基于虚拟现实技术的心肺复苏培训应用进展

吴晓青，张子璇，孟昭刚

数据显示，全球成年人院外心脏骤停（out-of-hospital cardiac arrest， OHCA）的平均发病率为每年每10 万人55 人次；在中国有超过2.3 亿人患有心血管疾病，每年约有55 万人发生心脏骤停，而我国OHCA 的生存率不到1%［1］。对于OHCA 患者，及时有效的心肺复苏（cardiopulmonary resuscitation， CPR）是挽救生命的关键。心脏骤停4 min 内实施CPR的患者存活率为50%，4～6 min 实施CPR 的患者存活率则降为10%，超过6 min 实施CPR 的患者存活率仅为4%，超过10 min 实施CPR 的患者存活率接近0［2］。我国第一目击者的施救率和救治成功率均远低于发达国家和地区，因此《“健康中国2030”规划纲要》中明确指出，必须重视对急救知识及技能的培训，提升国人的急救能力与安全意识［3］。CPR 是应急救护培训的关键环节，作为战伤救护的重要组成部分，在军队卫勤战救技能培训中备受重视［4］。传统CPR培训模式相对单一枯燥，公众参与意愿低，因此《2020 年美国心脏协会心肺复苏及心血管急救指南》建议，引入全新的技术手段来开展基础或高级生命支持培训［5］。虚拟现实（virtual reality， VR）技术具有交互性、仿真性和沉浸性的特点，其在CPR 培训中的巨大潜力和独特优势，逐渐获得了学术界的共同认可。

1 VR 技术在心肺复苏领域的技术支撑

VR 是一种可创建和体验虚拟世界的计算机系统，用户可通过穿戴设备与模拟的环境进行人机交互，这一技术具有沉浸感和交互性，有效克服了传统计算机技术仅以视觉或听觉为主要感知方式的缺陷，能够让用户获得身临其境的感受［6］。目前，基于VR 技术在CPR 领域的发展主要从2 个方面出发。一是基于视频训练下的桌面VR 系统，主要应用于对CPR 的理论知识进行学习与考核。First-Aid［7］和Heart Run［8］是目前应用率较高的2 种桌面VR 系统，是经由动态建模技术打造人物模型、虚拟环境和对应的交互模型等，随后经由网络终端技术构建全新的VR 漫游，用户能够利用系统查看应急救护视频，参与试题考核及漫游虚拟场景任务。Fossl 等［9］设计了一套交互式视频模拟应用，用户能够通过模块对相关急救理论知识进行了解，早期的CPR 训练是基于VR 游戏来呈现，游戏中拥有以iOS 为平台的心脏骤停模拟器，让游戏体验者感触CPR 相关知识和具体操作要点。随着该类型应用的发展，针对CPR 指导的应用程序逐步增多，如i Resus 是一种模拟紧急情况CPR 训练的应用程序，主要是为户外医疗保健人员提供快捷指导，同时配合进行胸外按压频率检测［10］；M-AID 急救应用程序也是一种结合现实来进行CPR 指导的VR 模型，用户能够通过VR 模型对CPR 进行有效识别和在不同场景下处理方式的选择学习［11］。二是基于手持设备下的沉浸式VR 培训系统，其更加强调实践操作和动作规范性的学习。Mini-VREM［12］和 JUST VR System［13］是2 种应用较广的沉浸式VR 系统，其主要是经由客户机、服务器及多个传感器，在无线通信技术的引导下，将用户的操作信息迅速传输到VR 系统中，达到人机交互的目的。用户能够经由系统设定的场景模拟急救情况和进行场景漫游，并按照场景要求完成CPR 培训、检测等相关操作。同时，用户按压嵌入多种不同传感器的模拟人，系统就能够快速实现对按压数据的测定，随后与标准按压数据对比，评价用户的实际操作分数。

2 VR 技术在CPR 培训中的应用领域

2.1 VR 技术应用于CPR 技能培训 美国心脏协会（AHA）［14］和英国复苏协会（UK）［15］均推荐在CRP 培训中充分发挥VR 技术的趣味性、专业性，推进急救知识的普及与培训。根据多项指南内容来看，CPR 的培训重点在于使培训对象能够掌握高质量的CPR 技能，不仅需要确保有足够的按压速率、深度和胸廓充分回弹，还需要避免出现按压中断和过度通气［16-17］。Cerezo Espinosa 等［18］通过运用VR 技术与传统培训模式进行对比，发现前者可有效提升学员对CPR必要性的认识和紧张感，激发学员对紧急情况的应对能力，提升CPR 培训质量。Nas 等［19］基于“拯救生命”主题设计了针对320 名参与者的随机临床试验，将入组对象分为2 组，开展为期6 个月的专业培训，其中一组进行持续20 min 的面对面指导、讲师指导和CPR 复苏训练，另一组则引入VR技术下的CPR 培训模式，即运用复苏委员会认可的Lifesaver VR 智能手机应用程序和枕头开展VR 培训，根据设定场景进行相关知识获取和按压练习，结果发现VR 技术下的培训群体能够更好地掌握理论知识，且有着较高的知识传播意愿，研究认为在公共活动中可以通过这种全新的方式来开展CPR 培训，更有利于技能和知识的传播。Liu 等［20］认为通过构建高压训练环境与高认知负荷状态的预备信息场景，更有利于CPR 培训效果的提升，为此进行了一项受试者随机试验研究，引入沉浸式VR 技术，通过佩戴VR 眼镜进入到设定的“VR 心肺复苏科普模型”场景中，根据场景转换在虚拟环境中完成CPR 操作，同时在虚拟环境下完成其他配套演练方案，并分析各种可能的事故。Barsom 等［21］开发出一套沉浸式VR 心肺复苏训练，通过对没有任何CPR 培训背景的高中生进行相关知识指导和技能强化，使其能够根据系统提示完成CPR 操作，并可反复数次进入到不同场景进行学习，结果认为基于VR 技术的CPR 培训是针对非医学学生最有效的培训模式。Sadeghi 等［22］认为心脏术后心脏骤停具有可逆性，必须提供紧急而准确的CPR 干预，对外科医生的CPR 识别和操作有很高要求，因此在培训中设计了一套应用于CPR 联合心脏术后紧急复苏的VR 模拟场景，即基于心肺复苏虚拟模拟器（CPVRsim），设定了2 个场景：无脉电活动合并心室颤动和无脉电活动，要求心胸外科所有医生、护士、医学生均需参与培训，更为深入直观地掌握心脏外科术后CPR 的识别与操作，提高救治水平。高原［23］基于3D 建模技术打造了全新的人体心脏虚拟仿真模型，让学员能够直观、真实、全面地掌握人体心脏的构造，为CPR 培训奠定了基础。华中科技大学设计了一套CPRVR 系统［24］，用户在进入系统后，可以根据个人所需选取相应的培训内容，开展自主全真模拟培训。培训过程中不仅有详细的仿真视频图像、配套培训语音提示等，还具备标准的按压器、语音库、光学传感器，对操作数据能够实时传输反馈，对错误给予语音警告。见图1。

图1 虚拟现实技术下心肺复苏培训场景

2.2 VR 技术应用于CPR 模拟考核 VR 技术能够进行考核场景的设定模拟，从而提升操作的真实性，让考核具有更强的互动性、客观性。Rodríguez-Matestanz 等［25］在对CPR 培训成果进行考核时，基于客观结构化临床考试（OSCE）评估工具融合VR 技术，打造了全新的沉浸式VR 工作站，在正确协议下对学生沉浸式环境中的操作情况进行评估，尤其将CPR 程序设定为生存链发展的重要操作点，通过对33 名医生和安保人员评估，证实了该系统的可靠性，提升了CPR 培训性能和OSCE 评估客观性。Hubail 等［26］通过模拟独特的安全环境构建沉浸式VR 训练模式，并选取26 名参与者进行了随机单盲模拟试验研究，对VR 场景和传统培训模式进行对比，发现在VR 教学模式下参与者能够有效提升CPR操作技能和专业知识，同时在VR 场景下的考核结果客观反映出CPR 培训方面存在的缺陷，建议在课程中补充通气和制动体外除颤器（AED）操作技能，后续持续随访，3～6 个月后明确该技能可以作为保留项目。研究认为VR 技术不仅能够推动医学教育改革，还能够结合场景完成对教育内容优化的客观评价和指导。黄翠青等［27］对临床护士采用挪度（Laerdal）复苏模拟人QCPR Annie，通过蓝牙智能连接CPR培训新模式，该系统能够迅速、客观地反馈操作者实施胸廓回弹、按压深度、人工通气潮气量、按压频率等情况，同时还能够自动生成各操作要点的单项分与总分，通过考核发现部分人员在2 次人工通气时并未观察胸廓起伏情况、CPR 期间人工通气潮气量不足400 ml、未成功开放气道造成无效通气、人工通气潮气量达到了600 ml 以上等一系列问题，为CPR 培训考核提供了客观依据。林洁等［28］在对高职护生进行CPR 教学中，采取了基于姿势识别技术的CPR 培训模式，见图2，学生在操作中能够根据Kinect 姿势识别技术给予动作指导，教师则能够基于总权限评估了解学生的按压深度、频率、姿势等情况，及时给予相应的评定。除此之外，该系统还可作为学生课外练习的首选。

图2 基于姿势识别技术的心肺复苏培训模式

3 VR 技术用于心肺复苏培训的实践成效

AHA 最新的指南［29］和中国心肺复苏培训专家共识［30］中相继支持引入VR 技术，发挥虚拟沉浸和交互仿真等优势，以达到提升培训效果的目的。这也证实了近年来VR 应用于CPR 培训考核中的有效性和适用性。

3.1 提升培训意愿 相较于传统培训模式机械、枯燥、单一等不足，VR 技术的引入，调动了受训者的注意力和学习积极性，提高了受训者的参与度［31］。调查显示，受训者普遍认为这一新型训练模式可有效提高注意力、记忆力和学习动机［32］。李娜［33］对3 345 名大学新生调查发现，97.90% 学生认为掌握急救知识和技能是全民必备的技能，在选择培训模式时，74.30%的学生选择虚拟急救场景，87.80%的学生希望通过VR 学习CPR 技术。

3.2 提高培训效果 VR-CPR 游戏化、沉浸式、高仿真且灵活的教学模式可提高学习效果。彭剑飞等［34］采用范围综述的研究范式，系统总结了28 项VR 在CPR 教学中的干预效果研究，结果显示，VR 技术在CPR 培训中具有普适性，在不同干预对象中均取得良好效果，VR 培训组学生的考核成绩更高，效果更好。

3.3 强化培训记忆 研究显示，基于遗忘曲线，CPR 培训的持续性有限，尤其是相关操作要点易被遗忘［35］。一项大样本量的研究报道，35 421 名志愿者在参与CPR 培训之后3～6 个月必须参加复训，才能够避免技能的遗忘［36］。为充分了解VR 技术对CPR 培训持续性的影响，王思瑶［37］采用LifesaverVR 软件对医学生进行CPR 培训，结果发现，VR 组学生在培训后立即、1 个月后、6 个月后理论知识及技能得分均高于对照组，这说明基于VR 开展CPR 培训可延缓培训记忆的减退，延长知识和技能的维持时间，实现对培训记忆衰减的控制，具体机制尚不明确，可能与VR 技术形成脑神经刺激，强化颞叶内侧海马区及周围结构对情景式记忆的强化与编码，从而有效提升CPR 知识和技能的记忆时间有关。

3.4 丰富培训形式 借助VR 实施远程培训可以克服场地、距离和时间限制，具有更好的灵活性。研究发现，通过VR 眼镜接受专业人员远程急救培训的护士在模拟临床情境下实施CPR 具有更高的成功率和更短的完成时间，并且开展远程培训可共享优质培训师资，节约人力成本［38］。Beom等［39］研发了包含救护车、移动平台和VR 驾驶系统的救护车模拟器，在实验室中模拟出救护车行驶的情境，包括各种路况与驾驶模式，使得一些难以开展的CPR 培训成为可能。

4 存在问题与优化方向

虽然近年来多项研究已证实了VR 技术在弥补传统培训方式缺陷和创新CPR 培训模式中的优势与前景，但在大规模推广应用中仍存在较多问题亟待解决。一是VR 技术的投入成本远高于传统模式，无论是相关软件开发还是设备购置都是一项不小的耗资，很难在基层机构普及，而基于VR技术的应用程序具有更高性价比，未来可作为发展重点。二是VR 技术与设备存在短板，软件的开发有技术难度，设备的穿戴可能导致受训者视觉和前庭系统的不匹配，出现眩晕和疲劳。未来，需加大跨学科人才的培养及资金支持，致力于VR 关键技术的改进和突破，在5G 网络背景下，给用户提供更加立体化、高清化的VR 视频和高分辨率的VR 眼镜，从而给学员带来更好的体验［34］。三是VR 技术下的CPR 培训尚无明确的培训标准和技术要求，关于VR 技术使用时长、VR 技术师资力量、复训时间等各方面均未明确，故下一步需尽快制定、完善和更新相关法律、标准和协议，促进VR技术在CPR 领域的有效应用。