379-385.

[11]KatavicV.VOXEL-MAN 3D-Navigator[J].Croat Med J,2008,49：131-133.

[12]李一帆,杨茂有,尚云龙,等.三维虚拟数字化可视人体在解剖教学中的应用[J].解剖学研究,2012,34(5)：393-394.

[13]任延艳,刘化侠,武江华,等.虚拟现实技术在护理领域的应用研究进展[J].护理研究,2011,25(6)：1411-1443.

[14]Ursino M,Tasto J L,Nguyen B H,et al.CathSim：an Intravascular Catheterization Simulator on a PC[J].Stud Health Technol Inform,1999,62：360-366.

[15]Scerbo MW1,Bliss J P,Schmidt E A,et al.A Comparison of the CathSim System and Simulated Limbs for Teaching Intravenous Cannulation[J].Stud Health Technol Inform,2004,98：340-346.

[16]Chang K K,Chung J W,Wong T K.Learning Intravenous Cannulation：a Comparison of the Conventional Method and the CathSim Intravenous Training System[J].J Clin Nurs,2002,11(1)：73-78.

[17]Tsai S L,Chai S K,Hsieh L F,et al.The Use of Virtual Reality Computer Simulation in Learning Port-A Cath Injection[J].Adv Health Sci Educ Theory Pract,2008,13(1)：71-87.

[18]Melerit Medical.Melerit UrecathVision,the VR Simulator for Training In And Objective Assessment of skills in Urethra Catheterisation[DB/OL][2014-05-09].http：//www.melerit.se/html/pdf

[19]Johannesson E,Silén C,Kvist J,et al.Students’ Experiences of Learning Manual Clinical Skills Through Simulation[J].Adv Health Sci Educ Theory Pract,2013,18(1)：99-114.

[20]李玉玲,叶尚洁,应立萍,等.虚拟护理记录教学课件的研制与应用[J].护理学杂志,2012,27（15）：69-70.

[21]张惠勤,戴支凯,陈森洲,等.计算机虚拟急性毒性实验的制作[J].华夏医学,2007,20(3)：571-573.

[22]李 檬,罗泰来,陈伯华,等.医学模拟训练设备类型及发展趋势[J].海军医学杂志,2013,34(2)：134-135.

[23]Rhodes ML1,Curran C.Use of the Human Patient Simulator to Teach Clinical Judgment Skills in a Baccalaureate Nursing Program[J].Comput Inform Nurs,2005,23(5)：256-262.

[24]李安莹,唐晓鸿,邓 芳.SimMan 3G模拟教学在内科临床技能培训中的应用体会[J].中国高等医学教育,2013(7)：92-93.

[25]安 琦,刘 伟,马飞燕,等.SimMan智能模拟人生在医护综合技能培训中的应用[J].中华医学教育探索杂志,2013,12(3)：305-308.

[26]韩锋锋,潘曙明,钱 嵘,等.多媒体教学软件结合模拟人生操作系统在急救医学教育中的应用[J].中国急救医学,2007,27(5)：465-470.

[27]高 凌,叶 林,李秀敏.地市级突发公共卫生事件应急救援高端仿真训练系统设计与构建[J].中国全科医学,2011,14(23)：2664-2667.

[28]Kowlowitz V,Davenport CS,Palmer M H.Development and Dissemination of Web-Based Clinical Simulations for Continuing Nursing Education[J].J Gerontol Nurs,2009,35(4)：37-43.

[29]Broom M,Lynch M,Preece W.Using Online Simulation in Child Health Nurse Education[J].Paediatr Nurs,2009,21(8)：32-36.

[30]宋象军.虚拟实验室在高校实验教学中的应用前景[J].实验技术与管理,2005,22(1)：35-41.

[31]Elsevier Inc.VIRTUAL CLINICAL EXCURSIONS[DB/OL][2014-03-17].https：//evolve.elsevier.com/cs

[32]Connors N,Weaver C,Warren J,et al.An Academic-Business Partnership for Advancing Clinical Informatics[J].Nurs Educ Perspect,2002,23(5)：228-233.

[33]Smith-Stoner M,Willer A.Innovative Use of Internet and Intranet to Provide Education by Adding Games[J].Comput Inform Nurs,2005,23(5)：237-241.

[34]Giddens J,Hrabe D,Carlson-Sabelli L,et al.The Impact of a Virtual Community on Student Engagement and Academic Performance among Baccalaureate Nursing Students[J].J Prof Nurs,2012,28(5)：284-290.

[35]Giddens J,Fogg L,Carlson-Sabelli L.Learning and Engagement with a Virtual Community by Undergraduate Nursing Students[J].Nurs Outlook,2010,58(5)：261-267.