虚拟仿真技术在医学领域中的应用

梁 冉 ，余瑞琦 ，李 敏 ，江 华 ，2*

（1.湖北文理学院医学院，湖北 襄阳 441053；2.襄阳市中心医院/湖北文理学院附属医院，湖北 襄阳 441021）

虚拟仿真技术最早可追溯到20世纪50年代，一开始被美国军方用于对飞行员和宇航员的模拟训练。随着社会不断进步和科技不断创新与发展，虚拟仿真技术逐渐转向民用，欧洲及一些发达国家将其应用于工业、科技、交通、医疗及教育等领域。近年来，国内外虚拟仿真技术在医学领域中的应用均取得了巨大成果。从2010年到2019年，国务院和教育部出台了一系列相关政策，大力提倡高校建立虚拟仿真实验中心，虚拟仿真技术在教育领域的应用引起了研究人员的关注，使虚拟仿真技术的研究热度逐渐上升。现将虚拟仿真技术应用于医学领域的研究现状、面临的问题报告如下。

1 虚拟仿真技术在医学领域应用的文献检索结果分析

通过内容分析法，以中国知网为平台进行高级检索。把“虚拟仿真”和“医学”作为关键词进行检索，并对相关文献进行扩大检索，选取专业期刊中2010年至2019年共284篇文献作为分析样本。最后决定从文献数量年份变化、期刊来源、文献研究内容分布3个方面，利用Excel 2007软件进行统计归纳，最后生成图表[1]。

1.1 文章数量分布

通过检索发现，2010年以前关于虚拟仿真技术应用于医学领域的相关文献数量较少，在2015—2016年和2017—2018年文献数量增长明显。这种快速增长趋势主要得益于教育部加大重视和学者的关注，见图1。

1.2 期刊来源情况

图1 “虚拟仿真技术”相关文献篇数逐年分布图

由于期刊种类繁多，通过对载文量大于4的期刊进行统计分析，发现教育领域期刊居多，主要应用于高校医学基础教育阶段，而临床实践阶段应用成果不足，见表1。

表1 期刊载文量统计

1.3 研究内容

把检索到的文献按内容分为6类，见图2。调查结果显示，关于理论介绍和应用研究的文献占比较多。据数据统计显示，这两类文献自2015年后增长明显，而关于现状分析和工具介绍的文献数量相对较少。这既说明虚拟仿真技术研究不断深入，也说明虚拟仿真技术在医学应用中形成了相对完善的平台，尤其是在医学教育方面，促进医学教学模式不断改革创新。

图2 研究内容分布图

2 国内虚拟仿真技术在医学领域中的应用研究

通过对检索到的文献进行统计分析发现，目前国内虚拟仿真技术主要应用在医学领域的医学教育、临床诊断、口腔医学、虚拟手术、远程医疗、中医、康复治疗、心理治疗、实验与科研方面。

2.1 医学教育

医学教育不仅存在服务对象的特殊性，在教学过程中更存在生物安全、教学成本、教学环境等复杂的现实问题[2]。在基础医学教育中，通过构建不同学科的虚拟仿真实验教学平台和相应的管理系统，能实现师生在线互动且大大提高学生的积极性和主动性；在临床实践中，虚拟仿真技术被广泛应用，通过构建不同的病理模型和外科手术场景，实现学生在实习期间零距离接触手术；妇产科方面，当前市场已出现第四代虚拟胸腹腔手术培训系统和妇科机器人手术；儿科方面，信息化Sim Baby模拟病房和育儿箱模拟训练系统，能够帮助医护人员掌握婴幼儿的护理与治疗[3]；作为医院两大辅助学科的医学检验和医学影像，使用的大多数是高精尖仪器，教学过程中学生能接触的概率几乎为零，而构建虚拟仿真学习平台恰好弥补了这一不足。

2.2 临床诊断

诊断学是基础医学和临床医学的桥梁学科，也是医学生的一门必修课，其中问诊是医生在临床诊断中的第一步，对患者疾病诊断以及下一步治疗至关重要。但是目前疾病的发生受多因素影响，所表现的症状也各有不一，想要寻找一个相对标准的患者是比较困难的。利用虚拟临床问诊系统，例如大叶性肺炎诊疗[4]与肠道致病菌分离鉴定[5]虚拟仿真系统，通过构建临床虚拟电子病历，不仅可以锻炼学生临床诊断能力，还可以锻炼学生电子病历书写与保存能力，使临床收获的大数据得以储存，进而挖掘更多的科研数据。

2.3 口腔医学

随着口腔医学的发展，传统的经验式教学模式已经满足不了学生的学习需求，再加上实验条件落后导致教学效果差强人意，学生的学习效率不高并且学习质量也难以保证，这时虚拟仿真技术在口腔医学教学、考核、自主学习上的优势就很明显了。如在口腔操作技能中扮演重要角色的KaVo仿真头模，可以帮助学生练习口镜的使用等[6]。也有学者通过实验证明在龋病实验课中联合应用Simodont系统和KaVo仿真头模可较单一培训系统更好提升学生龋洞制备的考核成绩，并指出这是一种值得推广的教学模式[7]。但值得注意的是，想要构建综合口腔虚拟仿真实验平台成本是比较高的，需要院校之间合作完成。

2.4 虚拟手术

国内将虚拟仿真技术运用于手术是比较早的，早在2009年就有学者提出构建半导体激光角膜热成形术的虚拟仿真系统，用于当时还没有很好解决方案的高度远视的治疗[8]。在虚拟盆腔手术系统中，临床医生可以进行虚拟操作、术前规划及提前预测术中可能遇到的问题，从而优化盆腔手术方案[9]。在开颅手术中，临床缺乏可视化工具并无法评估术后影响，有学者提出构建开颅手术仿真系统，模拟开窗区域规划、手术入路、虚拟切割等过程，对不同解剖结构生成关键区域影像，能够给医生尝试不同方案的机会、评估手术方案优劣、降低手术风险、提高手术精准度[10]。将三维可视化技术运用于肝癌切除术，能够显著提升术前规划和术中导航水平[11]。近年来，虚拟手术仿真系统正逐渐完善，在训练手术操作的同时，也开始注重理论知识的考核测评。

2.5 远程医疗

远程医疗是把手术机器人作为载体，利用高速网将医生的动作进行传输，实现对患者远程实施手术，整个过程需要精密的远程通信和虚拟仿真设备。在医生端口，通过虚拟仿真设备对手术环境进行增强，对虚拟患者实施手术操作，远程端的手术机器人根据传输的指令执行手术任务。它有效解决了医疗资源分布不均和地理位置制约的问题，但是对医院设备要求高，一般小型医院不支持远程治疗，同时在虚拟空间里操作和手术机械化方面也存在很多不确定性风险。现阶段构建远程虚拟手术仿真实验系统，主要是从医学图像分析、三维重建、简单手术操作等方面实现医生的远程手术指导和医疗培训，为之后具体的远程手术操作奠定基础[12]。

2.6 中医

河南中医药大学利用虚拟仿真技术构建了中医药虚拟仿真实验教学中心，由中医基础、针灸推拿和中医临床3个模块构成[13]，能够满足学生基本学习需求。此外，上海中医药大学研究的中国二维针灸穴位人以及天津中医药大学的经穴数字模拟人都构建了二维人体针灸模型和良好的人机交互系统，促进了针灸教学改革。目前，中医的应用范围越来越广，而将虚拟仿真技术应用到中医领域也促进了中医的普及和发展。

2.7 其他医学领域

虚拟仿真技术还可应用于康复治疗、心理治疗以及实验与科研。虚拟仿真系统能够有效避免康复治疗过程中治疗场地限制、过程单一、方式统一的弊端，使患者的视、听、触觉都能沉浸到治疗环境中，进行个性化、精准化治疗。在心理治疗中，将仿真系统、模拟环境和视景系统相结合构建一个适合患者的治疗环境。研究表明，基于虚拟仿真技术的辅助疗法能有效减轻患者焦虑和抑郁症状[14]。此外，由北京理工大学光电学院团队研发的VR心理舒缓仪器与神舟十二号飞船一起飞上太空，并且在太空中完成了给航天员放松的任务。目前高校教育越来越重视学生科研思维与实验能力的培养，在研究生阶段，实验与科研能力更是决定学生能否毕业的重要指标。将虚拟仿真技术运用于对学生实验与科研能力的培养中，能使学生反复练习实验流程及操作，并且可以通过自主设计实验提高创新能力[15]。

3 国外虚拟仿真技术在医学领域中的应用研究

虚拟仿真技术在国外各领域中的应用研究更加多样化。在医学教育方面，最具代表性的就是2003年美国林登实验室开发了一个名叫Second Life（SL）的项目。它主要探究学生在虚拟现实世界里能够得到怎样的教育和成长，学生可以像在角色扮演游戏中一样，选择一个角色之后进行相应学习。SL在西方发达国家的市场占有率非常高[16]。此外，美国的20所顶尖大学和印度甘露大学进行虚拟仿真项目合作，有效利用甘露大学的远程教育网络，使甘露大学启动了一批虚拟仿真项目，实现了资源合理利用及共享[17]。

在临床实践方面，国外正在从虚拟仿真应用平台开发转向对用户使用效果评价的研究。Victoria等将虚拟仿真技术应用于护理学生的静脉穿刺训练中，并且把学生随机分为两组，对照组采用传统教学方法进行教学，实验组采用虚拟仿真技术模型进行培训，随后让这些学生在真实患者身上操作，最后根据指标进行评价，结果证明实验组学习效果优于对照组[18]。也有学者就血管内模拟训练系统进行研究，理论上血管内手术模拟可以为学生提供实践与学习经验，最后结果证明虚拟仿真系统在血管内训练中应用具有有益作用，但是并没有证据表明虚拟仿真系统可以明显改善患者预后[19]。同样关于血管内程序优化，有团队开发出了具有先进的触觉、动态成像和生理控制的全物理仿真器，这一领域最新的发展是构建了完整的体系，使整个血管内团队能够完全沉浸式进行模拟训练以及团队的危机资源管理，而对于这些技能进行客观评价的必要工具正在开发中[20]。

在临床治疗方面，国外主要着重于低频率、高风险、对技术要求较高的手术的研究。比如将虚拟仿真技术运用于MIS（微创手术），尤其是胎儿手术中的TTTs（双胎输血综合征）[21]。面对这类手术一般临床医生都没有经验，就需要一种高特异性手术培训系统达到练习目的。作为国外虚拟仿真技术最发达领域之一的耳鼻喉科学，其中耳镜检查是一种常规程序，也是几乎所有医生必备的一项关键技能，近年来也出现了许多评估工具和模拟器[22]。还有学者提出构建虚拟仿真训练器的主要挑战就是需要为用户提供真实的触觉或触觉反馈，增强训练器中的VS系统。随着新平台开发，还需要不断完善相关性能，例如时效性，可以应对新出现的问题（灾难、传染病爆发等）；可移动性，能够有效分享虚拟成果，支持训练器的广泛使用；智能性，能够根据学生过去的学习反馈情况进行相应的模拟实验修改[23]。最后在发展和完善模拟训练器时，必须要确定相比于传统方法，是否达到了更好的效果。

4 目前研究情况及面临的挑战

本次调查结果显示，国内医学领域对于虚拟仿真技术的研究主要集中在构建综合性的虚拟仿真实验教学中心以及探索新型的平台构建模式和教学方式；国外的研究主要是对虚拟仿真系统学习效果进行评价，制作相应的评价表或者开发另一个用来评价的虚拟仿真系统。从文献数量分布来看，国内虚拟仿真技术的研究呈现稳步增长趋势，但很多研究还停留在理论讨论阶段，关于应用开发及相关技术的介绍较少，对教育教学效果还需进一步确定，和发达国家相比还有一定距离。

目前市面上的虚拟仿真设备普遍存在体积大、较为笨重的特点，使用者体验不佳，并且由于人类眼睛解剖学特点，会产生辐辏—调焦冲突，长时间佩戴设备容易产生眩晕[24]。构建一个虚拟仿真系统需要专业的公司进行程序编写和三维建模，具有耗时长、成本高、制作复杂等特点，还有可能做出的系统与学校期望不符[25]。各高校之间资源相对封闭，资源不能共享，使得地区之间的差距更加明显，不利于国家整体医疗水平的提高，并且对于市面上的虚拟仿真平台，没有统一的管理体系，质量得不到保障。教师的教学方式没有随着虚拟仿真技术的应用而提高，也没有明显提高学生的学习效率和发挥虚拟仿真技术的优势[26]。对于已应用于临床的虚拟仿真技术，缺乏充足的证据证明患者的愈后情况及生存质量是否得到改善和提高。虚拟仿真系统为学生创造了一个相对安全的学习空间，允许学生有机会尝试和失败，而不会受到打击和嘲笑，这就容易让学生产生一种“我可以有下一次”的定向思维，反而忽略了临床中复杂的现实问题和对学生心理素质的要求[27]。

5 发展与展望

虚拟仿真技术已成为医学教学改革中的重要技术之一，它与医学领域的进一步融合，推动了教育的发展、人才的培养以及资源的有效利用。随着5G时代的到来，虚拟仿真技术势必会成为主流，逐渐融入人们的学习和生活中，因此在未来的平台构建中，要实现资源共享、医教共建、校企合作、校校合作等，加强虚拟仿真教学向经济欠发达地区普及，使有限的资源最大化利用。构建一个虚拟仿真平台不是挂几个牌子、申请几个项目那么简单[28]，要避免华而不实，应从用户出发，加入动画与视频，让学生把学习当成一场旅行，鼓励更多的主体参与其中。在实际教学中，不能过分依赖虚拟仿真技术，教师仍是课堂的主导，只是教师需要在新的教学环境中和学生共同探索新的教学方式，例如进行角色分工、角色互换、团队协作等。还应当注意虚拟仿真系统可能对学生造成“错误的安全感”，可以在教学过程中展示因为操作不当或抢救措施不当所导致的严重后果，提高学生的重视程度。

未来的虚拟医学领域必将是一个综合性领域，在关注虚拟仿真技术的同时，还应当关注虚拟现实技术、增强现实技术、人机交互技术、可视化技术、3D打印技术等，最好能对不同的技术进行交叉运用。虚拟仿真在教育领域的运用中，还应该考虑对教学效果的测评，开展实时监测与数据统计，促进教学效果的提升和平台的完善。未来的研究应该是探索更多的应用领域和使用途径，研究在何种课程中何时使用以及如何使用才能更好地利用虚拟仿真技术。除此之外，如何进行评价也是当前需要解决的问题，包括对设计开发的评价、学习效果的评价、教学模式的评价、系统规范化的评价等。未来，随着虚拟仿真技术水平的不断提升以及各种技术的不断融合，会有越来越多的人从虚拟仿真技术中获益。