虛擬現(xiàn)實醫(yī)療護理系統(tǒng)設計與應用的研究進展

趙彬雨 ，吳 桐 ，馮國和 ，曹梅娟 *

1.杭州師范大學醫(yī)學部，浙江 311100；2.杭州師范大學附屬醫(yī)院

虛擬現(xiàn)實(virtual reality,VR)技術日益完善，設計和服務不斷創(chuàng)新，在軍事、娛樂、教育、醫(yī)療等各個行業(yè)得到廣泛的關注。國家“十三五”規(guī)劃綱要和2019年民政部發(fā)布的《關于進一步擴大養(yǎng)老服務供給、促進養(yǎng)老服務消費的實施意見》均強調(diào)支持虛擬現(xiàn)實技術創(chuàng)新發(fā)展，且后者著重鼓勵其在健康管理和健康促進中的應用[1-2]。目前，虛擬現(xiàn)實技術憑借其獨特的優(yōu)勢在疼痛護理、心理治療、康復訓練、遠程護理等多個方面展示出廣闊的應用前景[3]。本研究總結了虛擬現(xiàn)實醫(yī)療護理系統(tǒng)設計和應用過程中面臨的現(xiàn)實困境，總結并提出相應的對策，以期更好地將虛擬現(xiàn)實技術融入醫(yī)療護理領域，為促進虛擬現(xiàn)實醫(yī)療護理系統(tǒng)的完善和發(fā)展提供參考。

1 虛擬現(xiàn)實技術概述

虛擬現(xiàn)實技術是指利用計算機技術和傳感器技術構建的三維仿真環(huán)境，調(diào)動人的視覺、聽覺、觸覺等多個感官，實現(xiàn)身臨其境的體驗[4]。目前其在醫(yī)療護理領域主要應用于以下幾個方面：①疼痛護理，通過虛擬場景或互動游戲分散病人對疼痛的注意力，降低疼痛感知[5]；②心理治療，利用虛擬現(xiàn)實技術創(chuàng)建虛擬場景，引導病人進入特定情景狀態(tài)并逐漸適應該環(huán)境，包括創(chuàng)傷后應激性障礙、恐懼癥、自閉癥、精神分裂癥等的治療[6]；③康復治療，通過模擬日常生活行為或以游戲方式活動肢體，實現(xiàn)康復訓練[7]；④遠程醫(yī)療護理，醫(yī)護人員對虛擬病人實施臨床操作，通過網(wǎng)絡將動作傳達給機器人或其他輔助設備，由其對病人進行相應的操作[8]。在以上幾個領域充分展示其沉浸性、交互性和想象性三大特點，發(fā)揮無法替代的優(yōu)勢。

1.1 沉浸性 指通過多感官體驗使用戶完全融入計算機生成的虛擬世界中，甚至忽視所處的現(xiàn)實世界[9]。在疼痛護理中，虛擬現(xiàn)實鎮(zhèn)痛技術憑借強烈的沉浸感可獲得病人更多的注意力，比傳統(tǒng)分心鎮(zhèn)痛更能顯著降低疼痛感知[10]。此外，許多傳統(tǒng)的認知訓練和心理治療都依賴將病人暴露于真實環(huán)境中或想象特定環(huán)境，存在真實世界危險性、病人想象能力差異性等局限，虛擬現(xiàn)實技術憑借其高度真實感和沉浸感可有效彌補這些不足，實現(xiàn)安全暴露和訓練，提高干預的有效性[11]。

1.2 交互性 指處于虛擬世界的用戶通過聲音、語言、動作等方式與虛擬環(huán)境中的各類對象進行交互活動，實現(xiàn)自然的交互體驗感受[9]。一方面，和諧的人機交互可促進虛擬環(huán)境與客觀現(xiàn)實融合，加深沉浸體驗[12]；另一方面，虛擬現(xiàn)實交互體驗可活動病人肢體，達到康復訓練和認知訓練的目的[11]。另外，虛擬現(xiàn)實醫(yī)療護理系統(tǒng)通過提供可重復且標準化的虛擬環(huán)境和交互行為，可廣泛擴大病人的受益范圍，有效緩解我國護理人力資源不足的問題[11]。同時虛擬現(xiàn)實技術也有助于實現(xiàn)遠程體檢、遠程會診等護理項目[3]，打破時空界限，節(jié)約時間成本，且在一定程度上增加病人治療時間選擇的自主性和靈活性。

1.3 想象性 指用戶沉浸于虛擬環(huán)境中，通過主動探尋信息獲得理性和感性的認識，進而深化概念，產(chǎn)生新意和構想[9]。該特點在健康教育中發(fā)揮著重要作用，可使專業(yè)術語和抽象概念形象化、具體化，病人通過觀察、操縱虛擬對象，易于增加對疾病的認識與理解，提高自我管理水平[13]。在孤獨癥患兒的應用中，對患兒抽象思維能力和語言能力的培養(yǎng)有較大益處，為克服情緒障礙、社交障礙等提供幫助[12]。

2 現(xiàn)實困境

2.1 虛擬現(xiàn)實醫(yī)療護理系統(tǒng)尚處于起步階段，其設計質(zhì)量有待提高 目前，虛擬現(xiàn)實醫(yī)療護理系統(tǒng)處于起步階段，在設計方面仍存在諸多問題。在設計原理層面，運用不同的醫(yī)學原理可導致治療和護理效果有較大差異；其次，較多虛擬現(xiàn)實醫(yī)療護理系統(tǒng)在設計階段未充分把握虛擬現(xiàn)實技術及心理學相關原理，可影響病人的依從性和體驗感[14]。在設計內(nèi)容層面，不少虛擬現(xiàn)實醫(yī)療護理系統(tǒng)缺乏個性化、多樣化和多功能化[15]。如老年人因易抵制變化、學習能力較差，對新技術的接受度比年輕人更低[9]，且有研究表明接受療養(yǎng)院治療、輔助生活和獨立生活等不同護理程度的老年人對虛擬內(nèi)容有不同偏好，包括虛擬旅行、繼續(xù)教育、回憶性內(nèi)容、保健和治療相關內(nèi)容等[16]，而部分系統(tǒng)提供的場景和內(nèi)容較為單一，欠缺個性化和多樣化的設計。此外，老年人可同時存在平衡功能、認知功能等多功能障礙問題，但多數(shù)虛擬現(xiàn)實醫(yī)療護理系統(tǒng)僅關注提升改善其中一方面能力，欠缺多功能化設計，不利于病人的全面康復[17-18]。在設計規(guī)范性層面，大部分虛擬現(xiàn)實醫(yī)療護理系統(tǒng)欠缺設計理論或框架的指導，存在科學性和嚴謹性不足的風險，且絕大多數(shù)為小樣本、短期的隨機對照試驗，其試驗結果的準確性有待商榷[6,19]。

2.2 虛擬現(xiàn)實醫(yī)療護理系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)的醫(yī)療護理方式，成本大幅增加 相比傳統(tǒng)的醫(yī)療護理方式，虛擬現(xiàn)實醫(yī)療護理系統(tǒng)雖然有助于減輕人力資源不足的負擔，但需借助設備達到更好的治療和護理效果，初始運行成本較高，推廣受限。在軟件開發(fā)層面，虛擬現(xiàn)實醫(yī)療護理系統(tǒng)需同時兼顧臨床效果和用戶體驗，要求護理人員、虛擬現(xiàn)實開發(fā)人員、策劃人員等多學科團隊密切合作，增加了人力成本[20]。此外，虛擬現(xiàn)實醫(yī)療護理系統(tǒng)設計完成后還需根據(jù)試驗效果和病人接受度反復修改、提升場景內(nèi)容和交互形式，進一步增加軟件開發(fā)成本[21]。在硬件設備投入中，一套完整的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)常包括頭盔顯示器、高性能計算機、操作手柄、頭部跟蹤器等多個部分[22]，而虛擬現(xiàn)實醫(yī)療護理系統(tǒng)為達到更好的臨床效果常增加額外的設備，如跑步機[23]、機器人手臂[24]等，更加重了成本。在后期維護中，硬件維修、軟件更新以及管理費用都需要持續(xù)的資金投入[6]。

2.3 虛擬現(xiàn)實醫(yī)療護理系統(tǒng)需使用專門設備，易引起暈動癥狀及其他不良反應 由于技術水平受限，使用虛擬現(xiàn)實設備后易發(fā)生視覺誘導暈動癥(VIMS)，也稱暈屏癥[25]，其癥狀主要表現(xiàn)為臉色蒼白、冷汗、惡心、嘔吐、眼部不適、方向障礙等[26]。VIMS的發(fā)生率較高，Regan等[27]的研究發(fā)現(xiàn)，使用虛擬現(xiàn)實設備的20 min內(nèi)，60%的用戶會出現(xiàn)VIMS，且癥狀可持續(xù)5 h。國內(nèi)外多個虛擬現(xiàn)實醫(yī)療護理系統(tǒng)在試驗階段均有病人發(fā)生VIMS，絕大多數(shù)癥狀較輕，但仍在一定程度上影響到干預的進程和病人的接受度[28-29]。此外，在應用中還發(fā)現(xiàn)，封閉空間中使用虛擬現(xiàn)實頭盔顯示器因其過熱可引起干眼癥，藍光可引起視網(wǎng)膜損傷[30]，設備產(chǎn)生的視覺刺激可引起高危人群癲癇發(fā)作[31]，患有特定恐懼癥（如恐水、恐高）的病人在虛擬世界中面臨特定場景可出現(xiàn)極度恐懼[29]，這不僅干擾疾病治療、降低病人依從性，而且不利于健康。

2.4 虛擬現(xiàn)實護理方式的出現(xiàn)，對護理人員的能力提出新的挑戰(zhàn) 護理人員的設計能力和應用能力也是影響虛擬現(xiàn)實醫(yī)療護理系統(tǒng)發(fā)展的關鍵因素。在設計過程中，虛擬現(xiàn)實醫(yī)療護理系統(tǒng)設計開發(fā)的門檻高，而護理人員大多缺乏計算機領域?qū)I(yè)知識的儲備，較難將虛擬現(xiàn)實技術與臨床護理緊密結合[32]。盡管可通過跨學科合作或公司承包的方式部分彌補護理人員對虛擬現(xiàn)實的認識不足，但最終的應用效果仍很大程度取決于護理人員自身對產(chǎn)品設計的把握。在應用過程中，多數(shù)護理人員對虛擬現(xiàn)實醫(yī)療護理系統(tǒng)較為陌生，不易辨別適用對象、把握干預頻率和“劑量”，且難以在臨床操作中解決突發(fā)情況[33-34]。

2.5 虛擬現(xiàn)實醫(yī)療護理系統(tǒng)的普及，可能存在倫理隱患 隨著5G技術和計算機技術的不斷發(fā)展，未來可能普及虛擬現(xiàn)實遠程醫(yī)療護理，但可能帶來多種問題：第一，虛擬現(xiàn)實醫(yī)療護理系統(tǒng)的社區(qū)化、家庭化使病人長時間面對虛擬人物和機器，減少護患溝通，導致人文關懷相對不足或缺乏，不利于及時發(fā)現(xiàn)和減輕病人孤獨等不良心理狀態(tài)[15]。第二，虛擬現(xiàn)實醫(yī)療護理系統(tǒng)可能帶來類似游戲成癮的問題。逼真的虛擬場景和有趣的交互行為比網(wǎng)絡和電子游戲更易讓人成癮，尤其是青少年病人[35]，當虛擬現(xiàn)實醫(yī)療護理系統(tǒng)帶來樂趣的同時可以有效緩解病人的痛苦，或許會增加病人對其的依賴性[15]。第三，虛擬現(xiàn)實醫(yī)療護理系統(tǒng)的使用需采集病人基本信息和生理、心理、行為反應等數(shù)據(jù)，存在用戶隱私被侵犯的風險，且其中一些深層次數(shù)據(jù)可能涉及對個人行為和意識的調(diào)控[36]。

3 對策

3.1 以病人為中心完善設計，提高虛擬現(xiàn)實醫(yī)療護理系統(tǒng)的質(zhì)量 在設計原理層面，應充分發(fā)揮多學科團隊合作的優(yōu)勢，根據(jù)病人病情選擇適合的干預原理，并基于虛擬現(xiàn)實技術和心理學相關原理，保證治療效果的基礎上提供良好的體驗感，增加依從性[14]。在設計內(nèi)容層面，護理人員可觀察和參與病人的生活，并通過訪談等途徑了解不同群體的病人需求、對待虛擬現(xiàn)實技術的態(tài)度及偏好等信息，從而有助于站在病人角度開發(fā)個性化、多樣化和多功能化的虛擬現(xiàn)實醫(yī)療護理系統(tǒng)[15]。在設計規(guī)范性層面，Birckhead等[19]以美國食品和藥物管理局(FDA)Ⅰ～Ⅲ期藥物治療模式為指導，結合文獻研究及21名國際專家的建議，最終制定虛擬現(xiàn)實臨床研究設計的三階段框架，即虛擬現(xiàn)實1、虛擬現(xiàn)實2和虛擬現(xiàn)實3。虛擬現(xiàn)實1側重以用戶為中心的內(nèi)容設計；虛擬現(xiàn)實2側重評估虛擬現(xiàn)實醫(yī)療護理系統(tǒng)的可行性、可接受性、耐受性和初步療效，為大樣本、長期的試驗做好準備；虛擬現(xiàn)實3側重驗證虛擬現(xiàn)實醫(yī)療護理系統(tǒng)的臨床效果、安全性，并探索其中的機制，為系統(tǒng)的普及提供科學依據(jù)。未來研究可根據(jù)此框架制定虛擬現(xiàn)實醫(yī)療護理系統(tǒng)設計的量化標準，對保障虛擬現(xiàn)實醫(yī)療護理系統(tǒng)的質(zhì)量有巨大價值。

3.2 加強頂層制度設計和多方參與，解決初始運行成本高的難題 政府機構是開展醫(yī)療衛(wèi)生服務體系的建立者和主導者。虛擬現(xiàn)實醫(yī)療護理系統(tǒng)研發(fā)和運行的初始資金量大，單靠學校或醫(yī)院的資金投入遠遠不足，政府應出臺相應的扶持政策，激勵醫(yī)院和高校及其他機構進行研究；也可通過減免稅收或關聯(lián)虛擬現(xiàn)實醫(yī)療護理服務平臺來吸納相關企業(yè)資金的加盟[37]。此外，政府可遴選重點項目，加強經(jīng)費支持，進而示范推廣，既防止重復研發(fā)帶來的資源浪費，又助于保障虛擬現(xiàn)實醫(yī)療護理系統(tǒng)的質(zhì)量[38]。在實際應用中，虛擬現(xiàn)實醫(yī)療護理系統(tǒng)的硬件設備和其他輔助設備價格下降，更是為實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實醫(yī)療護理系統(tǒng)的社區(qū)化、家庭化提供一臂之力[15]。

3.3 做好預防措施，減少VIMS及其他不良反應的發(fā)生 VIMS及其他不良反應的預防重在技術上的突破和設計上的改良，同時，在虛擬現(xiàn)實設備使用前做好預防措施，在使用中監(jiān)測不良反應的發(fā)生。在技術層面，需不斷提高信息追蹤交互設備的精確度，提升虛擬現(xiàn)實頭盔顯示器的舒適度，減少不良反應發(fā)生[39]。在設計層面，護理人員應注意虛擬世界中物體運動速度不宜過快[40]，虛擬現(xiàn)實場景的色彩、紋理和整體復雜性不宜太過豐富[41]，防止VIMS的發(fā)生。在虛擬現(xiàn)實醫(yī)療護理系統(tǒng)使用前，盡量避免平衡控制能力不佳、有VIMS史和癲癇史的人群參與虛擬現(xiàn)實治療，以防VIMS或癲癇的發(fā)生[31]。在虛擬現(xiàn)實設備使用中，護理人員可通過模擬器暈動癥問卷、姿態(tài)穩(wěn)定性測試和生理狀態(tài)評估等方式及時發(fā)現(xiàn)VIMS病人，并終止病人對虛擬現(xiàn)實醫(yī)療護理系統(tǒng)的使用[42]。此外，Cobb等[43]建議一次使用虛擬現(xiàn)實設備時長不超過20 min，且第1次使用時應有足夠時間探索、熟悉虛擬環(huán)境。

3.4 設立虛擬現(xiàn)實護理小組，促進虛擬現(xiàn)實技術有機融入臨床護理中 虛擬現(xiàn)實醫(yī)療護理系統(tǒng)的設計和開發(fā)常由虛擬現(xiàn)實技術人員主導，因其不了解護理工作易引起一系列問題，如若設立虛擬現(xiàn)實護理小組，不僅有利于設計開發(fā)契合臨床需要的虛擬現(xiàn)實醫(yī)療護理系統(tǒng)，而且對規(guī)范系統(tǒng)相關的護理操作有很大意義。通過以虛擬現(xiàn)實護理小組為主導，與虛擬現(xiàn)實技術人員展開密切合作的設計和開發(fā)模式，加強護理人員對虛擬現(xiàn)實技術的認知和知識儲備，利于其將虛擬現(xiàn)實技術的優(yōu)勢與臨床護理緊密結合[44-45]。此外，虛擬現(xiàn)實技術也正在改進其高難度的資源開發(fā)和設計門檻，如虛擬現(xiàn)實編輯器[46]，該類軟件的出現(xiàn)有望實現(xiàn)護理人員按照實際需求自由設計虛擬場景和交互模式，從而使產(chǎn)品更符合預期設想。在虛擬現(xiàn)實醫(yī)療護理系統(tǒng)的臨床應用中，可以虛擬現(xiàn)實護理小組為主導，制定和完善操作指南，規(guī)范應用流程，培養(yǎng)臨床護士對虛擬現(xiàn)實醫(yī)療護理系統(tǒng)的操作能力，促進虛擬現(xiàn)實技術融入臨床護理中。

3.5 處理好科技和倫理關系，注重倫理層面的建設

科技是把雙刃劍，虛擬現(xiàn)實技術帶來新的治療與護理視角，同時也存在倫理隱患。對此，以下幾點措施可供參考：第一，在生物-心理-社會醫(yī)學模式下，通過定期隨訪或虛擬現(xiàn)實醫(yī)療護理系統(tǒng)智能反饋的方式監(jiān)測病人的心理、情感及社會功能變化，并采取相應的干預措施，避免不良結果的發(fā)生[47]。第二，通過設定治療時長、加強成癮性宣教等方式避免病人對虛擬現(xiàn)實醫(yī)療護理系統(tǒng)的過度依賴和成癮行為[15]。第三，將涉及個人隱私數(shù)據(jù)及自主行為能力控制的深層次精確數(shù)據(jù)納入國家安全管理的范圍，制定相應的數(shù)據(jù)安全法規(guī)，引入數(shù)據(jù)安全管控機制[35]，保護病人個人信息，杜絕潛在危險。