虚拟现实医疗护理系统设计与应用的研究进展

赵彬雨 ，吴 桐 ，冯国和 ，曹梅娟 *

1.杭州师范大学医学部，浙江 311100；2.杭州师范大学附属医院

虚拟现实(virtual reality,VR)技术日益完善，设计和服务不断创新，在军事、娱乐、教育、医疗等各个行业得到广泛的关注。国家“十三五”规划纲要和2019年民政部发布的《关于进一步扩大养老服务供给、促进养老服务消费的实施意见》均强调支持虚拟现实技术创新发展，且后者着重鼓励其在健康管理和健康促进中的应用[1-2]。目前，虚拟现实技术凭借其独特的优势在疼痛护理、心理治疗、康复训练、远程护理等多个方面展示出广阔的应用前景[3]。本研究总结了虚拟现实医疗护理系统设计和应用过程中面临的现实困境，总结并提出相应的对策，以期更好地将虚拟现实技术融入医疗护理领域，为促进虚拟现实医疗护理系统的完善和发展提供参考。

1 虚拟现实技术概述

虚拟现实技术是指利用计算机技术和传感器技术构建的三维仿真环境，调动人的视觉、听觉、触觉等多个感官，实现身临其境的体验[4]。目前其在医疗护理领域主要应用于以下几个方面：①疼痛护理，通过虚拟场景或互动游戏分散病人对疼痛的注意力，降低疼痛感知[5]；②心理治疗，利用虚拟现实技术创建虚拟场景，引导病人进入特定情景状态并逐渐适应该环境，包括创伤后应激性障碍、恐惧症、自闭症、精神分裂症等的治疗[6]；③康复治疗，通过模拟日常生活行为或以游戏方式活动肢体，实现康复训练[7]；④远程医疗护理，医护人员对虚拟病人实施临床操作，通过网络将动作传达给机器人或其他辅助设备，由其对病人进行相应的操作[8]。在以上几个领域充分展示其沉浸性、交互性和想象性三大特点，发挥无法替代的优势。

1.1 沉浸性 指通过多感官体验使用户完全融入计算机生成的虚拟世界中，甚至忽视所处的现实世界[9]。在疼痛护理中，虚拟现实镇痛技术凭借强烈的沉浸感可获得病人更多的注意力，比传统分心镇痛更能显著降低疼痛感知[10]。此外，许多传统的认知训练和心理治疗都依赖将病人暴露于真实环境中或想象特定环境，存在真实世界危险性、病人想象能力差异性等局限，虚拟现实技术凭借其高度真实感和沉浸感可有效弥补这些不足，实现安全暴露和训练，提高干预的有效性[11]。

1.2 交互性 指处于虚拟世界的用户通过声音、语言、动作等方式与虚拟环境中的各类对象进行交互活动，实现自然的交互体验感受[9]。一方面，和谐的人机交互可促进虚拟环境与客观现实融合，加深沉浸体验[12]；另一方面，虚拟现实交互体验可活动病人肢体，达到康复训练和认知训练的目的[11]。另外，虚拟现实医疗护理系统通过提供可重复且标准化的虚拟环境和交互行为，可广泛扩大病人的受益范围，有效缓解我国护理人力资源不足的问题[11]。同时虚拟现实技术也有助于实现远程体检、远程会诊等护理项目[3]，打破时空界限，节约时间成本，且在一定程度上增加病人治疗时间选择的自主性和灵活性。

1.3 想象性 指用户沉浸于虚拟环境中，通过主动探寻信息获得理性和感性的认识，进而深化概念，产生新意和构想[9]。该特点在健康教育中发挥着重要作用，可使专业术语和抽象概念形象化、具体化，病人通过观察、操纵虚拟对象，易于增加对疾病的认识与理解，提高自我管理水平[13]。在孤独症患儿的应用中，对患儿抽象思维能力和语言能力的培养有较大益处，为克服情绪障碍、社交障碍等提供帮助[12]。

2 现实困境

2.1 虚拟现实医疗护理系统尚处于起步阶段，其设计质量有待提高 目前，虚拟现实医疗护理系统处于起步阶段，在设计方面仍存在诸多问题。在设计原理层面，运用不同的医学原理可导致治疗和护理效果有较大差异；其次，较多虚拟现实医疗护理系统在设计阶段未充分把握虚拟现实技术及心理学相关原理，可影响病人的依从性和体验感[14]。在设计内容层面，不少虚拟现实医疗护理系统缺乏个性化、多样化和多功能化[15]。如老年人因易抵制变化、学习能力较差，对新技术的接受度比年轻人更低[9]，且有研究表明接受疗养院治疗、辅助生活和独立生活等不同护理程度的老年人对虚拟内容有不同偏好，包括虚拟旅行、继续教育、回忆性内容、保健和治疗相关内容等[16]，而部分系统提供的场景和内容较为单一，欠缺个性化和多样化的设计。此外，老年人可同时存在平衡功能、认知功能等多功能障碍问题，但多数虚拟现实医疗护理系统仅关注提升改善其中一方面能力，欠缺多功能化设计，不利于病人的全面康复[17-18]。在设计规范性层面，大部分虚拟现实医疗护理系统欠缺设计理论或框架的指导，存在科学性和严谨性不足的风险，且绝大多数为小样本、短期的随机对照试验，其试验结果的准确性有待商榷[6,19]。

2.2 虚拟现实医疗护理系统改变了传统的医疗护理方式，成本大幅增加 相比传统的医疗护理方式，虚拟现实医疗护理系统虽然有助于减轻人力资源不足的负担，但需借助设备达到更好的治疗和护理效果，初始运行成本较高，推广受限。在软件开发层面，虚拟现实医疗护理系统需同时兼顾临床效果和用户体验，要求护理人员、虚拟现实开发人员、策划人员等多学科团队密切合作，增加了人力成本[20]。此外，虚拟现实医疗护理系统设计完成后还需根据试验效果和病人接受度反复修改、提升场景内容和交互形式，进一步增加软件开发成本[21]。在硬件设备投入中，一套完整的虚拟现实系统常包括头盔显示器、高性能计算机、操作手柄、头部跟踪器等多个部分[22]，而虚拟现实医疗护理系统为达到更好的临床效果常增加额外的设备，如跑步机[23]、机器人手臂[24]等，更加重了成本。在后期维护中，硬件维修、软件更新以及管理费用都需要持续的资金投入[6]。

2.3 虚拟现实医疗护理系统需使用专门设备，易引起晕动症状及其他不良反应 由于技术水平受限，使用虚拟现实设备后易发生视觉诱导晕动症(VIMS)，也称晕屏症[25]，其症状主要表现为脸色苍白、冷汗、恶心、呕吐、眼部不适、方向障碍等[26]。VIMS的发生率较高，Regan等[27]的研究发现，使用虚拟现实设备的20 min内，60%的用户会出现VIMS，且症状可持续5 h。国内外多个虚拟现实医疗护理系统在试验阶段均有病人发生VIMS，绝大多数症状较轻，但仍在一定程度上影响到干预的进程和病人的接受度[28-29]。此外，在应用中还发现，封闭空间中使用虚拟现实头盔显示器因其过热可引起干眼症，蓝光可引起视网膜损伤[30]，设备产生的视觉刺激可引起高危人群癫痫发作[31]，患有特定恐惧症（如恐水、恐高）的病人在虚拟世界中面临特定场景可出现极度恐惧[29]，这不仅干扰疾病治疗、降低病人依从性，而且不利于健康。

2.4 虚拟现实护理方式的出现，对护理人员的能力提出新的挑战 护理人员的设计能力和应用能力也是影响虚拟现实医疗护理系统发展的关键因素。在设计过程中，虚拟现实医疗护理系统设计开发的门槛高，而护理人员大多缺乏计算机领域专业知识的储备，较难将虚拟现实技术与临床护理紧密结合[32]。尽管可通过跨学科合作或公司承包的方式部分弥补护理人员对虚拟现实的认识不足，但最终的应用效果仍很大程度取决于护理人员自身对产品设计的把握。在应用过程中，多数护理人员对虚拟现实医疗护理系统较为陌生，不易辨别适用对象、把握干预频率和“剂量”，且难以在临床操作中解决突发情况[33-34]。

2.5 虚拟现实医疗护理系统的普及，可能存在伦理隐患 随着5G技术和计算机技术的不断发展，未来可能普及虚拟现实远程医疗护理，但可能带来多种问题：第一，虚拟现实医疗护理系统的社区化、家庭化使病人长时间面对虚拟人物和机器，减少护患沟通，导致人文关怀相对不足或缺乏，不利于及时发现和减轻病人孤独等不良心理状态[15]。第二，虚拟现实医疗护理系统可能带来类似游戏成瘾的问题。逼真的虚拟场景和有趣的交互行为比网络和电子游戏更易让人成瘾，尤其是青少年病人[35]，当虚拟现实医疗护理系统带来乐趣的同时可以有效缓解病人的痛苦，或许会增加病人对其的依赖性[15]。第三，虚拟现实医疗护理系统的使用需采集病人基本信息和生理、心理、行为反应等数据，存在用户隐私被侵犯的风险，且其中一些深层次数据可能涉及对个人行为和意识的调控[36]。

3 对策

3.1 以病人为中心完善设计，提高虚拟现实医疗护理系统的质量 在设计原理层面，应充分发挥多学科团队合作的优势，根据病人病情选择适合的干预原理，并基于虚拟现实技术和心理学相关原理，保证治疗效果的基础上提供良好的体验感，增加依从性[14]。在设计内容层面，护理人员可观察和参与病人的生活，并通过访谈等途径了解不同群体的病人需求、对待虚拟现实技术的态度及偏好等信息，从而有助于站在病人角度开发个性化、多样化和多功能化的虚拟现实医疗护理系统[15]。在设计规范性层面，Birckhead等[19]以美国食品和药物管理局(FDA)Ⅰ～Ⅲ期药物治疗模式为指导，结合文献研究及21名国际专家的建议，最终制定虚拟现实临床研究设计的三阶段框架，即虚拟现实1、虚拟现实2和虚拟现实3。虚拟现实1侧重以用户为中心的内容设计；虚拟现实2侧重评估虚拟现实医疗护理系统的可行性、可接受性、耐受性和初步疗效，为大样本、长期的试验做好准备；虚拟现实3侧重验证虚拟现实医疗护理系统的临床效果、安全性，并探索其中的机制，为系统的普及提供科学依据。未来研究可根据此框架制定虚拟现实医疗护理系统设计的量化标准，对保障虚拟现实医疗护理系统的质量有巨大价值。

3.2 加强顶层制度设计和多方参与，解决初始运行成本高的难题 政府机构是开展医疗卫生服务体系的建立者和主导者。虚拟现实医疗护理系统研发和运行的初始资金量大，单靠学校或医院的资金投入远远不足，政府应出台相应的扶持政策，激励医院和高校及其他机构进行研究；也可通过减免税收或关联虚拟现实医疗护理服务平台来吸纳相关企业资金的加盟[37]。此外，政府可遴选重点项目，加强经费支持，进而示范推广，既防止重复研发带来的资源浪费，又助于保障虚拟现实医疗护理系统的质量[38]。在实际应用中，虚拟现实医疗护理系统的硬件设备和其他辅助设备价格下降，更是为实现虚拟现实医疗护理系统的社区化、家庭化提供一臂之力[15]。

3.3 做好预防措施，减少VIMS及其他不良反应的发生 VIMS及其他不良反应的预防重在技术上的突破和设计上的改良，同时，在虚拟现实设备使用前做好预防措施，在使用中监测不良反应的发生。在技术层面，需不断提高信息追踪交互设备的精确度，提升虚拟现实头盔显示器的舒适度，减少不良反应发生[39]。在设计层面，护理人员应注意虚拟世界中物体运动速度不宜过快[40]，虚拟现实场景的色彩、纹理和整体复杂性不宜太过丰富[41]，防止VIMS的发生。在虚拟现实医疗护理系统使用前，尽量避免平衡控制能力不佳、有VIMS史和癫痫史的人群参与虚拟现实治疗，以防VIMS或癫痫的发生[31]。在虚拟现实设备使用中，护理人员可通过模拟器晕动症问卷、姿态稳定性测试和生理状态评估等方式及时发现VIMS病人，并终止病人对虚拟现实医疗护理系统的使用[42]。此外，Cobb等[43]建议一次使用虚拟现实设备时长不超过20 min，且第1次使用时应有足够时间探索、熟悉虚拟环境。

3.4 设立虚拟现实护理小组，促进虚拟现实技术有机融入临床护理中 虚拟现实医疗护理系统的设计和开发常由虚拟现实技术人员主导，因其不了解护理工作易引起一系列问题，如若设立虚拟现实护理小组，不仅有利于设计开发契合临床需要的虚拟现实医疗护理系统，而且对规范系统相关的护理操作有很大意义。通过以虚拟现实护理小组为主导，与虚拟现实技术人员展开密切合作的设计和开发模式，加强护理人员对虚拟现实技术的认知和知识储备，利于其将虚拟现实技术的优势与临床护理紧密结合[44-45]。此外，虚拟现实技术也正在改进其高难度的资源开发和设计门槛，如虚拟现实编辑器[46]，该类软件的出现有望实现护理人员按照实际需求自由设计虚拟场景和交互模式，从而使产品更符合预期设想。在虚拟现实医疗护理系统的临床应用中，可以虚拟现实护理小组为主导，制定和完善操作指南，规范应用流程，培养临床护士对虚拟现实医疗护理系统的操作能力，促进虚拟现实技术融入临床护理中。

3.5 处理好科技和伦理关系，注重伦理层面的建设

科技是把双刃剑，虚拟现实技术带来新的治疗与护理视角，同时也存在伦理隐患。对此，以下几点措施可供参考：第一，在生物-心理-社会医学模式下，通过定期随访或虚拟现实医疗护理系统智能反馈的方式监测病人的心理、情感及社会功能变化，并采取相应的干预措施，避免不良结果的发生[47]。第二，通过设定治疗时长、加强成瘾性宣教等方式避免病人对虚拟现实医疗护理系统的过度依赖和成瘾行为[15]。第三，将涉及个人隐私数据及自主行为能力控制的深层次精确数据纳入国家安全管理的范围，制定相应的数据安全法规，引入数据安全管控机制[35]，保护病人个人信息，杜绝潜在危险。