虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在創(chuàng)傷急救教學(xué)中的應(yīng)用

江妍霞 張美珍 胡小妹 王蕓蕓

（南昌大學(xué)第一附屬醫(yī)院 江西·南昌 330006）

全球每年約有500萬(wàn)人死于創(chuàng)傷，嚴(yán)重創(chuàng)傷已成為當(dāng)今世界公共的健康問(wèn)題，創(chuàng)傷急救如處理不當(dāng)會(huì)直接影響傷員的預(yù)后，導(dǎo)致致殘率、致死率上升。[1]切實(shí)掌握創(chuàng)傷急救技術(shù)是每個(gè)醫(yī)學(xué)生應(yīng)具備的基本能力。然而，緊張、混亂、急迫的創(chuàng)傷情境及救治經(jīng)過(guò)一旦發(fā)生，不能再還原，無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室或技能訓(xùn)練室真實(shí)地再現(xiàn)，受訓(xùn)者缺乏實(shí)操前模擬訓(xùn)練的機(jī)會(huì)，且真實(shí)場(chǎng)景下沒(méi)有反復(fù)訓(xùn)練的機(jī)會(huì)。傳統(tǒng)教學(xué)下，學(xué)生雖然掌握了理論急救知識(shí)，但到了急救現(xiàn)場(chǎng)，往往不知所措，無(wú)法學(xué)以致用，嚴(yán)重影響創(chuàng)傷救護(hù)的教學(xué)效果，成為創(chuàng)傷急救教學(xué)的痛點(diǎn)難點(diǎn)。近年來(lái)，隨著信息化技術(shù)的迅速發(fā)展，新的教學(xué)方法正在不斷涌現(xiàn)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三維立體感和虛實(shí)結(jié)合沉浸感讓學(xué)生獲取更直觀、更真實(shí)的信息，有助于學(xué)生深入理解和掌握創(chuàng)傷急救的知識(shí)和技能，在創(chuàng)傷急救教學(xué)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念和起源

虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，VR）是一種集成性的信息技術(shù)，綜合了計(jì)算機(jī)圖形圖像處理、互聯(lián)網(wǎng)、傳感器、多媒體、人機(jī)交互、仿真系統(tǒng)等多種技術(shù)，可以為人們呈現(xiàn)一個(gè)具有較強(qiáng)沉浸感、模擬真實(shí)環(huán)境的虛擬世界。[2]VR最早起源于美國(guó)，1965年虛擬現(xiàn)實(shí)之父伊凡·蘇澤蘭（Ivan Sutherland）首次提出了包括具有交互圖形顯示、力反饋設(shè)備以及聲音提示的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的基本思想。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Augmented Reality，AR）是虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域中一個(gè)重要的分支，是在VR的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，包含了多媒體、三維建模、實(shí)時(shí)視頻顯示及控制、多傳感器融合、實(shí)時(shí)跟蹤及注冊(cè)、場(chǎng)景融合等新技術(shù)與新手段。[3]通過(guò)將計(jì)算機(jī)生成的虛擬物體和場(chǎng)景無(wú)縫嵌入到真實(shí)世界中而產(chǎn)生的一種特殊可視化環(huán)境，用戶通過(guò)戴上AR眼鏡、數(shù)據(jù)手套等特殊設(shè)備便可以進(jìn)入該環(huán)境中進(jìn)行人機(jī)交互，通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的結(jié)合，增強(qiáng)了用戶與環(huán)境中真實(shí)或虛擬物體的交互，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)與虛擬的無(wú)縫連接。因其有著顯著的3大優(yōu)點(diǎn)：虛實(shí)結(jié)合、實(shí)時(shí)交互、三維配準(zhǔn)，有望成為提高人們生活品質(zhì)的一項(xiàng)重要技術(shù)。[4]兩項(xiàng)技術(shù)的最大差異體現(xiàn)在用戶沉浸感，VR沉浸在完全虛擬的環(huán)境中，AR則借助于設(shè)備，使虛擬環(huán)境中的物體疊加到真實(shí)場(chǎng)景中，并與真實(shí)場(chǎng)景交互。我國(guó)虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域的研究起步于20世紀(jì)90年代，隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程的高速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)得到越來(lái)越多的重視。AR技術(shù)在全球制造/資源、政府（包括軍事）、零售、建筑、醫(yī)療保健、教育、交通運(yùn)輸、金融服務(wù)、公共事業(yè)方面都得到應(yīng)用，并且具有比VR技術(shù)更加明顯的優(yōu)勢(shì)。[5]

2 虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在教育領(lǐng)域的運(yùn)用

隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展、教育觀念不斷更新，在教育教學(xué)領(lǐng)域中，虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域的發(fā)展和完善對(duì)我們的傳統(tǒng)教學(xué)模式產(chǎn)生了巨大的沖擊。虛擬現(xiàn)實(shí)可以通過(guò)對(duì)資源合理的組織，將教學(xué)內(nèi)容通過(guò)交互式的三維空間動(dòng)態(tài)視景生動(dòng)地呈現(xiàn)于學(xué)習(xí)者面前，面前因枯燥乏味的教學(xué)理論所導(dǎo)致的學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高的情況，能夠得到有效的緩解，從而提高教學(xué)效率，改善教學(xué)效果。同VR技術(shù)相比，AR可以讓現(xiàn)實(shí)的物體場(chǎng)景和數(shù)字化虛擬對(duì)象很好地融為一體，有著更強(qiáng)的真實(shí)感，三維建模工作量也大大減少，[6]因此在實(shí)踐類、場(chǎng)景識(shí)別類的教育領(lǐng)域應(yīng)用更為廣泛。雖然AR在教育領(lǐng)域的應(yīng)用研究尚處于探索階段，國(guó)外已經(jīng)開發(fā)了較為成熟的系統(tǒng)，并結(jié)合相關(guān)的教學(xué)理論和學(xué)習(xí)理論進(jìn)行了多方面的論述。國(guó)內(nèi)高校也陸續(xù)開展相關(guān)研究工作。如北京師范大學(xué)研發(fā)的“未來(lái)之書”，利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的圖像識(shí)別、三維成像等技術(shù)克服傳統(tǒng)圖書的不足，帶來(lái)了新的教學(xué)模式和方法。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在創(chuàng)傷急救教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和發(fā)展前景

創(chuàng)傷急救要求學(xué)生必須掌握大量的急診救治技術(shù)，如外傷急救（止血、包扎、固定、搬運(yùn)）技術(shù)、心肺復(fù)蘇術(shù)、環(huán)甲膜穿刺術(shù)、胸膜腔穿刺減壓術(shù)等，而上述技術(shù)的培訓(xùn)需要多次強(qiáng)化訓(xùn)練才能讓受訓(xùn)者真正掌握。反復(fù)的急救技能培訓(xùn)需投入大量的人力物力成本，創(chuàng)傷事件的不可復(fù)制性無(wú)法全仿真模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，醫(yī)學(xué)生無(wú)法熟練掌握在不同環(huán)境下的救援技能，嚴(yán)重影響了教學(xué)任務(wù)的實(shí)施效果。近幾年來(lái)，VR技術(shù)發(fā)展迅猛，相對(duì)于傳統(tǒng)的模擬訓(xùn)練方式，可以更真實(shí)地模擬患者視角或醫(yī)師視角，從而增強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)感。創(chuàng)傷急救技術(shù)是相關(guān)專業(yè)學(xué)生必須牢固掌握的臨床技能，把傳統(tǒng)的面授教學(xué)與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，以達(dá)到較好教學(xué)效果的方法。結(jié)合創(chuàng)傷急救教學(xué)面臨的問(wèn)題，VR技術(shù)的應(yīng)用具有寓教于樂(lè)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，全仿真模擬技能培訓(xùn)、提高培訓(xùn)效果，可重復(fù)訓(xùn)練，節(jié)約教學(xué)資源，降低實(shí)踐教學(xué)成本，可多人協(xié)作等優(yōu)勢(shì)。以交通事故現(xiàn)場(chǎng)為例，通過(guò)設(shè)計(jì)創(chuàng)傷案例，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于創(chuàng)傷急救教學(xué)，再現(xiàn)急救現(xiàn)場(chǎng)及完整的急救處理過(guò)程。解決創(chuàng)傷情境不能再現(xiàn)的教學(xué)難題，并且運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以避免危險(xiǎn)和傷害，通過(guò)訓(xùn)練讓學(xué)生掌握正確的急救思維和操作流程。可以完成較全面的知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)，如通過(guò)對(duì)虛擬傷員進(jìn)行問(wèn)診，培養(yǎng)學(xué)生病史采集技能；通過(guò)對(duì)虛擬傷員體格檢查，培養(yǎng)學(xué)生在創(chuàng)傷急救中重點(diǎn)查體技能；通過(guò)對(duì)虛擬傷員癥狀及體征的判斷，培養(yǎng)學(xué)生傷情評(píng)估技能；通過(guò)在虛擬傷員上反復(fù)操作訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)傷急救基本操作技能；通過(guò)不同截點(diǎn)及處置導(dǎo)致的傷情演變體現(xiàn)急救的時(shí)效性，培養(yǎng)學(xué)生急救思維及資源配置技能；通過(guò)與虛擬傷員的交互，培養(yǎng)學(xué)生人文關(guān)懷的職業(yè)素養(yǎng)及醫(yī)患溝通技能；通過(guò)多人交互模式，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)分工協(xié)作技能。

在創(chuàng)傷急救教學(xué)中，目前國(guó)內(nèi)普遍處于使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的階段，作為虛擬現(xiàn)實(shí)的延伸，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在該領(lǐng)域的潛力不容忽視。AR可以將抽象的學(xué)習(xí)內(nèi)容變得更加形象化，學(xué)生可以通過(guò)設(shè)備從多個(gè)角度對(duì)虛擬的3D模型進(jìn)行觀察交互。提升學(xué)生的存在感、專注度、主動(dòng)性。[7]增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教育系統(tǒng)為學(xué)生提供了一個(gè)特殊的學(xué)習(xí)空間，使學(xué)生的存在感加強(qiáng)，及時(shí)地反饋語(yǔ)音、畫面等。使用自然方式交互學(xué)習(xí)對(duì)象，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的體驗(yàn)，增強(qiáng)了學(xué)生的實(shí)際運(yùn)用能力。隨著AR技術(shù)的突飛猛進(jìn)，AR眼鏡由70度FOV實(shí)現(xiàn)到110度的FOV的提升，使得我們可以通過(guò)3D建模技術(shù)重建整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景，并向AR眼鏡全視場(chǎng)輸出該虛擬場(chǎng)景。通過(guò)與光學(xué)大空間定位技術(shù)結(jié)合，參訓(xùn)人員和訓(xùn)練模型的位置被實(shí)時(shí)定位并映射到虛擬場(chǎng)景中，而在參訓(xùn)人員到達(dá)模型可操作區(qū)域時(shí)，空出模擬人可操作區(qū)域，便于使用急救器械進(jìn)行急救實(shí)操訓(xùn)練，以實(shí)現(xiàn)院前急救技能操作的虛實(shí)融合。并且通過(guò)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)于人表情和動(dòng)作的捕捉，結(jié)合3D模型制作過(guò)程中臉部及肢體的運(yùn)動(dòng)捕捉，實(shí)現(xiàn)動(dòng)作制作過(guò)程的自動(dòng)化，大大提升動(dòng)畫制作效率。所捕捉的人的體征和表情則通過(guò)AR技術(shù)貼合到模擬人的相應(yīng)位置上，結(jié)合病例數(shù)據(jù)庫(kù)在虛擬院前急救訓(xùn)練中實(shí)現(xiàn)模擬人的表情和體征的動(dòng)態(tài)變化，以提升真實(shí)感。AR輔助教學(xué)將成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，通過(guò)AR技術(shù)，線上線下虛擬現(xiàn)實(shí)結(jié)合的團(tuán)隊(duì)式訓(xùn)練，應(yīng)用現(xiàn)實(shí)病例還原，創(chuàng)造逼真的臨場(chǎng)真實(shí)感，模擬多種事故、災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)，再現(xiàn)完整的急救處理過(guò)程，充分訓(xùn)練學(xué)員現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)對(duì)、急救思維、規(guī)范操作及團(tuán)隊(duì)協(xié)作等綜合救治能力，可以用于廣大醫(yī)學(xué)生、醫(yī)務(wù)工作者、應(yīng)急救護(hù)人員、社會(huì)團(tuán)體的急救培訓(xùn)及演練。

將VR、AR技術(shù)應(yīng)用于創(chuàng)傷急救教學(xué)，是適應(yīng)當(dāng)今急診醫(yī)學(xué)教學(xué)模式的有益探索。雖然其應(yīng)用目前存在一定的局限性，如場(chǎng)景相對(duì)固定、硬件與經(jīng)濟(jì)成本高等，有待進(jìn)一步完善。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展以及設(shè)備的不斷改良，虛擬教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)將有機(jī)融合，并結(jié)合創(chuàng)傷急救的特點(diǎn)，逐步探索虛實(shí)結(jié)合的教育新模式，最終達(dá)到AR技術(shù)與模型、虛擬數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)化病人及多種3D全虛擬創(chuàng)傷現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景的多元化虛實(shí)融合，實(shí)現(xiàn)急救過(guò)程的完整模擬，讓受訓(xùn)者身臨創(chuàng)傷情境并可同步實(shí)操訓(xùn)練，從而熟練掌握創(chuàng)傷院前救治技術(shù)，提高院前救治成功率。