基于感知可用性与设备可用性的虚拟现实医疗与康复产品设计研究

乔煜 胡正

摘要：通过结合感知可用性与设备可用性，探索虚拟现实技术在医疗与康复领域的设计机遇与风险，为后续的研究提供参考。利用VOSviewer数据分析与可视化工具对虚拟现实技术在医疗与康复领域的研究热点进行分析，后结合感知可用性与设备可用性理论论述虚拟现实技术在医疗与康复领域的设计机遇与风险。得到虚拟现实医疗与康复产品设计的研究热点及设计影响因素。在医疗与康复领域的虚拟现实技术产品在感知可用性与设备可用性两方面有多种主客观影响因素，且在社会伦理及技术发展方面仍有改善的空间。

关键词：虚拟现实 医疗康复 感知可用性 设备可用性 产品设计 交互设计

中图分类号：TB47 文献标识码：A文章编号：1003-0069（2022）11-0074-03

Abstract：By combining perceived availability and device availability，this paper explores the design opportunities and risks of virtual reality technology in the field of medical treatment and rehabilitation，so as to provide reference for follow-up research.Using VOSviewer data analysis and visualization tools，this paper analyzes the research hotspots of virtual reality technology in the field of medical treatment and rehabilitation，and then discusses the design opportunities and risks of virtual reality technology in the field of medical treatment and rehabilitation combined with perceived availability and equipment availability.The research hotspots and design influencing factors of virtual reality medical and rehabilitation product design are obtained.In the field of medical treatment and rehabilitation，virtual reality technology products have a variety of subjective and objective influencing factors in perceived availability and equipment availability，and there is still room for improvement in social ethics and technical development.

Keywords：Virtual reality Medical rehabilitation Perceived availability

Equipment availability Product design Interaction design

引言

虛拟现实技术是21世纪的新兴交互技术，其在工业仿真、地产开发、应急救灾、文化产业、教育教学与医疗康复等多领域均有实际运用。其中，医疗产品与康复产品开发中，运用成效十分显著。国内外多个学者与研究机构都将虚拟现实技术引入医疗产品与康复产品之中，且取得了许多实质性成果。

近年来，虚拟现实在医疗与康复产品中的运用可行性已被多项学者证实，如危昔均等学者在《虚拟现实技术在国内临床康复治疗中的应用情况调查》中认为提升虚拟现实技术在提升趣味性、增强互动性、节省人力、功能导向和丰富内容等方面在康复领域中具有优势[1]。王新等学者在《虚拟现实技术在灾害救援医疗场景专科化训练中的应用探讨》中认为虚拟现实技术能在灾后救援人员PTSD心理康复治疗方面具有成效[2]。

因此，深入探索虚拟现实技术在医疗及康复领域的运用极具现实意义。为进一步深入探讨虚拟现实技术如何能更好地在医疗与康复产品之中运用，本文将结合感知可用性与设备可用性的设计理论，探讨虚拟现实技术在医疗与康复产品之中运用时的影响因素。

一、虚拟现实概念与产业发展现状

虚拟现实技术，即Virtual Reality（简称VR），是一种集成了计算机图形技术、多模态交互技术、计算机视觉识别技术、多媒体技术等的复合型新兴技术。本质是以可穿戴设备为载体，利用计算机模拟一种可直接作用于用户的感官感受，如：视、听、触、味、嗅等。用户可沉浸于由计算机所构建的虚拟三维空间世界中，与该空间内的虚拟物体进行交互。

（一）虚拟现实在消费市场方面发展历史与现状。

当今市面上普遍所认知的消费级VR设备主要来自于傲库路思（Oculus）公司在洛杉矶Oculus Connect conference大会上发布的VR头盔原型机。其在2014年被美国脸书（Facebook）公司收购，随后韩国三星公司（SAMSUNG）、日本索尼公司（SONY）、美国谷歌（Google）公司、中国HTC公司相继推出自己的消费级VR设备。2021年10月，美国脸书（Facebook）公司宣布正式更命为Meta，并宣称未来将基于虚拟现实等技术，把公司打造为一个元宇宙公司。由此可看出消费级虚拟现实产业发展正盛。

（二）虚拟现实在政府政策方面发展历史与现状。

成立于1950年的美国国家科学基金会（NSF） ，在NSF下辖的7个学部中，信息科学与工程（CISE）与计算机等学部投资了大量的虚拟现实技术研发项目。成立于1958年的美国国家航空航天局（NASA），已经建立了在空间站、航空航天与卫星维护等方面的VR训练系统，以及可供全美国使用的VR教育系统[3]。中华人民共和国国务院于2016年12月发布的《“十三五”国家信息化规划》中提到要加强包括人工智能、全息显示与虚拟现实等在内的多项战略性前沿技术发展。中华人民共和国工业和信息化部于2018年也发布了《工业和信息化部关于加快推进虚拟现实产业发展的指导意见》，其中提到要重点推进虚拟现实行业在制造、文化、教育、健康、商贸等领域的运用。

二、虚拟现实于医疗与康复领域应用现状与研究热点

（一）虚拟现实于医疗产品领域应用现状。

虚拟现实在军事航天、工業仿真、应急救灾、文化产业、医疗康复等领域的应用都被给予很高的期待。早在1997年国内就有学者提出将虚拟现实技术投入医疗领域应用[4]。2019年9月，中华人民共和国民政部于《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》中指出要优化老年用品供给，特别是医疗与康复智能机器人、老龄特化的虚拟现实康复训练设备等产品的研发。虚拟现实技术现在已经充分运用于在医疗领域的多个方面，如有德黑兰医学大学研究表明利用虚拟现实多维仿真技术模拟“虚拟手术”可切实改善医疗教育[5]。不仅如此，在影视行业中，许许多多的医疗影视导演也对未来虚拟现实技术在医疗行业的运用做出了畅想，如图1。由此可看出虚拟现实技术在医疗应用相关研究领域宽广且经久不衰。

（二）虚拟现实于医疗产品领域研究热点。

（1）研究方法。本文使用VOSviewer为研究工具，VOSviewer软件是一款由尼斯扬·范埃克（Nes Jan van Eck）等人在荷兰菜顿大学开发的数据分析与可视化软件。其优势在于能够对相应文献的发文趋势、期刊与所涉学科、国家、地区与机构、学者分布等外部特征进行量化分析，并对该领域研究的演进脉络进行系统梳理[6]。清晰地展示虚拟现实医疗与康复研究发展的宏观概况和基本信息，最终呈现并分析虚拟现实医疗研究现状、热点话题、研究趋势等问题。本文将从虚拟现实医疗与康复文献发表情况与热点趋势进行分析，如图2。

（2）研究数据。本文所用研究数据均来自于China Natoral Knowledgelnrestructure（后均简称CNKI）数据库，使用CNKI数据库，将主题设定为“虚拟现实医疗”与“虚拟现实康复”，日期设置为2018年12月1日至2021年12月1日，共检索到459篇智虚拟现实虚拟现实与医疗康复交叉应用研究文献，之后用VOSviewer软件对所获文献进行转码处理，得到可供分析使用的样本数据库。

（3）研究结论。从数据分析内容中可得出（1）在医疗的方面，在医学教育方面是近三年的研究热点。（2）在物理康复方面，生活质量、上下肢康复机器人、平衡训练、作业疗法、与远程康复是近三年该领域研究的关键词。（3）在认知康复方面，轻度认知障碍、认知功能障碍研究频率较高。

三、虚拟现实技术于医疗与康复领域实际运用优劣势分析

（一）虚拟现实运用于医疗产品的技术优势。

在技术层面上，虚拟现实技术因其存在交互性（interaction）、沉浸性（immersion）、想象性（imagination）的特性，具有信息拟真、可直观交互、跨空间沟通、高趣味性、交互环境可控、标准化、可重复等特点，多被运用于多媒体教学、工业仿真、军事航天、社交互娱、应急救灾等方面。而这些特点与特性也在医疗领域也能得到充分体现。如在疼痛缓解方面，虚拟现实是一种减轻疼痛的有效方法，东京大学医学部附属医院就将虚拟现实技术替代传统的镜像治疗技术，并用于病患的幻肢疼痛的治疗且取得了实质性的成果[7]。在心理康复方面，虚拟现实技术，被英国国民健康保险委员会（NHS）用于自闭症儿童克服自身的心理障碍且接受治疗的所有病患的病症都得到了相应改善甚至治愈[8]。

（二）虚拟现实运用于医疗产品的技术缺陷。

在技术层面上，虚拟现实也具有一定的局限性。根据美国迈阿密大学的研究，虚拟现实技术会因运动感失衡、视觉辐辏调节冲突、视觉画面缺乏深度信息，而让老年人产生如晕眩、恶心、呕吐等生理性不适[9]。网络技术也是制约虚拟现实技术发展的又一因素，网络信号不稳定、信息的输入与输出产生延迟都会导致虚拟现实用户的体验感降低。在虚拟现实设备的输入输出模块方面，尽管可通过可穿戴传感器、生物电信号捕捉贴片等手段较好的捕捉触觉运动信息，但在触觉、嗅觉、味觉信息输出端方面，仍缺乏经济方便的消费级技术设备。期待虚拟现实产业相应技术的发展。

四、感知可用性与设备可用性

可用性的评价体系主要为感知可用性（主观维度）和设备可用性（客观维度）两大类。将用户使用产品时的主观感受作为可用性评价指标、称之为感知可用性[10]。感知可用性往往用于衡量用户的主观体验和心理感受。设备可用性通常用于评估用户的任务完成程度和目标达成效果。本文从感知可用性（主观维度）和设备可用性（客观维度）对虚拟现实技术于医疗与康复产设计影响因素进行统合分析评价。

五、基于感知可用性与设备可用性的虚拟现实技术于医疗与康复产品交互设计研究

本文利用可用性的评价体系从主客观维度对在虚拟现实技术于医疗与康复产设计中的复杂设计问题与机遇进行划分，如表1。

（一）虚拟现实运用于医疗产品设计。

（1）在设备可用性层面上，虚拟现实设备的输入与输出模块作为智能可穿戴产品，不仅需要满足人体面部的基础人机尺度、并具有良好的普适性与通用性，而且需符合可穿戴产品轻巧贴身、传感精确、发放互通、实时链接的设计原则[11]。例如虚拟现实眼镜需考虑人体头部多方位多维度的旋转，从而让用户面部在六自由度运动的情况下仍能保持良好且舒适的佩戴。此外，虚拟现实可穿戴设备因重量大、透气性差、自身发热等特点亦会导致佩戴不适。虚拟现实眼镜设备因为显示器工作时自身会散发热量，并使用户的面部在较封闭的眼镜空间中形成储热微环境，从而造成主观热舒适度的降低[12]。

同时，虚拟现实医疗设备作为医疗产品中的一个分支，也需要考虑设备在医疗产品设计中的安全性、舒适性、有效性设计原则。虚拟现实医疗产品作为面向消费者的产品本身同样需要对其色彩材质表面（CMF）及情感化体验考虑。虚拟现实设备在医疗环境下材质的抗菌性、亲肤性及柔软性、结构的易清洁性、以及颜色是否能很好地融入医疗环境之中都是设计之时需要考虑的。

（2）在感知可用性层面，对于儿童等用户还需特别考虑造型的亲和力、功能的趣味性等人性化设计原则与特殊群体在使用设备时是否会有被区别对待的可能等尊严性问题。

（二）虚拟现实运用于医疗交互设计。

（1）在设备可用性层面上，设计需要清晰地分类医疗交互系统的文本类、平面类、三维类、交互类信息层级，要充分平衡患者、家属、医师、医院等多个利益相关方对于医疗交互系统的需求，基于数字化信息，塑造良好用户交互形式，形成更好的医疗康复管理模式，从而心流式沉浸性交互体验。

从交互行为与任务出发，需要根据用户的行为模式与心智模型，对用户的行为通道与感官通道进行分析，通过对感官通道的简化或补强，消弭虚拟现实技术设备的缺陷，如当触碰到虚拟现实物体时手柄产生震动，从而进一步增强用户感官体验。通过对于用户交互行为通道的置换、拆分、合并、重映射、重设计，使得交互行为更加自然，甚至达到超自然交互行为的效果[13]。

（2）在感知可用性层面，虚拟现实医疗服务要坚持以用户为中心（UCD）设计原则，改善用户在医疗过程中的心理感受，可通过相应的服务流程设计起到激励用户主观能动性的作用。

六、虚拟现实技术于医疗与康复产品设计社会与伦理反思

诚然，虚拟现实技术与医疗设计相结合是一个符合了医学、护理学、计算机科学、设计学等学科的新兴跨学科交叉合作的成果，通过虚拟现实手术模拟等途径为医学从业者提供更高效的工作工具、利用虚拟现实能充分调动具身认知的特性为医学师生提供更优质的教学手段、利用虚拟现实对于缓解疼痛的特性为病患提供更合适的治疗方案。但虚拟现实技术仍存在一定的社会伦理问题。如在虚拟现实医护之中，病患长期面对虚拟的人、事、物、场景，可能导致沉迷或成瘾。过度滥用虚拟现实在感官控制上的特性可能会引发个人价值观的扭曲甚至更大的社会危害性。迈克尔·马戴（Michael Madary） 和托马斯·梅森格（Thomas K.Metzinger）学者就曾试提出虚拟世界的伦理准则，即，零伤害、知情许可、媒体伦理与公开透明性、双重使用、因特网研究、行为准则的局限性等六个部分[14]。在虚拟现实教育之中、长期的虚拟学习空间的主体性异位、教师角色的弱化也会造成适得其反的效果。在设计实践的过程中还需多方考虑，综合评判技术的利与弊，从而扬长避短发挥技术真正的优势。

七、虚拟现实技术于医疗与康复复产品交互设计方式探索

（一）充分发挥虚拟现实技术在可直观交互、高趣味性方面的技术优势。提升用户在医疗与康复过程中的体验，并能更好地激发患者主动接受医疗与康复的能动性，从而提升医疗与康复效率，达成医患双方的共赢。如在内容设计上，可以充分利用虚拟现实能呈现宏大空间感与信息量丰富的优势，让用户沉浸其中，集中注意力进行医疗与康复。

（二）尽量避免虚拟现实技术在运动感失衡、视觉辐辏调节冲突方面的技术劣势。尽量减少用户高频次、多广度、多深度的运动交互行为，缓解用户特别是老幼用户在使用过程中所产生的生理不适感，如恶心、眩晕等。

（三）切实确保用户使用时的设备可用性，即产品使用时医疗与康复过程中的客观疗效。在虚拟现实医疗产品设计中需要在多次、科学地引用医疗与康复有效性的评估方法，如FMA运动功能评定量表、MBI日常生活活动能力评定量表等，来验证虚拟现实医疗与康复产品对患者所起到的帮助。

（四）充分考量用户使用时的感知可用性，即产品使用时医疗与康复过程中的主观感受。让患者能在使用虚拟现实医疗产品的过程中，如避免用户在使用过程中因缺乏必要的正向反馈而导致对虚拟现实医疗与康复产品产生困惑、质疑乃至厌烦的情绪。

（五）辩证看待虚拟现实技术在医疗与康复领域的运用，尤其是在社会与伦理领域，虚拟现实可能会带来的问题。例如过分依赖虚拟现实技术可能會引发的依赖性、成瘾性问题与长期沉溺虚拟空间内引发的虚拟与现实环境感知错位等问题。

八、虚拟现实技术于医疗与康复复产品应用未来趋势展望

（一）在虚拟现实医疗与康复复产品的感知可用性层面上，（1）虚拟现实技术将发挥其具身性层面上的优势，通过立体多元的模型与远程教育的便利，更人性化地降低医学生乃至病患对于医学知识的学习与理解的障碍，继续深入推动医疗教育的深入发展。（2）激励用户的主观能动性，提升用户的情感体验也可通过发挥虚拟现实在远程康复领域的社交优势，提供远程的面对面交流体验支持，从而更好地形成虚拟康复社区氛围，形成正向激励闭环。

（二）在虚拟现实医疗与康复复产品的设备可用性层面上，（1）物理康复方面，上下肢康复机器人、平衡训练、作业疗法、已被学者广泛深入的研究，并证明其一定的有效性。而如何更好地提升虚拟现实医疗产品在年龄、认知水平、人机工学等方面的的普适性，可能会是需要进一步深入研究的方向。（2）在认知康复方面，在目前虚拟现实主要关注于对认知障碍患者的研究上，而针对普通用户日常心情压抑、精神压力等轻度心理障碍方面，虚拟现实可能可以发挥积极作用。

总结

综上所述，本文基于虚拟现实技术本身，探讨了虚拟现实技术在医疗领域的先行研究与行业发展热点，并结合虚拟现实技术优劣势与感知可用性与设备可用性在虚拟现实医疗产品设计与交互设计的多个维度进行整理分析，且提出虚拟现实技术在医疗领域的运用可能存在的风险与虚拟现实技术本身的缺陷。未来需要基于虚拟现实技术的进步，进一步探索我国在虚拟现实医疗产品的可能性。

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