虛擬仿真技術在醫(yī)學領域中的應用

梁 冉 ，余瑞琦 ，李 敏 ，江 華 ，2*

（1.湖北文理學院醫(yī)學院，湖北 襄陽 441053；2.襄陽市中心醫(yī)院/湖北文理學院附屬醫(yī)院，湖北 襄陽 441021）

虛擬仿真技術最早可追溯到20世紀50年代，一開始被美國軍方用于對飛行員和宇航員的模擬訓練。隨著社會不斷進步和科技不斷創(chuàng)新與發(fā)展，虛擬仿真技術逐漸轉向民用，歐洲及一些發(fā)達國家將其應用于工業(yè)、科技、交通、醫(yī)療及教育等領域。近年來，國內(nèi)外虛擬仿真技術在醫(yī)學領域中的應用均取得了巨大成果。從2010年到2019年，國務院和教育部出臺了一系列相關政策，大力提倡高校建立虛擬仿真實驗中心，虛擬仿真技術在教育領域的應用引起了研究人員的關注，使虛擬仿真技術的研究熱度逐漸上升?，F(xiàn)將虛擬仿真技術應用于醫(yī)學領域的研究現(xiàn)狀、面臨的問題報告如下。

1 虛擬仿真技術在醫(yī)學領域應用的文獻檢索結果分析

通過內(nèi)容分析法，以中國知網(wǎng)為平臺進行高級檢索。把“虛擬仿真”和“醫(yī)學”作為關鍵詞進行檢索，并對相關文獻進行擴大檢索，選取專業(yè)期刊中2010年至2019年共284篇文獻作為分析樣本。最后決定從文獻數(shù)量年份變化、期刊來源、文獻研究內(nèi)容分布3個方面，利用Excel 2007軟件進行統(tǒng)計歸納，最后生成圖表[1]。

1.1 文章數(shù)量分布

通過檢索發(fā)現(xiàn)，2010年以前關于虛擬仿真技術應用于醫(yī)學領域的相關文獻數(shù)量較少，在2015—2016年和2017—2018年文獻數(shù)量增長明顯。這種快速增長趨勢主要得益于教育部加大重視和學者的關注，見圖1。

1.2 期刊來源情況

圖1 “虛擬仿真技術”相關文獻篇數(shù)逐年分布圖

由于期刊種類繁多，通過對載文量大于4的期刊進行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)教育領域期刊居多，主要應用于高校醫(yī)學基礎教育階段，而臨床實踐階段應用成果不足，見表1。

表1 期刊載文量統(tǒng)計

1.3 研究內(nèi)容

把檢索到的文獻按內(nèi)容分為6類，見圖2。調(diào)查結果顯示，關于理論介紹和應用研究的文獻占比較多。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，這兩類文獻自2015年后增長明顯，而關于現(xiàn)狀分析和工具介紹的文獻數(shù)量相對較少。這既說明虛擬仿真技術研究不斷深入，也說明虛擬仿真技術在醫(yī)學應用中形成了相對完善的平臺，尤其是在醫(yī)學教育方面，促進醫(yī)學教學模式不斷改革創(chuàng)新。

圖2 研究內(nèi)容分布圖

2 國內(nèi)虛擬仿真技術在醫(yī)學領域中的應用研究

通過對檢索到的文獻進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)虛擬仿真技術主要應用在醫(yī)學領域的醫(yī)學教育、臨床診斷、口腔醫(yī)學、虛擬手術、遠程醫(yī)療、中醫(yī)、康復治療、心理治療、實驗與科研方面。

2.1 醫(yī)學教育

醫(yī)學教育不僅存在服務對象的特殊性，在教學過程中更存在生物安全、教學成本、教學環(huán)境等復雜的現(xiàn)實問題[2]。在基礎醫(yī)學教育中，通過構建不同學科的虛擬仿真實驗教學平臺和相應的管理系統(tǒng)，能實現(xiàn)師生在線互動且大大提高學生的積極性和主動性；在臨床實踐中，虛擬仿真技術被廣泛應用，通過構建不同的病理模型和外科手術場景，實現(xiàn)學生在實習期間零距離接觸手術；婦產(chǎn)科方面，當前市場已出現(xiàn)第四代虛擬胸腹腔手術培訓系統(tǒng)和婦科機器人手術；兒科方面，信息化Sim Baby模擬病房和育兒箱模擬訓練系統(tǒng)，能夠幫助醫(yī)護人員掌握嬰幼兒的護理與治療[3]；作為醫(yī)院兩大輔助學科的醫(yī)學檢驗和醫(yī)學影像，使用的大多數(shù)是高精尖儀器，教學過程中學生能接觸的概率幾乎為零，而構建虛擬仿真學習平臺恰好彌補了這一不足。

2.2 臨床診斷

診斷學是基礎醫(yī)學和臨床醫(yī)學的橋梁學科，也是醫(yī)學生的一門必修課，其中問診是醫(yī)生在臨床診斷中的第一步，對患者疾病診斷以及下一步治療至關重要。但是目前疾病的發(fā)生受多因素影響，所表現(xiàn)的癥狀也各有不一，想要尋找一個相對標準的患者是比較困難的。利用虛擬臨床問診系統(tǒng)，例如大葉性肺炎診療[4]與腸道致病菌分離鑒定[5]虛擬仿真系統(tǒng)，通過構建臨床虛擬電子病歷，不僅可以鍛煉學生臨床診斷能力，還可以鍛煉學生電子病歷書寫與保存能力，使臨床收獲的大數(shù)據(jù)得以儲存，進而挖掘更多的科研數(shù)據(jù)。

2.3 口腔醫(yī)學

隨著口腔醫(yī)學的發(fā)展，傳統(tǒng)的經(jīng)驗式教學模式已經(jīng)滿足不了學生的學習需求，再加上實驗條件落后導致教學效果差強人意，學生的學習效率不高并且學習質量也難以保證，這時虛擬仿真技術在口腔醫(yī)學教學、考核、自主學習上的優(yōu)勢就很明顯了。如在口腔操作技能中扮演重要角色的KaVo仿真頭模，可以幫助學生練習口鏡的使用等[6]。也有學者通過實驗證明在齲病實驗課中聯(lián)合應用Simodont系統(tǒng)和KaVo仿真頭模可較單一培訓系統(tǒng)更好提升學生齲洞制備的考核成績，并指出這是一種值得推廣的教學模式[7]。但值得注意的是，想要構建綜合口腔虛擬仿真實驗平臺成本是比較高的，需要院校之間合作完成。

2.4 虛擬手術

國內(nèi)將虛擬仿真技術運用于手術是比較早的，早在2009年就有學者提出構建半導體激光角膜熱成形術的虛擬仿真系統(tǒng)，用于當時還沒有很好解決方案的高度遠視的治療[8]。在虛擬盆腔手術系統(tǒng)中，臨床醫(yī)生可以進行虛擬操作、術前規(guī)劃及提前預測術中可能遇到的問題，從而優(yōu)化盆腔手術方案[9]。在開顱手術中，臨床缺乏可視化工具并無法評估術后影響，有學者提出構建開顱手術仿真系統(tǒng)，模擬開窗區(qū)域規(guī)劃、手術入路、虛擬切割等過程，對不同解剖結構生成關鍵區(qū)域影像，能夠給醫(yī)生嘗試不同方案的機會、評估手術方案優(yōu)劣、降低手術風險、提高手術精準度[10]。將三維可視化技術運用于肝癌切除術，能夠顯著提升術前規(guī)劃和術中導航水平[11]。近年來，虛擬手術仿真系統(tǒng)正逐漸完善，在訓練手術操作的同時，也開始注重理論知識的考核測評。

2.5 遠程醫(yī)療

遠程醫(yī)療是把手術機器人作為載體，利用高速網(wǎng)將醫(yī)生的動作進行傳輸，實現(xiàn)對患者遠程實施手術，整個過程需要精密的遠程通信和虛擬仿真設備。在醫(yī)生端口，通過虛擬仿真設備對手術環(huán)境進行增強，對虛擬患者實施手術操作，遠程端的手術機器人根據(jù)傳輸?shù)闹噶顖?zhí)行手術任務。它有效解決了醫(yī)療資源分布不均和地理位置制約的問題，但是對醫(yī)院設備要求高，一般小型醫(yī)院不支持遠程治療，同時在虛擬空間里操作和手術機械化方面也存在很多不確定性風險?，F(xiàn)階段構建遠程虛擬手術仿真實驗系統(tǒng)，主要是從醫(yī)學圖像分析、三維重建、簡單手術操作等方面實現(xiàn)醫(yī)生的遠程手術指導和醫(yī)療培訓，為之后具體的遠程手術操作奠定基礎[12]。

2.6 中醫(yī)

河南中醫(yī)藥大學利用虛擬仿真技術構建了中醫(yī)藥虛擬仿真實驗教學中心，由中醫(yī)基礎、針灸推拿和中醫(yī)臨床3個模塊構成[13]，能夠滿足學生基本學習需求。此外，上海中醫(yī)藥大學研究的中國二維針灸穴位人以及天津中醫(yī)藥大學的經(jīng)穴數(shù)字模擬人都構建了二維人體針灸模型和良好的人機交互系統(tǒng)，促進了針灸教學改革。目前，中醫(yī)的應用范圍越來越廣，而將虛擬仿真技術應用到中醫(yī)領域也促進了中醫(yī)的普及和發(fā)展。

2.7 其他醫(yī)學領域

虛擬仿真技術還可應用于康復治療、心理治療以及實驗與科研。虛擬仿真系統(tǒng)能夠有效避免康復治療過程中治療場地限制、過程單一、方式統(tǒng)一的弊端，使患者的視、聽、觸覺都能沉浸到治療環(huán)境中，進行個性化、精準化治療。在心理治療中，將仿真系統(tǒng)、模擬環(huán)境和視景系統(tǒng)相結合構建一個適合患者的治療環(huán)境。研究表明，基于虛擬仿真技術的輔助療法能有效減輕患者焦慮和抑郁癥狀[14]。此外，由北京理工大學光電學院團隊研發(fā)的VR心理舒緩儀器與神舟十二號飛船一起飛上太空，并且在太空中完成了給航天員放松的任務。目前高校教育越來越重視學生科研思維與實驗能力的培養(yǎng)，在研究生階段，實驗與科研能力更是決定學生能否畢業(yè)的重要指標。將虛擬仿真技術運用于對學生實驗與科研能力的培養(yǎng)中，能使學生反復練習實驗流程及操作，并且可以通過自主設計實驗提高創(chuàng)新能力[15]。

3 國外虛擬仿真技術在醫(yī)學領域中的應用研究

虛擬仿真技術在國外各領域中的應用研究更加多樣化。在醫(yī)學教育方面，最具代表性的就是2003年美國林登實驗室開發(fā)了一個名叫Second Life（SL）的項目。它主要探究學生在虛擬現(xiàn)實世界里能夠得到怎樣的教育和成長，學生可以像在角色扮演游戲中一樣，選擇一個角色之后進行相應學習。SL在西方發(fā)達國家的市場占有率非常高[16]。此外，美國的20所頂尖大學和印度甘露大學進行虛擬仿真項目合作，有效利用甘露大學的遠程教育網(wǎng)絡，使甘露大學啟動了一批虛擬仿真項目，實現(xiàn)了資源合理利用及共享[17]。

在臨床實踐方面，國外正在從虛擬仿真應用平臺開發(fā)轉向對用戶使用效果評價的研究。Victoria等將虛擬仿真技術應用于護理學生的靜脈穿刺訓練中，并且把學生隨機分為兩組，對照組采用傳統(tǒng)教學方法進行教學，實驗組采用虛擬仿真技術模型進行培訓，隨后讓這些學生在真實患者身上操作，最后根據(jù)指標進行評價，結果證明實驗組學習效果優(yōu)于對照組[18]。也有學者就血管內(nèi)模擬訓練系統(tǒng)進行研究，理論上血管內(nèi)手術模擬可以為學生提供實踐與學習經(jīng)驗，最后結果證明虛擬仿真系統(tǒng)在血管內(nèi)訓練中應用具有有益作用，但是并沒有證據(jù)表明虛擬仿真系統(tǒng)可以明顯改善患者預后[19]。同樣關于血管內(nèi)程序優(yōu)化，有團隊開發(fā)出了具有先進的觸覺、動態(tài)成像和生理控制的全物理仿真器，這一領域最新的發(fā)展是構建了完整的體系，使整個血管內(nèi)團隊能夠完全沉浸式進行模擬訓練以及團隊的危機資源管理，而對于這些技能進行客觀評價的必要工具正在開發(fā)中[20]。

在臨床治療方面，國外主要著重于低頻率、高風險、對技術要求較高的手術的研究。比如將虛擬仿真技術運用于MIS（微創(chuàng)手術），尤其是胎兒手術中的TTTs（雙胎輸血綜合征）[21]。面對這類手術一般臨床醫(yī)生都沒有經(jīng)驗，就需要一種高特異性手術培訓系統(tǒng)達到練習目的。作為國外虛擬仿真技術最發(fā)達領域之一的耳鼻喉科學，其中耳鏡檢查是一種常規(guī)程序，也是幾乎所有醫(yī)生必備的一項關鍵技能，近年來也出現(xiàn)了許多評估工具和模擬器[22]。還有學者提出構建虛擬仿真訓練器的主要挑戰(zhàn)就是需要為用戶提供真實的觸覺或觸覺反饋，增強訓練器中的VS系統(tǒng)。隨著新平臺開發(fā)，還需要不斷完善相關性能，例如時效性，可以應對新出現(xiàn)的問題（災難、傳染病爆發(fā)等）；可移動性，能夠有效分享虛擬成果，支持訓練器的廣泛使用；智能性，能夠根據(jù)學生過去的學習反饋情況進行相應的模擬實驗修改[23]。最后在發(fā)展和完善模擬訓練器時，必須要確定相比于傳統(tǒng)方法，是否達到了更好的效果。

4 目前研究情況及面臨的挑戰(zhàn)

本次調(diào)查結果顯示，國內(nèi)醫(yī)學領域對于虛擬仿真技術的研究主要集中在構建綜合性的虛擬仿真實驗教學中心以及探索新型的平臺構建模式和教學方式；國外的研究主要是對虛擬仿真系統(tǒng)學習效果進行評價，制作相應的評價表或者開發(fā)另一個用來評價的虛擬仿真系統(tǒng)。從文獻數(shù)量分布來看，國內(nèi)虛擬仿真技術的研究呈現(xiàn)穩(wěn)步增長趨勢，但很多研究還停留在理論討論階段，關于應用開發(fā)及相關技術的介紹較少，對教育教學效果還需進一步確定，和發(fā)達國家相比還有一定距離。

目前市面上的虛擬仿真設備普遍存在體積大、較為笨重的特點，使用者體驗不佳，并且由于人類眼睛解剖學特點，會產(chǎn)生輻輳—調(diào)焦沖突，長時間佩戴設備容易產(chǎn)生眩暈[24]。構建一個虛擬仿真系統(tǒng)需要專業(yè)的公司進行程序編寫和三維建模，具有耗時長、成本高、制作復雜等特點，還有可能做出的系統(tǒng)與學校期望不符[25]。各高校之間資源相對封閉，資源不能共享，使得地區(qū)之間的差距更加明顯，不利于國家整體醫(yī)療水平的提高，并且對于市面上的虛擬仿真平臺，沒有統(tǒng)一的管理體系，質量得不到保障。教師的教學方式?jīng)]有隨著虛擬仿真技術的應用而提高，也沒有明顯提高學生的學習效率和發(fā)揮虛擬仿真技術的優(yōu)勢[26]。對于已應用于臨床的虛擬仿真技術，缺乏充足的證據(jù)證明患者的愈后情況及生存質量是否得到改善和提高。虛擬仿真系統(tǒng)為學生創(chuàng)造了一個相對安全的學習空間，允許學生有機會嘗試和失敗，而不會受到打擊和嘲笑，這就容易讓學生產(chǎn)生一種“我可以有下一次”的定向思維，反而忽略了臨床中復雜的現(xiàn)實問題和對學生心理素質的要求[27]。

5 發(fā)展與展望

虛擬仿真技術已成為醫(yī)學教學改革中的重要技術之一，它與醫(yī)學領域的進一步融合，推動了教育的發(fā)展、人才的培養(yǎng)以及資源的有效利用。隨著5G時代的到來，虛擬仿真技術勢必會成為主流，逐漸融入人們的學習和生活中，因此在未來的平臺構建中，要實現(xiàn)資源共享、醫(yī)教共建、校企合作、校校合作等，加強虛擬仿真教學向經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)普及，使有限的資源最大化利用。構建一個虛擬仿真平臺不是掛幾個牌子、申請幾個項目那么簡單[28]，要避免華而不實，應從用戶出發(fā)，加入動畫與視頻，讓學生把學習當成一場旅行，鼓勵更多的主體參與其中。在實際教學中，不能過分依賴虛擬仿真技術，教師仍是課堂的主導，只是教師需要在新的教學環(huán)境中和學生共同探索新的教學方式，例如進行角色分工、角色互換、團隊協(xié)作等。還應當注意虛擬仿真系統(tǒng)可能對學生造成“錯誤的安全感”，可以在教學過程中展示因為操作不當或搶救措施不當所導致的嚴重后果，提高學生的重視程度。

未來的虛擬醫(yī)學領域必將是一個綜合性領域，在關注虛擬仿真技術的同時，還應當關注虛擬現(xiàn)實技術、增強現(xiàn)實技術、人機交互技術、可視化技術、3D打印技術等，最好能對不同的技術進行交叉運用。虛擬仿真在教育領域的運用中，還應該考慮對教學效果的測評，開展實時監(jiān)測與數(shù)據(jù)統(tǒng)計，促進教學效果的提升和平臺的完善。未來的研究應該是探索更多的應用領域和使用途徑，研究在何種課程中何時使用以及如何使用才能更好地利用虛擬仿真技術。除此之外，如何進行評價也是當前需要解決的問題，包括對設計開發(fā)的評價、學習效果的評價、教學模式的評價、系統(tǒng)規(guī)范化的評價等。未來，隨著虛擬仿真技術水平的不斷提升以及各種技術的不斷融合，會有越來越多的人從虛擬仿真技術中獲益。