虚拟现实技术在超声医学教学中的作用与策略

朱笔挥 杨裕佳 王丽芸 向茜 邱逦

近年来，教育部相继出台“四新”学科建设、“六卓越一拔尖”计划2.0、深化医教协同等政策，大力推进“新医科”建设，加强医科与理工文等多学科的交叉融合，培养符合时代需求的卓越医学人才。同时，教育部实施一流课程“双万计划”，其中虚拟仿真课程是推动计算机专业与临床医学专业学科深度交叉融合创新的重要举措[1]。因此，将虚拟现实技术（virtual reality，VR）应用于医学教育已成为发展趋势，也是提高医学人才培养质量的有效途径。目前，VR 技术尚未广泛应用于超声医学中，超声教学仍主要依靠于传统教学模式。为了更好地促进VR 技术与超声医学教学的融合，文章通过分析超声医学教学现状以及VR 技术应用于医学教学的案例，梳理其在超声医学教学的作用，并提出VR 技术在超声医学教学中的应用策略，以解决传统课堂教学的不足，提升超声医学人才综合能力培养，探索新医科背景下学科交叉与课程教学改革的新路径。

1 超声医学教学现状

目前，超声医学在当今的临床医学中已得到广泛应用，超声医学已成为集临床检查、诊断和治疗为一体的重要学科。因其对临床医学的重要性，各大医学高校已开始广泛重视该专业的人才培养，如何深化教育教学改革以提升超声医学人才综合能力显得尤为重要[2]。超声医学具有理论内容覆盖面广、实践操作性强的特点，超声教学的根本任务在于培养高素质、高质量的专业实用型超声技术人才，使其拥有扎实的超声物理理论基础和熟练的实践操作技能[3]。传统教学模式在理论和技能实践结合的高要求下存在许多固有局限性：（1）传统教学模式以教师讲授为主，学生缺乏自主学习性。（2）传统教学模式以临床理论和图文讲授为主，内容跨度大、抽象晦涩，学生认知负荷高、学习效果欠佳。（3）传统实践训练病例样本有限，实践教学模型相对紧缺，学生实践训练转化率低。（4）传统上机考核方式主观单一，无法实现对操作过程的客观量化评估。因此，传统教学模式已无法满足超声教学中对学生进行超声扫查和诊断技术培训的需求。

2 VR 技术在医学领域的研究进展

2.1 VR 技术

VR 技术是利用计算机仿真系统创造生成的一种三维模拟环境，通过为用户提供视觉、听觉、触觉等感官的模拟，实现现实空间的虚拟还原，让用户可进行可视化操作与交互[4-5]。其结合了计算机图形、图像处理与模式识别、人机交互、智能技术等多学科，具有较强的学科综合性和交叉性。随着VR 技术的迅速发展，国内外已将VR 技术应用到医学各领域中。

2.2 VR 在国内外医学领域的应用进展

由布伦达·维德霍尔德教授创办的加州大学圣地亚哥分校虚拟医学中心通过虚拟现实暴露疗法对恐惧症、焦虑症患者的治疗已有25 年，并成功治愈了恐惧症、焦虑症（包括术前焦虑症）、创伤后应激障碍等患者[6]。2016 年3 月，波士顿神经技术公司SyncThink 运用整合虚拟现实软件Eye-Sync 检查眼球运动状态用以辅助诊断脑震荡患者。同年英国皇家伦敦医院首次采用360°VR技术向全球直播1 例肿瘤切除手术，在VR 医学治疗发展中具有重要意义[7]。西部健康科学大学虚拟现实学习中心通过VR 技术改变解剖学的教学方式，通过提供沉浸式的深度体验提升教学质量[8]。凯斯西储大学和克利夫兰诊所合作开发的健康教育园区，校园新空间将不再有传统的解剖实验室，取而代之的将是利用微软的HoloLens 耳机来观察身体器官和系统，该项目在2020—2022 年通过远程教学首次进行了教学实践，收到了师生良好的反馈[8]。

近年，VR 技术也逐渐应用于国内临床医学和教学中，如外科、内科、妇产科等临床医学专业，并取得了良好的教学效果[9-12]。上海瑞金医院微创手术研究中心联合上海医微讯信息科技公司在2016 年实施了中国首例VR 手术直播，同年苏州大学第二附院也完成了中国首次裸眼“3D+VR+APP”技术的手术直播[8]。昆明医科大学开展了VR 模式下立体医学影像的教学，通过三维重建图像，将教学中3D 图像用VR 模式进行教学展示，直观的立体图像更易于学生理解，降低了认知负荷，多角度的观察视角有助于提高学生的专业兴趣并提升教学质量[13]。目前许多教学医院培训基地还基于VR 系统进行内镜模拟培训，VR 模拟器通过模拟内窥镜并提供与手术相关的视觉和触觉反馈有效地帮助低年资医生，从而避免实际操作环境下的错误或伤害[14]。VR 在临床教学中的推广极大提高了学生对于基本知识和技能操作的训练兴趣和教学效果，因此运用VR 教学将成为医学教学的一种趋势。

3 VR 技术在超声医学教学的作用

随着信息技术、人工智能、人机交互和三维重建技术的发展，VR 技术也在超声医学教学中得到了简单初步的应用，凭借其多感知性、沉浸性、交互性、构想性四大特征，VR 系统可将真实案例的数据信息转变为可用于教学的虚拟人体数字模型及图片[15]，实现学生与病例的互动，实现对教学内容、教学环境和教学方式的优化重塑[16]，从而使学生高效掌握超声医学知识和技能。

3.1 利用模拟教学提升教学效果

在超声专业教学中，会对包括腹部、妇产、心脏、血管及浅表各专业进行单独理论授课，内容全面系统，教学方法常采用讲授为主、练习为辅，然而学习内容展示常为文字与二维图像，抽象晦涩，学生认知负荷高。例如超声解剖结构的熟知是操作技能训练的基础，学生需兼具扎实的解剖理论知识和良好的空间想象能力才能理解传统教学内容，而当解剖结构图以单纯二维图像展示时，初入超声学习的学生对其理解有限，无法掌握复杂的解剖结构理论知识，无法进一步将解剖和实际影像进行有效结合。

VR 的多感知性可将抽象晦涩的理论知识转化为具象易懂的三维空间图像，通过虚拟多感官的体验降低认知负荷，增强学习和记忆的效果；同时VR 的沉浸性可打破实践和空间的限制，通过实时视觉反馈实现虚拟场景真实化，因此在解剖教学中，学生能够从多维度对立体生动的虚拟解剖模型进行反复观察与操作，增加学生的学习兴趣[17]。Moro 等[18]对20 名学生以VR形式进行3D 头骨模型的课程讲授，随着头骨不同部分引入，感兴趣的结构将以蓝色突出显示，结果表明VR教学让学生在成功掌握知识的同时大幅度提升了学习体验感、参与度和互动性。目前国内高校也开始将VR技术运用于解剖学课程，通过VR 技术模拟全方位立体展示肌肉、组织、血管、骨骼等解剖结构，同时可将各结构进行分离观察，极大调动了学生的学习自主性，提升了学习效率。

3.2 利用模拟实训强化实践技能训练

超声医学是一门非常依赖经验和操作技能的学科，由于超声检查结果对超声医生的依赖性强，超声图像的质量直接影响超声检查的诊断结果，因此实践技能的训练在教学中尤为重要[19]。目前实践教学主要基于传统的仿真人体组织模型或者学生互为模特进行超声技能训练。然而，仿真人体组织模型无法覆盖全面的疾病模型，且教学超声诊断仪的成本高、数量少，教学资源的紧张导致学生无法同步进行统一规范操作练习，实践操作时间短，理论和实践的转化率低，实训效果不佳。此外，面对医疗环境的现实及伦理学的要求，传统培训方式也存在无法满足类似超声介入等专科技术培养的矛盾。

VR 技术的交互性特征可通过真实临床病例的影像信息创建虚拟模拟实训场景，以低成本、可重复的方式实现操作技能的训练，能够帮助学生掌握操作技能，同时针对错误操作给予学生指导和改进，提升学生的学习自主性和学习效率，强化学生的实践技能训。目前，已有研究通过VR 技术模拟超声检查训练常规超声扫查技巧，以及模拟超声引导训练肝脏穿刺技术。同时在VR技术的帮助下，模拟各类超声介入治疗方法在不同疾病中的应用，探索有效的治疗方案，评估超声介入治疗的效果[20]。有研究发现在基于VR 技术的术中超声教学过程中，学生实际操作心理压力减小，同时由于无时间和空间限制，极大地提高了手术技巧、配合默契度及超声技术水平，真正做到了自我理解和总结从而掌握此项技术，达到了培训的目的[15]。

3.3 利用模拟系统提升考核客观性

传统超声课程考核分为理论试卷考核和技能操作考核，其中客观结构化临床考试（objective structured clinical examination，OSCE）是现今应用广泛的一种客观、有序、有组织的考核框架和考核方法，通过模拟临床场景来测试医学生的知识、技能和态度等临床能力[21]。在超声OSCE 考试中，学生需要通过超声临床思维、超声操作技能以及临床人文沟通来检验其对超声基本知识和技能的掌握程度，然而OSCE 仍然存在同一考站考核内容固定单一、考官评价不标准、无法实现全过程全面量化评估等传统考核课程问题。同时，仿真模型操作也存在仿真度低等问题导致考核缺少操作力度、疼痛控制和医患沟通等内容及过程性评价[22]。

目前，结合VR 技术的超声考核体系还未见报道，但是在其他医学专业考核系统中，VR 仿真系统因其良好的模拟效果及客观评价体系展现了良好的应用潜力。例如，利用VR 的构想性，江苏省住院医师规范化培训（口腔）临床技能考试将虚拟仿真标准化病人（virtual standardized patient，VSP）应用于OSCE 考试中，通过模拟系统让学生对VSP 进行临床诊断，包含病史采集、医患沟通、体格检查等，VSP 可以逼真还原各类口腔病症症状，系统对操作过程进行实时记录和统计，提升了考核评价的客观性[1]。四川大学华西口腔医学院也通过分析VR 仿真系统对口腔医学本科生临床操作技能的评估作用，探讨其应用于临床技能考核的可行性。他们采用Simodont 虚拟仿真系统并结合VR 技术及触觉反馈模拟临床场景，最后应用Courseware 软件提供客观评分，研究发现VR 仿真系统可以准确、客观评价学生临床技能水平，发现相同学习经验不同学生的表现差异，提示其在口腔技能考核中的应用潜力，也为其在其他临床技能考核的推广提供了良好的实践依据[22]。

4 VR 技术在超声医学教学中的应用策略

4.1 优化教学内容多感知性，增强理论的理解与记忆

构建多感知性的VR 教学内容，通过视觉、听觉、触觉等感官的模拟增强学生对理论内容的理解与记忆，提升学习效果。将教学内容中二维静态解剖示意图替换为三维动态模型，以多视角还原组织和器官的造型结构，降低认知负荷，同时VR 的授课内容可支持重复查阅，满足了学生课后复习课程讲授内容的需求，从而增强了理论知识的理解和记忆。

4.2 创建沉浸式教学环境，提升学生的学习自主性

沉浸式的教学环境能打破时间和空间的限制，有助于翻转课堂的开展，从而提升学生的学习兴趣和自主性。学生利用VR 技术进行沉浸式学习，以虚拟环境的仿真模拟还原真实环境的感知与认知，通过问题为导向或案例为导向的翻转课程开展[23-24]，让学生成为课堂的主导，激发学生的兴趣，提升学习的自主性，有助于培养学生解决复杂性问题的综合能力和高阶思维。

4.3 构建虚拟模拟场景，强化学生的实践技能练习

利用VR 技术搭建集操作演示、练习和考核为一体的虚拟仿真检查系统。教师首先将模拟病人的病例数据录入系统，并设置对应的操作规范，然后教师利用VR系统对实践步骤、重点、难点等进行在线讲解与示范，学生可通过VR 系统进行全程观摩，最后自主进行模拟操作练习，练习完成后系统基于操作规范对学生的模拟操作过程和结果进行评价与反馈，及时发现操作中存在的问题并改进。由于检查室全程虚拟化，可实现课后也无需模拟病人与指导教师，学生可直接进行模拟操作练习与指导评价。该系统利用一对多的方式替代了现行一对一的教学方式，解放了教师资源；同时，通过虚拟系统对病例的模拟替代了模拟病人，节省了教学资源；打破时间及空间限制，有助于提升学生自主学习能力和实践技能练习。

4.4 建立标准化模拟练习，强化考评体系的客观化

利用VR 技术构建VSP 及标准化考评体系[25]。学生在虚拟仿真检查室面对VSP 进行病史采集、医患沟通、超声检查，由于超声影像存在同病异图或同图异病的情况，超声诊断需要结合临床症状、病例结果等进行综合分析诊断，此模式可实现对操作过程的监控反馈和操作结果的客观评价，帮助学生自主学习建立标准，强化学生理论与实践的转化和综合诊断能力训练。同时，在学生测试考核阶段，通过VR 系统进行客观量化考评，避免主观评价的差异，可为教学质量与目标达成度提供客观的数据反馈，以方便教学计划的调整。

4.5 定期更新病例数据库，提升产教融合度

利用VR 技术构建超声医学病例库，可在教学过程中让学生全面了解各类病症的超声影像，并将病例库模型制作成VSP 用于虚拟仿真检查室的模拟练习，提升学生临床综合能力。同时，通过定期更新系统的病例与数据，将最新的临床病例引入教学，可更好地实现产教融合，实现理论与实践一体化、专业与行业一体化、教学与临床一体化，提升学生专业综合能力。

综上所述，VR 技术能有效解决超声医学传统课堂教学的不足，重点解决了教学内容晦涩难懂、实训资源紧缺、考核方式主观单一等问题，能够优化教学内容、环境和模式，提升实训质量和临床综合能力，节省临床资源，符合新医科学科交叉趋势和课程教学改革方向，在超声医学的教学中具有一定的参考意义。与此同时，目前VR 技术仍然存在对硬件和软件的要求高、虚拟系统的制作成本高周期长、临床突发情况模拟有局限性的问题。因此，加强学科交叉融合，推进医疗人员与VR 科研人员的合作能够完善VR 的不足，期待VR 技术在未来的超声医学教学中得到普及应用。