虚拟现实技术在医学教育中应用的前沿与趋势

张志常，娄 岩

(中国医科大学公共基础学院计算机教研室，辽宁 沈阳 110122)

随着5G时代的到来，虚拟现实等新一代信息技术已呈现跨越式的发展。5G+虚拟现实技术将会为教学理念、教学平台与载体的发展带来突破性的进展。为此，对该领域国际重要期刊发表的出版物进行分析与解读，研究其前沿和趋势，对我们在医学教育中借助虚拟现实技术来进一步获得创新性的突破具有启示作用。

1 研究方法

设置检索式为：“TS=(Virtual Reality OR VR OR AR OR Augmented Reality) AND TS=(Medical education OR Medicine education)”，时间跨度为所有年份，检索日期为：2020年11月6日。从Web of Science 核心合集中检索到该主题研究文献818条，作为分析和绘制知识图谱的数据基础。使用文献计量在线分析平台(http://bibliometric.com/)、CiteSpace和VOSviewer软件进行知识图谱分析，并结合文献计量学方法，研究该领域文献的发文量、国家、机构、期刊整体分布[1]。然后对该领域文献数据进行共被引分析与可视化，讨论高被引文献与知识基础。最后，用绘制共被引文献聚类图谱和分析突发关键词的方法揭示该研究领域的主要聚类、演进路径、关键节点、前沿趋势和研究热点[1-3]。

2 文献知识图谱分析

2.1 文献年度分布

近20年来，国际上将虚拟仿真应用于医学教育的研究文献每年呈稳步上升趋势，如图1所示。该领域研究始于2000年，到2003年每年文献出版数量都在10篇左右，说明关于虚拟现实技术在医学教育领域中的应用处于起步阶段。自2004年开始，文献出版数量以较快速度增长。尤其是2018年至今，每年该领域的研究论文接近100篇，说明随着虚拟现实技术的发展以及其本身具有沉浸感、交互性及多感知性等特征，使其广泛应用于教育领域成为现实。虚拟现实技术应用将会从教学课件、教学平台及教育技术的进步到教学思想的转变发挥更大的作用，由此越来越多的学者关注虚拟现实技术在该领域的发展。

图1 该研究主题历年出版文献数

2.2 国家/地区分布

该研究文献发表在63个国家或地区，国家/地区之间的合作关系如图2所示。排名前10的国家(如表1所示)是美国(11 152篇)最多，接下来分别是加拿大(2 645篇)、英国(2 356篇)、德国(967篇)，可见美国在该领域研究中占据主导地位。在研究机构中，影响较大的包括多伦多大学、哥本哈根大学、韦仕敦大学、华盛顿大学以及哈佛大学。中介中心性最高的是多伦多大学和哈佛大学，说明这些机构在该主题的研究走到了前列，对科技前沿具有很高的敏锐性。

表1 发文量排名前10的国家/地区与机构

我国在将新一代信息技术融入医学教育中与推进“医工融合”已经做出了一些尝试，但目前我国高校和研究机构没有一所进入前10名，说明和发达国家的差距仍然很大，各高校与研究机构还应积极落实国家十四五规划，加快新技术研究与科研成果转化落地。

图2a 国家/地区合作网络

图2b 机构合作网络图2 该研究主题国家/地区与机构合作网络关系

2.3 期刊发文量及高被引期刊分析

该主题研究发表在343个期刊中，如表2所示，排名前10的期刊是ANAT SCI EDUC(43篇)最多，接下来分别是J SURG EDUC(42篇)、SURG ENDOSC(28篇)，这些期刊是该主题研究的重要载体。学术期刊相互之间的引用关系可以表征这一研究领域中知识交流的情况，其中引文形成了知识前沿，被引文献组成了知识基础。本研究中被引用次数最高的期刊是ANN SURG和SURG ENDOSC(316次)，其次是AM J SURG(311次)。对高被引期刊进行分析，高影响因子的期刊是ANN SURG(IF 10.13)，排名前10的高被引期刊其学科领域为外科学或学科教育，说明该主题研究的理论基础主要来源于外科学和学科教育等领域。

表2 排名前10的高发文量期刊和高被引期刊

2.4 高被引文献分析

参考文献分析是文献计量学最重要的指标之一，对检索到的818篇文献数据进行共被引分析，生成共被引图谱如图3所示。其中，具有高被引频次的文献表示它们在该研究领域具有重要的影响力，表3列出了被引超过20次的文献。Seymour NE(2002)共被引频次最高，为41次。

Seymour NE(2002)与Grantcharov TP(2004)先后使用虚拟现实手术模拟系统对住院医师开展了腹腔镜胆囊切除术训练，并通过随机对照实验，确认了VR手术模拟是训练腹腔镜手术技能的有效工具，显著提升了医师的手术水平，提出基于虚拟现实的培训方法可应用于医生的评估、培训和认证等多种场景[4-5]。

Gallagher AG(2005)提出将虚拟现实技术成功地整合到外科训练计划中需要考虑的实际问题，包括：客观地评估与学习体验相关的技术技能；绩效指标应与正在培训的手术任务相关；严格定义手术熟练标准；建议采取间隔的模拟训练计划[6]。

Reznick RK(2006)在新英格兰发表的综述文章《外科手术技能训练-风向变了》一文中，确认了虚拟现实技术具有增加手术技能培训的潜力，并通过计算机测量手术精度、准确度和错误率。也提出虚拟现实腹腔镜模拟器确实可以提高住院医师的解剖速度、减少手术错误，对学习者有益。他提出，要充分利用信度和效度的评估工具，如OSATS和MISTELS来建立以能力为基础的教育和评估体系，建议住院医生先进行基于模拟器的训练，当达到预设的标准并证实其手术技术的熟练程度后，才可以参与对患者的手术[7]。

Cook DA(2011)针对医疗卫生专业教育中使用虚拟现实模拟器进行医师培训的有效性做了一次全面的荟萃分析，Meta分析结果揭示了虚拟模拟训练与医师知识、技能和行为的提升效果相关[8]。

Moro C(2017)评估了利用虚拟现实和增强现实技术学习结构解剖学的有效性，认为其可以提高学习者的沉浸感和参与度，是补充解剖课程的有效手段[9]。

表3 该主题研究高被引文献

图3 该主题研究文献共被引图谱

2.5 聚类分析

参考文献共被引聚类展示了研究的子领域、知识演化路径与衔接节点，以该主题研究共被引文献为基础进行聚类分析，聚类设置参数如下：#Years Per Slice=5，Top N%=2%，采用Pruning裁切算法。聚类结果如图4所示。衡量聚类效果的参数包括Modularity值和Silhouette值。结果中，Modularity Q 得分为0.8391，大于0.5，这意味着网络被合理地划分为松散耦合的集群。The average silhouette得分为0.5485，大于0.5，表明这些聚类的同质性是可以被接受的。将从文献中提取的关键词做聚类标记。形成的主要研究聚类有本科教育 (#0 undergraduate education)、腹腔镜检查(#1 laparoscopy)、培训(#2 training)、用户计算机接口(#3 user-computer interface)、临床能力(#4 clinical competence)、解剖(#5 dissection)、神经内镜(#6 neuro endoscopy)、需求评估(#7 needs assessment)、学习策略(#8 learning strategies)、耳科(#9 otology)、教育技术(#10 educational technology)、跨专业教育(#11 interprofessional education)、喉(#12 larynx)、胎儿生物识别技术(#13 foetal biometry)、微创手术(#14 minimally invasive surgery)共15个聚类。

图4 共被引文献聚类视图

如图所示，过去二十年的研究聚类从时间线上大致分为三个阶段。早期是探索阶段，虚拟现实与计算机接口技术的研究是构建虚拟现实环境的关键指标，另外基于虚拟现实的模拟器训练是否能够提升医学生临床能力的相关讨论，也是该领域研究的重点。当研究已经明确VR模拟训练可以有效提升学生的临床技能后，进入了第二个拓展深化研究阶段，就是将VR技术作为新的教育技术与医学各专业相互融合并广泛应用的阶段，通过对医学生本科教育的探索和结合，其中包括面向腹腔镜、解剖、神经内镜、耳、喉及胎儿生物识别技术等的VR模拟培训系统不断涌现，文献Gurusamy K(2008)、Larsen CR(2009)、Sroka G(2010)、Brown PM(2012)、Cohen AR(2013)与LeBlanc J(2013)是关键衔接节点。第三个阶段VR新技术应用与教育新思维形成阶段，从2018年到现在，该领域研究已经转向到更深入的阶段，包括学习策略与跨专业教育的进展，文献Liaw SY(2018)与Bissonnette V(2019)起到了关键衔接节点的作用。

2.6 关键词共现叠加图谱

实现关键词的叠加共现图谱方法是首先生成全时间段的关键词共现底图，然后划分突现关键词的发展阶段并将其叠加到底图上，形成该图谱如图5所示。通过高突现关键词，可以探知各不同阶段的研究热点。

由图5可知，2000-2003年出现的突现词是“虚拟现实”，这表示有关虚拟现实的研究已经开始进入到医学教育领域中。2004-2013年的突现词为“计算机模拟”“腹腔镜检查”“外科教育”，说明基于虚拟现实技术的医学技能训练模拟系统从腹腔镜开始研究并拓展到外科各系统中，与外科训练紧密结合。2018-2020年热点关键词是“外科学”“增强现实”，增强现实与虚拟现实的区别是将虚拟现实与现实场景叠加，是更具创造力、交互方式更自然的技术。由此可以观察到该领域研究热点中，已不仅局限于虚拟现实技术的运用，更注重现实场景与虚拟场景的相互融合。

图5 该领域突现关键词共现叠加图谱

3 研究发现

从以上分析结果中可以看出，虚拟现实技术在医学教育领域中应用表现为：学习策略与跨专业教育，研究热点是增强现实技术的运用。在此国际趋势下，结合我国医学教育中该领域的现状进行讨论和分析。

3.1 教学策略与跨专业教育进展

如虚拟现实及其人机交互功能等智能技术的发展与进步，极大地推动了数字化学习与主动学习策略的实施。数字化教学策略的发展基于技术进步，也基于以学生为中心的教学理念。VR技术平台可以提供视觉感知、听觉感知、言语感知以及感知信息处理与自然交互，当基于VR的数字化学习策略与经典医学教学理念相互整合时，展现了基于应用创新课程的多样性并具备课程整合的吸引力。但是对具体情境下的数字化教学创新进行测试和评价，是当前数字化教学理念面临的最重要的科学挑战[10-12]。

对基于虚拟现实技术的教学策略研究，教育专家通过问卷调查、随机对照研究的荟萃分析、将虚拟模拟器与视频学习的对比研究，普遍得出结论是该教学策略可以提高医学生的临床决策能力、解剖学知识水平和提升医学生信息技术素养，也验证了面向媒体感知的自主学习有效性。同时也提出应该对学生满意度、成本效益等因素加强进一步评估[13-15]。

近年来，随着跨专业教育课程的开发，教育专家不断认识到虚拟现实技术用于跨专业教育的优势，并探索了基于VR的跨学科能力框架。他们组建了来自医学、护理、营养、药剂学、物理治疗和社会学专业的学生跨专业小组，让小组参与虚拟姑息治疗教育项目和以病人为中心的虚拟护理项目，发现虚拟现实模拟可以增强小组成员对相互依赖角色的理解，参与者对跨专业教育和跨专业团队合作的态度有所改善，并认为在未来的研究可以利用虚拟现实中的人工智能技术来实现跨专业教育中基于团队的培训[17-18]。

这些研究揭示了增强现实技术具有独特的跨学科能力，教育专家应该在包括医学、工程、社会科学和人文学科等学科中建设基于AR跨学科能力框架上达成共识，以有助于教育工作者开发跨学科项目与满足专业人员终生培训需求[19]。由此，虚拟现实技术已有效帮助跨学科教育向塑造整合式创新驱动转变。

3.2 增强现实等新技术应用

AR也叫增强现实，可将虚拟世界与真实世界相结合，并提供全新的人机交互技术。我们观测到近年来用于医学教育中的AR技术开始呈现。

如Bork F(2020)与Henssen D(2020)分别研究了增强现实技术在大体解剖学和神经解剖学教学中的有效性。Bogomolova K(2020)认为尽管3D技术在解剖学教学中效果显著，但通过增强现实技术可以更好地使学生提升视觉空间能力。上述等研究基本上解决了虚拟现实前期研究中出现的仿真度低、实训与内容分割等问题，但仍没有真正突破同时培训人数和时空限制，以及临床实训和解剖教学过分依赖高端设备支持的问题。

目前，随着5G网络的迅速发展，由于5G核心网络具有速度快、流量大、海量连接、延迟短、可靠性高和低耗能等特性，5G网络将为VR业务提高带宽和降低时延和成本提供有力保障。将虚拟医学仿真教育通过5G网络传给用户，可实现移动化、内容云化和集中化，便于集中分发管理，将为医学仿真系统网络化开辟了新的思路和技术支持。

在国内，虚拟现实技术教育已经得到了教育部的高度重视，从《教师教育振兴行动计划(2018-2022年)》《2019年教育信息化和网络安全工作要点》《教育部关于一流本科课程建设的实施意见》和《教育部办公厅关于2017-2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》等文件中，可以看出虚拟现实教育将作为创新教学的改革方式，将会贯穿我国十四五规划及未来的教育技术大变革，我们写此文的目的是给国内的教育工作者提供一些启示。