虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VRT）在外科技能培訓(xùn)中的應(yīng)用

朱倩男 黃華興 周正 黃華

摘要：計(jì)算機(jī)信息的迅速發(fā)展讓虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)成為了熱門領(lǐng)域，它可應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，特別是給醫(yī)學(xué)教學(xué)帶來前所未有的改革，通過模擬逼真的臨床實(shí)景，讓學(xué)生在仿真環(huán)境中切身感知，從而讓外科技能培訓(xùn)更高效。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；外科技能培訓(xùn)；教學(xué)模式

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）05-0041-02

2014年Facebook收購(gòu)了Oculus，掀起了第一股虛擬現(xiàn)實(shí)創(chuàng)業(yè)熱潮，2016年VR呈井噴式增長(zhǎng)，在經(jīng)過CES、MWC、GDC之后，隨著Oculus Rift、HTC Vive、三星Gear VR、索尼PS VR的大力推向市場(chǎng)，VR開始迎來內(nèi)容上的首輪爆發(fā)，硬件市場(chǎng)達(dá)到了一定的規(guī)模，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在中國(guó)得到了廣泛的關(guān)注，因此2016年也被稱為“虛擬現(xiàn)實(shí)元年”。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可應(yīng)用于娛樂休閑、軍事演習(xí)、科學(xué)研究等多個(gè)領(lǐng)域，虛擬教學(xué)也自然成為近年來醫(yī)學(xué)教學(xué)領(lǐng)域討論的熱門新興教學(xué)模式[1-2]。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality），簡(jiǎn)稱VR，也稱靈境技術(shù)或人工環(huán)境，是一種多通道的新型人機(jī)交互接口，通過采用先進(jìn)的三維圖像處理技術(shù)、傳感技術(shù)等現(xiàn)代高科技手段生成的逼真的虛擬環(huán)境，借助特殊的輸入或輸出設(shè)備，通過視、觸、嗅、聽等感覺和加速度等深感覺通道感知計(jì)算機(jī)模擬的虛擬世界，進(jìn)而與虛擬世界中的物體進(jìn)行自然交互。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality Technology，VRT）是一個(gè)跨學(xué)科的綜合集成技術(shù)，是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互技術(shù)、傳感器技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)及人工智能技術(shù)等交叉與綜合的結(jié)果[1-2]。VRT在20世紀(jì)60年代初尚處于萌芽階段，部分學(xué)者提出VRT的概念并探尋研究方向，到了90年代左右，已出現(xiàn)一些典型的應(yīng)用系統(tǒng)，從實(shí)驗(yàn)室走向了實(shí)際應(yīng)用，近十余年，VRT迅猛發(fā)展，相關(guān)軟硬件逐漸成熟，應(yīng)用于各行各業(yè)。應(yīng)用VRT的醫(yī)學(xué)被統(tǒng)稱為虛擬醫(yī)學(xué)或仿真醫(yī)學(xué)，主要用于醫(yī)學(xué)教學(xué)、疾病診斷、操作模擬、遠(yuǎn)程醫(yī)療等。在醫(yī)學(xué)教學(xué)中，VRT可建立各種虛擬昂貴設(shè)備、模擬各種真實(shí)醫(yī)療場(chǎng)景，構(gòu)建起逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，有利于學(xué)生直觀地理解教學(xué)內(nèi)容，因此，VRT成為了醫(yī)學(xué)教學(xué)關(guān)注的新熱點(diǎn)，且也是不可或缺的教學(xué)模式[3-4]。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于外科技能培訓(xùn)特的優(yōu)勢(shì)

1.虛擬仿真學(xué)習(xí)環(huán)境。相較于模擬教學(xué)而言，VRT可提供更加真實(shí)的臨床實(shí)景，打破教學(xué)的時(shí)間、空間限制，最大限度模擬操作情境。外科實(shí)踐技能的教學(xué)對(duì)動(dòng)手能力要求較強(qiáng)，以開腹手術(shù)為例，從無菌術(shù)到開腹操作，操作內(nèi)容較多，物品準(zhǔn)備時(shí)間較長(zhǎng)，開腹過程中，因模型限制，需自行想象各層次操作，逐層解剖操作時(shí)學(xué)生難以將理論所學(xué)的知識(shí)和操作實(shí)景一一對(duì)應(yīng)。在VR條件下，這些弊端不復(fù)存在，學(xué)生可直視無菌術(shù)相關(guān)操作細(xì)節(jié)，如有困惑，可暫停或者重點(diǎn)反復(fù)觀看，它可以建立人體虛擬模型，學(xué)生穿戴設(shè)備（VR眼鏡、手套、耳機(jī)等），借助跟蹤球、感覺手套等輔助工具，不僅可以對(duì)人體內(nèi)器官直觀認(rèn)識(shí)，同時(shí)還能產(chǎn)生視覺、觸覺、聽覺、運(yùn)動(dòng)覺等多感知性，讓學(xué)生在操作時(shí)有沉浸感，真正全程直視化[5]。

2.提高學(xué)生主動(dòng)性與應(yīng)變能力。學(xué)生通過VRT學(xué)習(xí)外科操作能同時(shí)獲取感性與理性的認(rèn)識(shí)。VRT超強(qiáng)的互動(dòng)性讓學(xué)生有臨場(chǎng)感，能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。VRT可容納多種臨床場(chǎng)景且能迅速更換所需場(chǎng)景，告別了一個(gè)操作教學(xué)結(jié)束后數(shù)組學(xué)生機(jī)械性模仿教師操作的傳統(tǒng)教學(xué)法。VRT可立刻調(diào)換病例，讓學(xué)生主動(dòng)思考，保持學(xué)習(xí)的興趣與積極性，可編入操作中各種可能出現(xiàn)的意外。如在止血模擬訓(xùn)練中，傳統(tǒng)的止血訓(xùn)練是通過由橡膠管模擬的血管模型進(jìn)行實(shí)戰(zhàn)演練，學(xué)生僅能了解操作步驟，但是塑膠管道不能真實(shí)模擬血管的脆性，學(xué)生在練習(xí)時(shí)僅僅滿足于結(jié)扎血管完成打結(jié)，打結(jié)過程中的質(zhì)量等難以得到重視，止血操作對(duì)應(yīng)的臨床思維難以得到培訓(xùn)。VRT可虛擬出不同部位血管的出血情景，學(xué)生面對(duì)的是一個(gè)患者，需結(jié)合患者的情況酌情思考選擇止血的方法，如按壓止血、結(jié)扎止血等，在結(jié)扎止血過程中，如果用力不當(dāng)或操作不當(dāng)時(shí)可出現(xiàn)再出血或血管撕脫等場(chǎng)景，一系列的可設(shè)計(jì)的意外更接近臨床的多可能性，挑戰(zhàn)學(xué)生的心理素質(zhì)和應(yīng)急處理能力?？梢哉fVRT更有不可預(yù)知性、真實(shí)性和挑戰(zhàn)性，訓(xùn)練學(xué)生應(yīng)變能力與臨床思維，告別傳統(tǒng)教師對(duì)操作重點(diǎn)單調(diào)的旁白插入等方式。

3.節(jié)約教學(xué)成本。外科很多操作需要較為復(fù)雜的機(jī)器、模型，例如進(jìn)行闌尾切除訓(xùn)練時(shí)我們多數(shù)使用大白兔進(jìn)行教學(xué)，動(dòng)物準(zhǔn)備、場(chǎng)地準(zhǔn)備、器械準(zhǔn)備和師生準(zhǔn)備等需要極大的資金消耗和時(shí)間消耗，難以保證每個(gè)學(xué)生都有操作的機(jī)會(huì)。但是VRT完美地解決了這個(gè)問題，它可以迅速?gòu)?fù)原，因?yàn)槭翘摂M系統(tǒng)，幾乎無器材耗費(fèi)，直接三維重建人體模型供學(xué)生進(jìn)行練習(xí)，使得準(zhǔn)備時(shí)間最短。無限次重復(fù)彌補(bǔ)了臨床實(shí)踐中機(jī)會(huì)不均等、經(jīng)驗(yàn)積累緩慢等不足，且系統(tǒng)可提供評(píng)分記錄功能、記錄功能等，不僅讓每個(gè)學(xué)生都有動(dòng)手并反復(fù)練習(xí)的機(jī)會(huì)，還可以讓學(xué)生通過客觀的考核評(píng)估、回顧操作細(xì)節(jié)等找到自身失誤后改正提升。學(xué)生在虛擬環(huán)境下操作，無須擔(dān)心器械的損壞，無須擔(dān)心操作的失真感，更無須擔(dān)心醫(yī)患矛盾、醫(yī)療風(fēng)險(xiǎn)等[1-6]。

4.可與其他教學(xué)模式有機(jī)結(jié)合。醫(yī)學(xué)教學(xué)模式的改革創(chuàng)新一直是教育的關(guān)注點(diǎn)，近年來各種教學(xué)法如PBL、CBL、TBL、模擬教學(xué)等都備受關(guān)注，從一開始各教學(xué)模式的單獨(dú)研究，到現(xiàn)在的有機(jī)結(jié)合，VRT可結(jié)合各種教學(xué)模式，小到單個(gè)操作，大到綜合搶救等，甚至虛擬完整的醫(yī)院系統(tǒng)，融入患者信息、病例等，從模擬問診、醫(yī)患溝通、實(shí)踐操作等完整接診并處理患者，讓學(xué)生充分發(fā)揮想象力，拓展臨床思維，提升實(shí)踐能力，提高學(xué)習(xí)效率，加速醫(yī)學(xué)生的培養(yǎng)周期。當(dāng)然，VRT的適用人群也極其廣泛，不局限于醫(yī)學(xué)生，對(duì)有需要的研究生、住院醫(yī)師、主治醫(yī)師甚至主任醫(yī)師等都可進(jìn)行模擬培訓(xùn)，根據(jù)不同人群不同的需求，編寫對(duì)應(yīng)的程序即可。

5.遠(yuǎn)程教學(xué)。VRT可提供現(xiàn)場(chǎng)直播，一些需要觀摩的外科手術(shù)因無菌高要求等會(huì)限制手術(shù)室中操作的觀摩人數(shù)，有的現(xiàn)場(chǎng)觀摩人員也會(huì)因?yàn)楸苊馕廴緹o菌區(qū)或影響手術(shù)者而不能觀摩到手術(shù)的細(xì)節(jié)，為了滿足更多觀摩學(xué)習(xí)的需要，可通過將VR的直播相機(jī)架在主刀醫(yī)生上方全方位錄手術(shù)現(xiàn)場(chǎng)的場(chǎng)景，通過融合、轉(zhuǎn)換、渲染等技術(shù)處理后傳輸?shù)捷敵龆艘灾鞯兜囊曇斑M(jìn)行實(shí)時(shí)播放，也可進(jìn)行錄制，實(shí)現(xiàn)了跨地域的遠(yuǎn)程教學(xué)。

三、面臨的挑戰(zhàn)

雖然VRT有不可替代的優(yōu)勢(shì)，但結(jié)合醫(yī)學(xué)教育的專業(yè)特性，其在醫(yī)學(xué)教育中還處于初步發(fā)展階段，在廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)生甚至醫(yī)生教學(xué)前仍面臨很多挑戰(zhàn)。VRT運(yùn)行需要龐大的數(shù)據(jù)量，對(duì)網(wǎng)絡(luò)及轉(zhuǎn)換器要求較高，否則會(huì)出現(xiàn)因數(shù)據(jù)傳輸不流暢而導(dǎo)致的虛擬場(chǎng)景斷斷續(xù)續(xù)或模擬中斷等，弱化了VRT的優(yōu)勢(shì)。因?yàn)樾畔鬟f的客觀條件限制，遠(yuǎn)程VRT的操作有一定的信息延遲，會(huì)導(dǎo)致應(yīng)對(duì)操作的延遲。再者VRT軟件尚未成熟，仍需加入更多醫(yī)學(xué)專業(yè)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)、案例、操作規(guī)范流程等。另外VR硬件設(shè)備價(jià)格較高，高校用于教學(xué)需要多套購(gòu)入，部分學(xué)校在場(chǎng)地和經(jīng)費(fèi)上有一定的制約[7]。

隨著現(xiàn)在信息化的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)高性能微處理器的突破和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的提升，我國(guó)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究會(huì)不斷深入完善，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用也逐步廣泛，與國(guó)際接軌，終有一天VRT會(huì)給醫(yī)學(xué)教育帶來巨大的變革，協(xié)助培養(yǎng)出更多優(yōu)秀的醫(yī)學(xué)人才。

參考文獻(xiàn)：

[1]李新暉，陳梅蘭.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2016：1-16.

[2]張鳳軍，戴國(guó)忠，彭曉蘭.虛擬現(xiàn)實(shí)的人機(jī)交互綜述[J].中國(guó)科學(xué)：信息科學(xué)，2016，（12）：1711-1736.

[3]黎學(xué)堅(jiān)，黃澤文，蘇淵湖.淺談虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].廣東科技，2015，24（14）：76-77

[4]田繼紅，蔣岱.從虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）發(fā)展看未來醫(yī)學(xué)教育的變革[J].中國(guó)管理信息化，2017，20（6）：209-210.

[5]沈冰.虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔延時(shí)感和沉浸感的研究[J].電子產(chǎn)品世界，2016，23（7）：43-45.

[6]丁楠，汪亞珉.虛擬現(xiàn)實(shí)在教育中的應(yīng)用：優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2017，27（2）：19-25.

[7]曹煊.虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)瓶頸[J].科技導(dǎo)報(bào)，2016，（15）：94-103.