虚拟现实技术在临床实践教学中的应用进展

郭辰樨，欧凤荣

（中国医科大学公共卫生学院营养与食品卫生教研室，辽宁 沈阳110122）

医学教育不仅需要注重理论知识的传授，也需注重医学实践能力的培养。临床工作的复杂性决定了其对医生自身临床思维与临床实践操作能力都有着非常高的要求。医学生在掌握理论知识的基础上，更需要熟练掌握临床实践操作技能。临床实践是临床教学的重要内容，是培养和训练医学生临床思维、操作技能和实际工作能力的重要环节［1］。随着医疗环境的变化、社会期望的改变、患者对隐私权的重视以及自我保护意识的增强，传统的临床教学模式已经不能适应现有的医疗环境［2］，医学生在临床上进行技能培训受到严重限制，已成为严重影响医学人才培养质量的一个瓶颈问题［3］。现代教育技术的发展，为破解临床实践教学难题提供了新的思路。

1 模拟教学在医学教育中的发展

由于医学技术的进步、临床实践教学复杂性的增加，模拟教学成为了医学教育中的一个迅速发展的领域［4］。模拟教学可以利用各种技术创造出模拟患者、模拟病房、模拟诊室、模拟手术室乃至模拟医院等软硬件条件，在模拟环境下，医学生的临床工作能力和诊疗水平得到大幅度的提高，同时培养了正确而迅捷的临床思维，从而减少医疗差错和事故在实际临床工作中的发生［5－8］。经过长期的实践证明，模拟教学是破解临床实践教学难题的一个重要手段［9］。

1.1 医学模型 模拟教学的开展离不开多种类型的高科技医学模型。目前医学模型大致可分为基础解剖示教模型、局部功能性模型、计算机互动模型、生理驱动模拟系统、虚拟培训系统5个模块。这5个模块按照医学教育规律，满足不同阶段、不同层次对象的教学需求。基础解剖示教模型主要是展示人体各局部器官组织间关系，用于学习人体解剖知识；局部功能性模型展示人体某局部、某系统或某一学科的解剖结构和生理以及疾病的发生、发展过程，用于学生各种技能操作训练和考核；计算机互动模型可模拟正常和异常生理学和药理学反应，训练学生临床技能、临床思维能力和独立救治能力；生理驱动模拟系统通过对大量临床数据的整合，使模拟人对在其身上实施的操作做出自主的、全面的生理反应；虚拟培训系统是伴随高科技和微创外科技术的发展而兴起的，常见有外周血管穿刺与操作培训系统、心血管介入术培训系统、内镜手术与操作培训系统、腹腔镜微创手术培训系统等。

1.2 虚拟现实培训系统 （virtual reality training systems） 2016年，虚拟现实 （virtual reality，VR）技术迎来爆发式发展，成为全球IT领域创新科技的前沿技术。随着VR硬件设备的不断升级和配套计算机技术的逐渐成熟，虚拟现实培训系统迎来快速发展机遇。虚拟现实培训系统可以让医学生置身于模拟的医疗环境中，系统发布任务，学生收到任务后在模拟患者身上能直接看三维立体的解剖结构并进行具体的临床操作，在这种培训环境下，学生能够充分调动自己的多种感官，不仅训练了学生的临床思维能力，而且提高了其临床实践技术，整个环境开放且自主，整个过程安全且经济［10－12］，弥补了仿真模型价格较高、仿真耗材消耗量巨大、培训空间和师资不足的缺陷，能在较短的时间里提高学生的多项临床实践技术，从而提高培训效率［13］。有研究证实，虚拟现实培训已成为外科技能培训的支柱之一，提高了手术性能并缩短了手术时间［14－15］。因此，虚拟现实培训为破除传统医学教育高风险、高成本以及高能耗的弊端提供了一条行之有效的解决途径。

目前常用的虚拟现实培训系统中桌面式虚拟现实系统通过点选、拖拽、旋转等简单的操作得以实现，技术相对成熟，但真实的互动感不足，而且更容易受到外界环境干扰，常用于临床思维训练或诊疗演练［16－18］；腔镜与模拟器具相结合的手术培训系统如普通外科、妇产科、泌尿外科等腔镜手术培训系统［19－21］，这种虚实结合的训练模式比较常用，能够有效地提高腔镜手术技能，但由于不能完全摆脱对模具的依赖，成本相对较高；沉浸式虚拟现实系统，采用计算机技术生成逼真的视觉、听觉、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，该系统具有3个特点： （1）多感知：通过头盔提供视觉，通过耳机实现听觉，通过手套实现触觉，通过手柄实现力觉，视觉、听觉、触觉、力觉的全方面结合调动起了用户的多种感知；（2）沉浸感：创建的虚拟空间十分真实，用户通过多种感知完全沉浸在这个与现实世界相隔离的空间中；（3）交互性：通过虚拟现实手套等设备让用户的手在虚拟患者的身上进行交互时感觉到它的重量，如同在真实的世界中［22－23］。

1.3 沉浸式虚拟现实培训系统的应用研究 Huang等［24］对使用VR4－MAX沉浸式虚拟现实系统进行医学课程学习的学生进行问卷调查，发现沉浸式虚拟现实技术对学生的感知性有积极的影响。研究发现，3D－VR技术在学生学习解剖课程时，能够更好地帮助学生理解解剖部位及其周围结构、促进学生真实的学习体验，与传统教学相结合能更方便理解与记忆［25］。但是，缺点是刚开始使用因不熟悉系统功能而影响学生的注意力以及学习进度，长时间使用也会造成眼睛疲劳，影响视力健康［26］。一项前瞻性随机对照研究结果表明，VR技术可以让大量医务专业人员在不需要昂贵设备的情况下接受临床实践技能的培训［27］，医学生进行VR的手术模拟比看视频更能增加他们的手术信心［28］。因此，VR技术可以有效地提高医学生对于解剖知识的理解和记忆，增强医学生的临床实践水平，提高其实践信心。目前沉浸式虚拟现实系统已经开始应用于眼科手术、微创手术、内窥镜手术、骨科手术、牙科手术等医疗培训，多项研究证实了其用于医学教育的有效性和优越性［9，11，29－33］。虽然VR技术已得到广泛应用，但实现完全沉浸的目标仍是一项艰巨的任务和巨大的挑战［20，34］，一些瓶颈问题如目前的科技还无法做到高度还原真实场景，使用虚拟现实设备时会产生眩晕感，软硬件设施尚不完备，开发人员技术力量不足等仍有待解决。

2 医学虚拟仿真实验教学项目建设及应用

2.1 医学虚拟仿真实验教学项目建设情况 VR技术在医学教育中的研发应用在我国仍处于起步阶段，成熟产品不多。为深入推进信息技术与高等教育实验教学的深度融合，2017年教育部在普通本科高等学校实验性地开展虚拟仿真教学建设，2020年公布的首批国家级一流本科课程中，包括虚拟仿真实验教学一流课程728门［35］。为推进实验项目共建共享，教育部建设了实验空间——国家虚拟仿真实验教学项目共享服务平台（http：／／www.ilab－x.com），目前在平台上运行的临床医学类虚拟仿真实验教学项目共计97项，其中53项获批国家级一流课程，示范性虚拟仿真实验教学项目的建设极大地推动了VR技术在临床实践教学中的应用。

2.2 VR技术在腰椎穿刺术临床实践教学中的应用

2.2.1 腰椎穿刺术虚拟现实训练考评系统设计思路 腰椎穿刺术是国家临床执业医师考试大纲中规定的临床医师必须掌握的临床基础操作之一，此操作如能熟练掌握、合理应用，对临床疾病的诊断和治疗有重要价值。但由于传统腰椎穿刺术临床实践课程存在教师资源紧缺、操作的有创性、实验资源不足、损耗大等弊端，学生无法充分地进行实践训练。而建立腰椎穿刺术虚拟现实训练考评系统可实现大规模的医学生反复对腰椎穿刺术的学习，进而掌握腰椎穿刺术，并且具有无损耗、无风险、降低对教师依赖性等优势。本系统围绕腰椎穿刺术进行病例设计，采用VR技术构建虚拟现实腰椎穿刺训练评价系统，建立评价反馈体系，并根据学生应用情况及反馈，逐步优化系统。

（1）系统围绕腰椎穿刺术进行病例设计，根据国际化一流医院建设标准搭建虚拟诊疗环境，严格划分各功能区域，规范使用及管理医疗器械，协助用户浸入真实规范的医疗环境。在情境设计中强调按照临床实际规范设置医疗陈设及物品摆放、使用、管理，进行环境建模和渲染、定位、精确手势识别。 （2）根据相关操作规范，结合多年临床技能教学、实践经验，总结一套规范化、标准化临床技能操作流程。然后根据操作流程，开始软件系统开发，构建一套自主研发软件开发框架，集成主流设备厂商SDK，根据临床虚拟场景特点，构建了人机交互接口，做到数据与程序分离、业务逻辑与设备分离，并支持多平台的快速迭代。（3）建立评价反馈体系。系统记录每次学生操作步骤、时长、操作是否正确等信息，并将信息传输到数据记录平台。平台设有数据分析、数据统计功能，并可形成每个学生的电子档案，供教师进行分析与管理。（4）建设三方交互平台。采用云数据共享与即时通讯技术，建立学生、教师、教学管理三方沟通的平台。学生能够获得实时操作记录，及时自查，不断改进。教师能够利用平台远程指导，针对每个学生的问题进行有效反馈，并能根据学习效果不断改进教学内容。教学管理部门利用平台数据能够更加切实有效地评价教学方案和教学效果，实施教学改革，优化教学体系。

2.2.2 腰椎穿刺术虚拟现实训练考评系统的应用 该系统采用VR技术，运用Unity3D、3D Studio Max等工具构建虚拟的病房、处置室等操作场景，并构建医疗相关器械、患者、护士等三维模型，逼真地还原真实场景布局，将临床腰椎穿刺标准实践操作流程嵌套，通过专业的计算机程序设计出操作系统。学生可以通过穿戴相应设备，沉浸在虚拟的临床场景中，并与虚拟患者、器械等交互，真实地还原临床诊疗流程，全面提升医学生的临床操作能力。该系统分为学习模式、训练模式和考试模式3种模式。学习模式下，每一步操作都有相应的语音、文字提示及相关的知识点讲解，学生可以独自按照提示完成整个操作；训练模式下，学生可以随意进行每一个步骤的强化训练，强化学习过程的熟练程度；考试模式下，系统实时记录学生在考试过程中的所有操作，包括操作顺序、每一步的操作时长、操作是否正确等，考试完成后形成评价报告；系统设有评估反馈体系，依据中国临床医生岗位胜任力模型［36］，构建综合能力评价模型，全面评价学生能力。

该系统已大范围应用于笔者所在学校及相关教学医院，应用效果良好，学生兴趣浓厚，使用该系统训练后实践技能明显提升。该研究将信息化技术的最新成果与医学教育需求有机结合，运用VR技术有效整合现有的医学教育资源，建设虚拟现实学习环境，帮助医学生获取医学知识、精进临床技术、培养临床思维，是对以VR技术为支撑的现代化教学模式的有益探索，对VR技术在临床实践教学中的应用起到示范作用，2020年腰椎穿刺术虚拟现实训练考评系统获得国家级一流本科课程称号（http：／／www.ilab－x.com／details？id＝54＆isView＝true）。

3 VR技术在医学临床实践教学中的应用前景

虚拟现实培训系统突破了操作训练的时空限制，摆脱了对活体和材料的依赖，具有低耗损、零风险、可重复性以及自动指导等优势，已经成为当前信息技术与医学教育交叉领域的研究热点，有着广阔的应用前景［37－38］。在信息化教育背景下，VR技术在医学临床实践教学中应用将成为不可或缺的重要手段。随着科学技术的迅猛发展和软硬件设备的性能提升和价格降低，会有更多优质的医学虚拟教学资源被开发应用。VR技术在医学教育中的普及，将有助于破解传统医学教育高风险、高成本以及高能耗的难题，同时带来教与学形式的颠覆性改变，促进临床实践教学的同质化和规范化，推进教学方法改革和教学模式创新，提高医学人才培养质量。