基于虛擬現(xiàn)實(shí)的醫(yī)學(xué)教育應(yīng)用與設(shè)計研究

張文利 陳晨 王岳 沙琨

摘 ?要 ?虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的沉浸感、可交互、可重復(fù)、可逆等特性為新時代醫(yī)學(xué)人才培養(yǎng)帶來了新的可能，技術(shù)的進(jìn)步使其在醫(yī)療教育培訓(xùn)中的應(yīng)用越來越廣泛。它不僅能夠調(diào)動醫(yī)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性與主動性，還可以提供實(shí)踐場景，彌合理論與實(shí)踐間的差距，提升醫(yī)學(xué)生臨床實(shí)踐能力。對不同類型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)分析，并以COVID-19臨床診療為例進(jìn)行設(shè)計，以期為醫(yī)療教育培訓(xùn)工作者提供參考。

關(guān)鍵詞 ?虛擬現(xiàn)實(shí)；醫(yī)學(xué)教育；醫(yī)學(xué)生

中圖分類號：E251.3 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2023）05-0036-04

0 ?引言

“健康中國”戰(zhàn)略、 “大健康”理念對我國新時代醫(yī)學(xué)人才培養(yǎng)提出新要求。確立“以新醫(yī)科統(tǒng)領(lǐng)醫(yī)學(xué)教育創(chuàng)新”為基本原則，深化醫(yī)教協(xié)同，推動勝任力導(dǎo)向型教育改革，優(yōu)化醫(yī)學(xué)專業(yè)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)信息技術(shù)與醫(yī)學(xué)教育深度融合，培養(yǎng)一流醫(yī)學(xué)人才，服務(wù)健康中國建設(shè)[1-2]。當(dāng)前，醫(yī)學(xué)院校以理論知識教學(xué)為主，醫(yī)學(xué)生實(shí)操機(jī)會較少，面臨實(shí)習(xí)成本高、風(fēng)險大、操作不可逆等障礙，致使超過30%的醫(yī)學(xué)生畢業(yè)生后仍無法獨(dú)立進(jìn)行手術(shù)[3]。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具備多感知性、沉浸性、交互性、自主性等特點(diǎn)，是有效的醫(yī)學(xué)教學(xué)輔助工具，能為醫(yī)學(xué)生提供低成本、低損耗、高安全、可重復(fù)的實(shí)踐機(jī)會。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)療行業(yè)教學(xué)培訓(xùn)中的應(yīng)用越來越廣泛。如何根據(jù)教學(xué)需求設(shè)計開發(fā)適合的虛擬臨床場景程序以開展教學(xué)，是當(dāng)前醫(yī)學(xué)教育工作者面臨的主要問題。

1 ?虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是利用計算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)等構(gòu)建逼真生動三維虛擬環(huán)境的技術(shù)，涉及計算機(jī)圖形學(xué)、仿真技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)、傳感技術(shù)等多學(xué)科。用戶利用可穿戴設(shè)備實(shí)時以第一人稱視角主動在虛擬環(huán)境中探索、交互[4-5]。

根據(jù)系統(tǒng)沉浸和交互強(qiáng)弱程度，虛擬現(xiàn)實(shí)可以劃分為四種系統(tǒng)類型：桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、增強(qiáng)式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)和分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)以計算機(jī)屏幕作為用戶觀察窗口，利用位置追蹤器、數(shù)據(jù)手套、力反饋器等設(shè)備，支持用戶與虛擬世界交互；沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)利用頭戴式顯示器能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬世界與物理世界隔離，用戶獲得高度實(shí)時性、沉浸性的體驗(yàn)；增強(qiáng)式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)利用光學(xué)技術(shù)或視頻技術(shù)將真實(shí)物理環(huán)境與虛擬環(huán)境組合在一起，用戶可以在虛擬對象的幫助下加強(qiáng)對現(xiàn)實(shí)事物的認(rèn)知；分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展和結(jié)合的產(chǎn)物，允許不同物理位置的用戶在同一虛擬空間中協(xié)同交互。

不同類型的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)具有不同的優(yōu)勢，醫(yī)療教育培訓(xùn)工作者可以根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)模擬不同病理狀態(tài)、診療環(huán)境、術(shù)前訓(xùn)練、突發(fā)情況等，打破時間、空間壁壘，以智慧教育方式，激發(fā)醫(yī)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，提高其學(xué)習(xí)自主性，為提升醫(yī)學(xué)生臨床實(shí)踐能力奠定基礎(chǔ)[6]。

2 ?虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)踐教學(xué)案例

2.1 ?桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)：以腹腔鏡手術(shù)虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)為例

腹腔鏡手術(shù)操作技能是醫(yī)學(xué)生必須掌握的基礎(chǔ)技能之一。為避免因操作不當(dāng)致使患者受到不必要傷害，醫(yī)學(xué)生必須參加腹腔鏡操作培訓(xùn)。相較于傳統(tǒng)腹腔鏡手術(shù)培訓(xùn)的擬真度有限、缺乏精準(zhǔn)評價指標(biāo)、成本高，桌面式虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)可以為腹腔鏡手術(shù)培訓(xùn)提供低成本、高安全、可循環(huán)使用的培訓(xùn)

環(huán)境[7]。

腹腔鏡手術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)可以有效提升醫(yī)學(xué)生腹腔鏡手術(shù)實(shí)踐能力。該系統(tǒng)依據(jù)真實(shí)的人體數(shù)據(jù)構(gòu)建器官和病灶模型為醫(yī)學(xué)生提供視、聽、觸、力反饋等多種交互，支持醫(yī)學(xué)生操作手術(shù)器械，開展病灶切除、縫合、結(jié)扎等訓(xùn)練，并且能夠針對醫(yī)學(xué)生的操作開展精細(xì)化分析、評價與反饋。除了幫助醫(yī)學(xué)生提高操作熟練度外，還能夠提升醫(yī)學(xué)生的臨床診斷能力和最優(yōu)治療方案選擇能力[8]。

2.2 ?沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)：以顱底腫瘤神經(jīng)外科虛擬現(xiàn)實(shí)為例

顱底腫瘤神經(jīng)外科手術(shù)操作空間小、臨近血管和神經(jīng)分布復(fù)雜，傳統(tǒng)的教學(xué)方式存在一定問題，教師教學(xué)中應(yīng)用的圖片、視頻、動畫等多媒體教學(xué)方式不利于醫(yī)學(xué)生建構(gòu)神經(jīng)系統(tǒng)三維空間結(jié)構(gòu)；動物實(shí)驗(yàn)常用于人體實(shí)驗(yàn)替代，但是面臨負(fù)遷移的風(fēng)險；尸體標(biāo)本稀缺、專業(yè)的神經(jīng)外科解剖儀器昂貴，致使基于尸體的解剖操作成本較高且不可重復(fù)等，均阻礙醫(yī)學(xué)生神經(jīng)外科手術(shù)實(shí)踐技能的提升，以至于醫(yī)學(xué)畢業(yè)生的整體解剖能力沒有達(dá)到安全的實(shí)踐

水平[9-10]。

沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)為醫(yī)學(xué)生提供沉浸的知識學(xué)習(xí)環(huán)境，體驗(yàn)式學(xué)習(xí)有助于其對知識的理解及深層記憶，還有助于提升醫(yī)學(xué)生的批判性思維、臨床診斷能力和手術(shù)技能。研究表明，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)輔助神經(jīng)外科教學(xué)可以縮短學(xué)習(xí)曲線、減少神經(jīng)學(xué)習(xí)恐懼、增加知識保留，是神經(jīng)外科教學(xué)有效的輔助工具。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)支持醫(yī)學(xué)生旋轉(zhuǎn)、縮放、分割三維虛擬人體器官模型，立體化學(xué)習(xí)顱骨解剖結(jié)構(gòu)；呈現(xiàn)真實(shí)病例，醫(yī)學(xué)生可以多角度觀察腫瘤位置、特征、與神經(jīng)和血管之間的關(guān)系等，預(yù)演多種手術(shù)方案，通過手術(shù)預(yù)演幫助醫(yī)學(xué)生做出最佳手術(shù)路徑規(guī)劃、選擇的決策[9-10]。

2.3 ?增強(qiáng)式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)：以骨科手術(shù)中增強(qiáng)式虛擬現(xiàn)實(shí)導(dǎo)航為例

骨科手術(shù)中，經(jīng)皮骶髂螺釘固定時螺釘定位錯誤率較高，放置不正確會導(dǎo)致嚴(yán)重的并發(fā)癥。增強(qiáng)式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)利用光學(xué)技術(shù)、圖像分析、角度精算等將虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界融合，能夠有效提高骨科醫(yī)生手術(shù)精準(zhǔn)性，縮短手術(shù)時間、減少輻射

暴露。

當(dāng)前，一些專家或研究機(jī)構(gòu)采用增強(qiáng)式虛擬現(xiàn)實(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)開展骨科手術(shù)，例如Wang Huixiang[11]使用此類系統(tǒng)在尸體標(biāo)本中精準(zhǔn)插入經(jīng)皮骶髂螺釘。雖然大多數(shù)研究很少真正用于患者，但是仍證實(shí)了增強(qiáng)式虛擬現(xiàn)實(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)的有效性。研究表明，基于Microsoft HoloLens 2的增強(qiáng)式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可將放置髓內(nèi)釘總時間縮短近36%[12]，利用增強(qiáng)式虛擬現(xiàn)實(shí)導(dǎo)航的脊柱固定手術(shù)，胸椎弓根螺釘放置準(zhǔn)確率高達(dá)94.1%[13]。

2.4 ?分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)：以COVID-19背景下的遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)教育虛擬現(xiàn)實(shí)為例

截至2020年8月，全球約有16億學(xué)生受到因疫情防控而關(guān)閉學(xué)校的影響[14]，為了克服這一問題，聯(lián)合國教科文組織建議使用遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)方式開展線上教學(xué)[15]。由于醫(yī)學(xué)知識抽象難懂、實(shí)踐能力不可或缺，普通的在線課堂無法滿足醫(yī)學(xué)教育需求，不能進(jìn)入解剖室實(shí)踐是遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)教育面臨的最大問題之一。虛擬現(xiàn)實(shí)遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)教育可以有效解決這一問題，它不僅允許世界各地的醫(yī)學(xué)生隨時隨地觀看虛擬器官模型、骨骼結(jié)構(gòu)、病變過程等，還支持教師利用可穿戴設(shè)備向醫(yī)學(xué)生講授查房流程。

虛擬現(xiàn)實(shí)允許教師遠(yuǎn)程帶領(lǐng)醫(yī)學(xué)生開展實(shí)踐，AS的研究中教師穿戴HoloLens眼鏡進(jìn)入病房，引導(dǎo)醫(yī)學(xué)生觀察患者、師生同步查看患者“全息圖”檢查報告等，允許醫(yī)學(xué)生與患者遠(yuǎn)程交流，使用數(shù)字聽診器并共享聽診結(jié)果等[16]；基于遠(yuǎn)程虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，醫(yī)學(xué)生對素材庫中的數(shù)字尸體進(jìn)行虛擬解剖，學(xué)習(xí)相關(guān)解剖技能[17]。遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)教育虛擬現(xiàn)實(shí)能夠提高醫(yī)學(xué)生的參與度、滿意度，得到教師與醫(yī)學(xué)生的一致認(rèn)可[18]。

3 ?基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的COVID-19臨床診療

教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

3.1 ?COVID-19臨床診療虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

COVID-19臨床診療虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括基礎(chǔ)理論知識模塊、臨床實(shí)踐模塊和分析評價模塊三部分，如圖1所示。教學(xué)內(nèi)容包括前期知識講授、中期臨床實(shí)踐、后期分析評價三個模塊，知識講授模塊主要講述新冠肺炎的起源、特征、預(yù)防措施、傳播途徑、臨床表現(xiàn)、治療方法等；臨床實(shí)踐模塊主要包括患者病情描述、體格檢查、報告分析、病情診斷、治療方案等。

醫(yī)學(xué)生登錄系統(tǒng)后，可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)需求自主選擇學(xué)習(xí)模塊，同時系統(tǒng)支持醫(yī)學(xué)生暫停、前進(jìn)、后退，依據(jù)自己的學(xué)習(xí)節(jié)奏進(jìn)行個性化學(xué)習(xí)。除了知識學(xué)習(xí)外，醫(yī)學(xué)生還可以在系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)踐，根據(jù)病例病情嚴(yán)重程度制定相應(yīng)的治療方案、練習(xí)手術(shù)技能；扮演醫(yī)護(hù)角色或病人角色，體驗(yàn)不同的角色和流程，培養(yǎng)同理心，提高醫(yī)患溝通能力。同時，系統(tǒng)允許教師實(shí)時監(jiān)測醫(yī)學(xué)生學(xué)習(xí)流程，教師也可以通過系統(tǒng)自動錄制的醫(yī)學(xué)生操作視頻進(jìn)行指導(dǎo)和反饋。

3.2 ?設(shè)備與軟件選擇

虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)要用到游戲引擎和三維建模軟件，模型制作、關(guān)卡設(shè)計、虛擬現(xiàn)實(shí)程序運(yùn)行等均對電腦配置有較高的要求，資源開發(fā)者需要采用高顯卡、高CPU和更大內(nèi)存的設(shè)備，設(shè)計、運(yùn)行虛擬現(xiàn)實(shí)程序。虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)需要多種軟件的配合，例如Unity 3D、UE4等游戲引擎和3dMax、Blander等三維建模軟件，以及Ps、Ai、Sai等其他美術(shù)設(shè)計軟件。不同的軟件具有不同的優(yōu)勢和不足，開發(fā)者需要根據(jù)自己的需求選擇合適的開發(fā)軟件。

雖然Unity 3D上手難度較低，但渲染效果真實(shí)性較差，且引擎本身建立在虛擬機(jī)上，運(yùn)行效率低。因此，開發(fā)者選擇UE4軟件開發(fā)COVID-19臨床診療虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)。UE4具有源代碼開放、渲染質(zhì)量高、上手容易等優(yōu)點(diǎn)，是虛擬現(xiàn)實(shí)引擎最佳選擇[19]。

3.3 ?內(nèi)容呈現(xiàn)設(shè)計策略

3.3.1 ?醫(yī)學(xué)專家、醫(yī)學(xué)教育工作者、開發(fā)人員等同時參與系統(tǒng)設(shè)計

醫(yī)學(xué)教育具備極高的科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性。設(shè)計COVID-19臨床診療虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)，教育工作者參考相關(guān)的醫(yī)學(xué)資料、數(shù)據(jù)等，醫(yī)學(xué)專家和醫(yī)學(xué)教育工作者對內(nèi)容進(jìn)行審核，確保教學(xué)內(nèi)容的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。同時，教學(xué)設(shè)計者根據(jù)教學(xué)目標(biāo)、醫(yī)學(xué)生學(xué)習(xí)現(xiàn)狀與學(xué)習(xí)進(jìn)度，合理選擇虛擬現(xiàn)實(shí)呈現(xiàn)的內(nèi)容，從而精準(zhǔn)幫助醫(yī)學(xué)生理解、運(yùn)用知識，提高實(shí)踐能力。

3.3.2 ?根據(jù)教學(xué)需求確定虛擬系統(tǒng)的逼真度

系統(tǒng)中用于解剖學(xué)的虛擬內(nèi)容采用高保真度的器官模型；用于手術(shù)流程學(xué)習(xí)的器械模型精確度不高，但能夠清晰展示手術(shù)流程；用于培訓(xùn)手術(shù)技能熟練度和精確度時，為醫(yī)學(xué)生提供精準(zhǔn)的力反饋。系統(tǒng)采用了寫實(shí)和卡通兩種風(fēng)格，滿足不同的學(xué)習(xí)需求。其中，寫實(shí)風(fēng)格更接近真實(shí)世界，精細(xì)的模型和逼真的光影效果會為醫(yī)學(xué)生提供高沉浸感的學(xué)習(xí)環(huán)境，此類資源的設(shè)計開發(fā)時間周期較長、終端配置要求較高，渲染速度較慢?？ㄍL(fēng)格資源保真度低，但模型相對簡潔，制作與渲染速度較快，高飽和度的色彩更突出重點(diǎn)內(nèi)容，吸引醫(yī)學(xué)生注意。

3.3.3 ?最大限度地減少文本閱讀

系統(tǒng)采用模型或動畫配合解說詞等傳遞知識，幫助醫(yī)學(xué)生開展實(shí)踐；利用色彩、動畫等突出內(nèi)容重點(diǎn)，降低因閱讀而產(chǎn)生的用眼負(fù)荷。

3.3.4 ?控制系統(tǒng)學(xué)習(xí)時長

研究表明大多數(shù)用戶期望的虛擬體驗(yàn)時長平均約10分鐘[20]，因此系統(tǒng)會根據(jù)知識點(diǎn)長度允許醫(yī)學(xué)生暫時退出學(xué)習(xí)，并支持醫(yī)學(xué)生休息后繼續(xù)開展學(xué)習(xí)。由于部分知識內(nèi)容模塊超過10分鐘，系統(tǒng)通過調(diào)整畫面色彩的飽和度與明度為醫(yī)學(xué)生提供良好的視覺體驗(yàn)。

3.3.5 ?運(yùn)動與現(xiàn)實(shí)保持一致

為避免增加醫(yī)學(xué)生的視覺壓力、視覺疲勞，產(chǎn)生眩暈、暈屏等副作用，系統(tǒng)合理把控視覺轉(zhuǎn)移速度，控制視點(diǎn)距離位于0.75～10米之間，保持虛擬運(yùn)動與現(xiàn)實(shí)運(yùn)動一致，幫助醫(yī)學(xué)生獲取舒適的沉浸式學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

3.3.6 ?把控視覺效果與節(jié)奏

系統(tǒng)采用統(tǒng)一的設(shè)計風(fēng)格，虛擬人物和虛擬事件的呈現(xiàn)在貼近現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)上也要符合美學(xué)原則。開發(fā)者依據(jù)教學(xué)設(shè)計者的需求確定風(fēng)格后，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容腳本繪制教學(xué)動畫分鏡腳本，標(biāo)注攝影角度、光照效果、場景轉(zhuǎn)換、景別變化、畫面持續(xù)時間等，最優(yōu)化呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容畫面。

3.3.7 ?融入倫理道德因素

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)傳遞正確的倫理觀念，給予醫(yī)學(xué)生正向積極引導(dǎo)。系統(tǒng)設(shè)置學(xué)習(xí)情境時，允許醫(yī)學(xué)生進(jìn)行角色扮演，培養(yǎng)其同理心與溝通能力。

3.3.8 ?假設(shè)每個醫(yī)學(xué)生都是虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備使用新手

不是所有醫(yī)學(xué)生都有虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)經(jīng)歷。在正式上課前，系統(tǒng)呈現(xiàn)相關(guān)教學(xué)視頻，幫助醫(yī)學(xué)生掌握設(shè)備的使用方法，包括視角轉(zhuǎn)換，手柄按鍵操作，暫停、跳過、退出操作。

4 ?結(jié)束語

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為醫(yī)學(xué)教育培訓(xùn)帶來了新的可能，它不僅能夠提高醫(yī)學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，還能夠幫助醫(yī)學(xué)生開展實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)技能的遷移。本文系統(tǒng)梳理了虛擬現(xiàn)實(shí)醫(yī)學(xué)教育培訓(xùn)應(yīng)用系統(tǒng)，總結(jié)了不同系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)及有效性，并系統(tǒng)闡述COVID-19臨床診療虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計過程及原則，希望能夠?yàn)橐痪€的醫(yī)學(xué)教育培訓(xùn)工作者提供一定的參考和借鑒，進(jìn)而推動勝任力導(dǎo)向型的醫(yī)學(xué)教育變革。

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