虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在急診醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用

李一凡 王 晶 王長(zhǎng)遠(yuǎn)

虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality，VR)是近年來發(fā)展最為迅速的多學(xué)科交叉新技術(shù)，其高度模擬了真實(shí)世界或想象世界中的情景，并且可以讓操作者在這個(gè)虛擬的情景中與周圍事物進(jìn)行交流互動(dòng)，使操作者親身體驗(yàn)虛擬情景中事物的變化，與虛擬模擬環(huán)境中的人物進(jìn)行語言和動(dòng)作交流等。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中VR技術(shù)主要用于康復(fù)訓(xùn)練、手術(shù)模擬、人體解剖學(xué)、臨床教學(xué)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、災(zāi)害救援培訓(xùn)、心理治療和針灸研究等[1,2]。目前VR越來越多地用于培訓(xùn)醫(yī)療專業(yè)人員。急診專業(yè)和許多其他專業(yè)一樣，傳統(tǒng)的培訓(xùn)模式仍然存在，在患者的診斷、治療和處理過程中，真實(shí)患者仍然是臨床教學(xué)中的不可缺少的一部分。但是一些有創(chuàng)的臨床操作和團(tuán)隊(duì)合作能力等非技術(shù)技能的培訓(xùn)很難在真正的患者身上進(jìn)行。VR技術(shù)和計(jì)算機(jī)高仿真技術(shù)的持續(xù)發(fā)展為醫(yī)學(xué)教育提供了基礎(chǔ)，VR可以創(chuàng)建真實(shí)的學(xué)習(xí)環(huán)境，提高學(xué)習(xí)者的積極性和參與度，改善學(xué)習(xí)的情境以及發(fā)展卓越的技術(shù)技能和非技術(shù)技能，已經(jīng)顯示出巨大的教學(xué)應(yīng)用前景。

一、VR的概念及分類

虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality，VR)這一名詞首先由美國VPL公司的創(chuàng)始人Lanier在20世紀(jì)80年代初提出，也稱靈境技術(shù)或人工環(huán)境[3]。VR是應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬生成一個(gè)具有三維空間的虛擬模擬世界，并且能夠向操作者提供仿真的觸覺、視覺和聽覺等感官的交流互動(dòng)，讓操作者如同置身在真實(shí)的場(chǎng)景中，感知三維世界中的事物的變化。為了滿足視覺、觸覺和聽覺等多個(gè)感官上的模擬需求，VR技術(shù)需要的設(shè)備一般包括語音識(shí)別設(shè)備、數(shù)據(jù)感觸設(shè)備、耳機(jī)、立體眼鏡、操控桿和鍵盤等設(shè)備[4]。

VR技術(shù)又可分為沉浸式VR技術(shù)和非沉浸式VR技術(shù)。沉浸式VR技術(shù)要求用戶戴上VR頭盔，應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)產(chǎn)生一個(gè)三維立體空間的虛擬模擬世界，操作者幾乎與外面的現(xiàn)實(shí)世界一切聯(lián)系中斷，能夠與虛擬對(duì)象實(shí)時(shí)交互信息, 仿佛置身在真實(shí)的現(xiàn)實(shí)世界中[5]。非沉浸式VR也稱為桌面式VR, 使用者主要借助計(jì)算機(jī)和其鍵盤、鼠標(biāo)、攝像頭和話筒等計(jì)算機(jī)輔助設(shè)備, 應(yīng)用三維制圖軟件在計(jì)算機(jī)屏幕上生成的窗口式虛擬環(huán)境, 或者是通過現(xiàn)代攝像技術(shù)在實(shí)際圖像基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算機(jī)處理模擬生成的虛擬的仿真環(huán)境，與沉浸式VR比較，非沉浸式VR仿真性較差，對(duì)真實(shí)世界的模擬性不強(qiáng)。目前臨床上所說的VR一般是指沉浸式VR。

然而，對(duì)于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域來說，使用V?elter等[6]提出的VR分類可能更為準(zhǔn)確。他將VR技術(shù)分為4類，即沉浸式VR、桌面VR、偽VR和逆向VR。沉浸式 VR 將用戶完全融入到計(jì)算機(jī)模擬出的虛擬世界中，而桌面 VR 的不同之處在于用戶沒有完全融入到虛擬世界中，但仍能夠在計(jì)算機(jī)屏幕上觀察和管理虛擬世界。偽VR是指用戶可以控制計(jì)算機(jī)動(dòng)畫并觀察動(dòng)畫的系統(tǒng)，但是沒有進(jìn)一步的交互，例如，可以旋轉(zhuǎn)三維(3D)解剖模型來改進(jìn)學(xué)習(xí)，但不能將其扭曲或變形。逆向VR是指通過頭戴式顯示器上呈現(xiàn)虛擬圖像，從而將虛擬世界疊加到真實(shí)世界上。例如，為了使外科手術(shù)醫(yī)生能夠查看清患者面部的內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建了一個(gè)程序來幫助在頜面手術(shù)中疊加在患者表面解剖結(jié)構(gòu)上，換而言之，外科醫(yī)生幾乎能夠看清患者的皮膚及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

二、VR的特征

沉浸感是VR技術(shù)與其他計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)比較明顯不同的一個(gè)重要特征。沉浸感的概念最早來源于沉浸理論，主要是指一個(gè)人全身心投入到某件事情上，達(dá)到忘我狀態(tài)的感覺[7]。完全沉浸在某種情景和事物之中，會(huì)有極高的欣快感、充實(shí)感和成就感,不斷學(xué)習(xí)和探索,克服一切困難，努力達(dá)到新的學(xué)習(xí)高度。VR技術(shù)能幫助操作者更加生動(dòng)、形象和直觀體驗(yàn)真實(shí)的場(chǎng)景。在醫(yī)學(xué)教學(xué)中，可以模擬真正的臨床患者的生理和病理狀態(tài)、診療環(huán)境和治療目的，模擬緊急情況，反復(fù)進(jìn)行操作演練，同時(shí)克服了空間和時(shí)間限制。沉浸感使操作者具有強(qiáng)烈的參與感、真實(shí)感和成就感，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，顯著提高了學(xué)習(xí)成績(jī)[8]。

交互性是VR技術(shù)的另一特征，可實(shí)現(xiàn)操作者通過某些器械對(duì)虛擬環(huán)境中的特定對(duì)象進(jìn)行各種操作，操作效果可以及時(shí)反饋給操作者，使操作者可以快速改正自己的操作方法，糾正錯(cuò)誤。在醫(yī)學(xué)中VR技術(shù)可以模擬醫(yī)生與患者交流互動(dòng)，操作者可以應(yīng)用虛擬手術(shù)器械進(jìn)行腹腔鏡、關(guān)節(jié)鏡等各種手術(shù)虛擬操作，計(jì)算機(jī)反饋系統(tǒng)可以對(duì)操作者的各種操作及時(shí)進(jìn)行反饋，從而使操作者根據(jù)計(jì)算機(jī)反饋信息及時(shí)糾正錯(cuò)誤，調(diào)整手術(shù)操作動(dòng)作和流程[9]。

VR技術(shù)具有豐富的構(gòu)想性，VR留給用戶極大的想象空間，操作者可以根據(jù)自己的特點(diǎn)，自由發(fā)揮自身潛力，不斷開拓自己認(rèn)知領(lǐng)域，對(duì)未知事物做出勇敢的嘗試。因此VR系統(tǒng)把主動(dòng)權(quán)交給了操作者，從而使操作者發(fā)揮自己的想象力和創(chuàng)造力，主動(dòng)地去探索身邊未知的世界。

三、VR在急診醫(yī)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

在急診臨床工作中，經(jīng)常會(huì)用到心肺復(fù)蘇和深靜脈穿刺等單項(xiàng)操作技能，因此對(duì)醫(yī)學(xué)生進(jìn)行這些單項(xiàng)急救技能培訓(xùn)非常重要。由于心肺復(fù)蘇、深靜脈穿刺和氣管插管等操作會(huì)對(duì)患者造成傷害，因此這些操作技能培訓(xùn)不可能在真正急診患者身上進(jìn)行。急診年輕醫(yī)生和實(shí)習(xí)生面臨著臨床實(shí)踐機(jī)會(huì)少、教學(xué)資源不足等問題，同時(shí)單純的技能操作模型仿真性差，因此培訓(xùn)效果欠佳[10]。應(yīng)用VR技術(shù)能有效模擬出真實(shí)的臨床工作場(chǎng)景和虛擬患者，有效克服教學(xué)資源不足的問題，確保醫(yī)學(xué)生熟練進(jìn)行各種急診有創(chuàng)技能操作，達(dá)到及時(shí)救治患者的目的。例如急診常見的深靜脈穿刺培訓(xùn)中，利用VR技術(shù)可以使醫(yī)學(xué)生能夠看到要穿刺的動(dòng)脈或靜脈的位置，在特定的急救場(chǎng)景中反復(fù)訓(xùn)練，熟練掌握操作技能，達(dá)到良好的教學(xué)效果。

在急診醫(yī)學(xué)教學(xué)過程中，除了要培訓(xùn)心肺復(fù)蘇、氣管插管等單項(xiàng)技能操作能力外，更需要把急診醫(yī)學(xué)教學(xué)重點(diǎn)放在培養(yǎng)醫(yī)學(xué)生敏銳的臨床思維能力、情景意識(shí)、領(lǐng)導(dǎo)能力和團(tuán)隊(duì)合作能力等非技術(shù)技能上[11]。在真正的急診臨床救治患者過程中，心肺復(fù)蘇、氣管插管等單項(xiàng)技能操作能力不是搶救成功的關(guān)鍵，而團(tuán)隊(duì)合作能力等非技術(shù)技能才是成功救治患者的有效保證[12]。應(yīng)用VR技術(shù)進(jìn)行急診非技術(shù)技能培訓(xùn)，克服了傳統(tǒng)的急診醫(yī)學(xué)培訓(xùn)的缺點(diǎn)，傳統(tǒng)的團(tuán)隊(duì)合作能力等非技術(shù)技能培訓(xùn)多通過書面或視頻進(jìn)行講解，學(xué)生興趣不高，教學(xué)效果差。而VR技術(shù)可以模擬各種急診搶救場(chǎng)景，VR系統(tǒng)會(huì)隨著時(shí)間的推移而發(fā)生各種病理和生理變化，醫(yī)學(xué)生可根據(jù)這些變化進(jìn)行各種有創(chuàng)或無創(chuàng)的臨床操作，不同的臨床操作會(huì)在虛擬患者身上產(chǎn)生不同的臨床效果，從而獲得各種虛擬臨床診療信息，學(xué)生有身臨其境的感覺，可多人進(jìn)行互動(dòng)合作，培養(yǎng)任務(wù)管理、團(tuán)隊(duì)合作、情景意識(shí)和決策能力等非技術(shù)技能。

VR技術(shù)還可以用于急診顳骨剝離術(shù)、急診血管吻合等急診創(chuàng)傷手術(shù)培訓(xùn)[13]。在這些急診手術(shù)培訓(xùn)中，VR技術(shù)可以提供可視化的人體解剖模型，使學(xué)生可以清晰地看到手術(shù)部位，方便醫(yī)學(xué)生進(jìn)行手術(shù)操作。同時(shí)在這些手術(shù)操作過程中允許學(xué)生犯錯(cuò)誤，在錯(cuò)誤中學(xué)習(xí)正確的手術(shù)知識(shí)和方法，這些VR技術(shù)都非常受醫(yī)學(xué)生的歡迎，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

四、展 望

VR技術(shù)代表了醫(yī)學(xué)教育的未來，盡管這項(xiàng)技術(shù)還處于起步階段，但目前的教學(xué)應(yīng)用已經(jīng)證明了VR是有效的教學(xué)工具。在急診醫(yī)學(xué)教學(xué)中要充分發(fā)揮VR技術(shù)的交互性、沉浸感和構(gòu)想性的特點(diǎn),通過VR技術(shù)進(jìn)行培訓(xùn)以提高醫(yī)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣, 增強(qiáng)臨床技能操作能力。隨著計(jì)算機(jī)和工程技術(shù)的飛速發(fā)展，VR已經(jīng)體現(xiàn)出在醫(yī)學(xué)教育方面巨大的發(fā)展?jié)摿?。雖然VR具有成本高和容易導(dǎo)致學(xué)生視覺疲勞等缺點(diǎn)，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，這些問題一定會(huì)得到解決。目前在VR基礎(chǔ)上發(fā)展的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmented reality，AR)技術(shù)和混合現(xiàn)實(shí)(mix reality，MR)技術(shù)也逐步應(yīng)用于醫(yī)學(xué)教育，這些技術(shù)把虛擬世界和真實(shí)世界結(jié)合起來，互相擬補(bǔ)不足，能夠提高臨床教學(xué)效果，隨著VR、AR和MR技術(shù)的廣泛應(yīng)用，將顯著提高我國的醫(yī)學(xué)教育水平。