VR技術在醫(yī)學免疫教育中的研究進展①

徐曉英 杜耀婷 徐 毅 王又辰 管細紅 王璐瑤（江西中醫(yī)藥大學，南昌330006）

目前，5G憑借高速度、低時延、萬物互聯(lián)和廣泛等特點和優(yōu)勢已正式進入人們的生產(chǎn)生活［1］。5G技術作為基礎設施與各行各業(yè)相融，并帶動其進一步發(fā)展升級，在此基礎上虛擬現(xiàn)實（virtual reality，VR）技術有望實現(xiàn)在醫(yī)學教育版塊的常態(tài)化應用。2019年國務院印發(fā)《國家職業(yè)教育改革實施方案》提出適應“互聯(lián)網(wǎng)+職業(yè)教育”發(fā)展需求，運用現(xiàn)代信息技術改進教學方式方法，推進虛擬工廠等網(wǎng)絡學習空間建設和普遍應用。國家教育部將VR技術明確列入教育信息化重點工作，意味著VR在教育體系內(nèi)的應用已成為發(fā)展大趨勢。醫(yī)學教育包括在校學習教育和繼續(xù)醫(yī)學教育兩種模式，因職業(yè)需求，醫(yī)務工作者奉行終身學習理念，傳統(tǒng)學習方式因課時有限、資源匱乏并受教學時間和空間的限制，在既要求加強學生理論學習，又要滿足臨床實踐技能培養(yǎng)的大環(huán)境下，已然成為制約各高校教學發(fā)展的瓶頸，而VR則為拓展醫(yī)學教育提供了一種解決方案［2］。

1 VR技術在醫(yī)學免疫教育中的應用現(xiàn)狀

VR技術是一種計算機輔助程序，通過投射三維視圖和使用立體圖像提供一種臨場感，模擬在環(huán)境中的感覺，使圖像和物體顯得真實，VR技術的3大特征：沉浸性、交互性、構想性，在醫(yī)學教育行業(yè)中，教育者將醫(yī)學中抽象的理論知識借助VR技術為學生重現(xiàn)1∶1的高保真仿真模型或臨床環(huán)境，可根據(jù)需要頻繁地與虛擬患者、醫(yī)療資源和實踐內(nèi)容進行交互［3-5］。醫(yī)學免疫學是醫(yī)學的重要組成部分之一，具有較強的實踐性，且實驗課占總學時數(shù)的55%，因此實驗教學的水平和質(zhì)量至關重要，受一些因素（場地、安全）的限制，某些感染性等實驗無法在校完成，為突破困境，何超翔等［6］學者，自行研究設計并建立了HIV感染免疫診斷的虛擬仿真實驗項目，在醫(yī)學免疫教育中進一步加強了學生的生物安全意識和規(guī)范檢測流程，有助于培養(yǎng)學生自主學習、實踐創(chuàng)新的能力。學生身臨其境，實現(xiàn)理論與實踐的完美結合［7］。如圖1。

圖1 VR技術醫(yī)學教育Fig.1 Medical education of VR technology

1.1.1 改變醫(yī)學免疫等實踐學科學習方式 VR為基礎醫(yī)學學科的《病原生物學與免疫學》的實驗教學提供了新的教學模式，學生以第一視角觀察，示教老師的實驗操作，直觀地了解實驗的操作過程，相當于親自操作過實驗，此舉既可以提高學生對實驗操作的掌握能力，又能解決免疫教學中實際開展困難的實驗教學［8］。腫瘤標志物甲胎蛋白是診斷肝癌的主要指標，在醫(yī)學免疫史中具有重要的意義，余瑞琦等［9］團隊依據(jù)VR原理，結合實驗器材、檢驗設備、環(huán)境布局、檢驗過程等通過3D再現(xiàn)，模擬醫(yī)院臨床實驗室肝癌病人標本檢驗的全過程，并建成以醫(yī)學免疫學課程為背景，基于VR技術的腫瘤標志物AFP檢測平臺，將醫(yī)學檢驗的前沿技術帶入課堂，學生既能掌握知識，又能提高學習興趣和效果。解剖模型是免疫教學實踐的常用輔助學習模具，有助于醫(yī)學生開展更好的臨床實訓模擬，增強學習，但相關研究認為持續(xù)使用人體模型會降低其有限的壽命，并且更換過時或損壞的設備所帶來的巨額費用［10］。同時這種面對面教學的形式也阻礙了知識的傳播，因空間和時間等外在因素的限制，使本受益的學生處于較弱地位。常見模型優(yōu)缺點見表1。循環(huán)系統(tǒng)疾病一直是教學重點，但因其教學內(nèi)容過于抽象例如心臟解剖結構和心音特征判斷疾病類型等，傳統(tǒng)教學低逼真度模擬模型完全無法實施教學，心臟解剖主要通過觀看教學視頻和實驗室觀看心臟解剖模擬，心臟聽診主要靠播放聲音來完成，缺乏真實感，進入臨床因其病源不足或臨床醫(yī)生依賴相關設備進行輔助檢查，對心臟查體重視度不高，導致學生理解和掌握知識能力弱［11］。然而學者通過創(chuàng)建虛擬的高保真三維心臟VR模型，使用VR頭盔和控制器平臺進行可視化和操作，該模型由終端用戶實時控制，檢查心臟部位在不同情況下的角度，確診疾病類型從而促進病情恢復［12］。研究表明［13］學員在手術中使用這些VR模擬器與其他不用VR技術的學生相比能更快完成自身的學習任務。因此，借助數(shù)字模型與真實人體疊加，在符合生理學精度的器官虛擬模型上，利用配套設備可以為學生提供一種適應臨床真實環(huán)境的感覺和歸屬感，有助于在現(xiàn)實臨床環(huán)境中減少焦慮并提高信心。

表1 常用模型優(yōu)缺點Tab.1 Advantages and disadvantages of common models

1.1.2 臨床技能實訓 臨床實踐是成為一名合格醫(yī)務工作者必不可少的環(huán)節(jié)，在實踐中不斷提升、鍛煉臨床能力的關鍵時期，在這時期，最主要的任務是要掌握臨床實踐的基本技能，但傳統(tǒng)帶教培養(yǎng)是“師徒”模式，帶教老師先讓學生通過病例了解病情，然后查房時統(tǒng)一講解，不懂再問再教循環(huán)往復。但外科醫(yī)生主要是通過不斷進行臨床技能實訓，獲得經(jīng)驗，取得成功。由于患者安全意識增加、醫(yī)患關系日益緊張等原因，一位合格外科手術醫(yī)生地培養(yǎng)需要較長時間，傳統(tǒng)的教學模式面臨著越來越多的挑戰(zhàn)［11］。

隨著VR技術在醫(yī)學實踐的應用，VR為拓展臨床教學環(huán)境提供了一種新的方法和途徑［12］。國內(nèi)王思瑤等［12］通過VR技術與情景模擬方法對醫(yī)學生掌握心肺復蘇技術學習效果進行對比研究，發(fā)現(xiàn)VR技術可提高學生的學習質(zhì)量，激發(fā)學習的主動性，提高學生心肺復蘇水平。美國一項研究使用由Trivantis公司開發(fā)CenarioVR工具讓研究對象在手機上下載沉浸式VR應用程序，配置VR耳機，研究對象通過VR設備可看到臨床醫(yī)生放置B超探頭的位置以及如何放置的過程，還可以看到病人和臨床醫(yī)生的面部表情和非語言交流，使其有一種幻覺，以為自己在病房實際參與全部過程。同時研究對象可暫停、倒帶、轉(zhuǎn)頭，實時查看B超探頭定位過程以及實際超聲波輸出數(shù)值，在使用該設備考試時，在考試不同時間段，教師可暫停操作過程并提問問題，學生的回答可以被記錄并存儲在一個學習管理系統(tǒng)中，以便進行回顧和績效評估。該研究已正式在美國部分急危重癥護理專業(yè)的學生中進行應用。

由于虛擬仿真訓練系統(tǒng)具有低代價、零風險、重復性的優(yōu)點，可高效地提高學生臨床操作技能［14］。在目前臨床實習動手操作變得越來越困難的時代，虛擬仿真訓練可在安全的環(huán)境中實踐，掌握醫(yī)學操作技能，可在未來的教學中普及。

1.1.3 解放指導教師 根據(jù)國家相關政策，醫(yī)學專業(yè)于2004年開始建立“雙師型”教師隊伍，既要完成臨床工作，又要承擔教學和科研任務，在多因素的壓力下，部分教師患有不同程度的心理和生理疾病。傳統(tǒng)教學方式多為面對面教學，二維平面模型、抽象概念，缺乏立體，學生理解程度差，教師教學壓力大［15］。我國某高校護理學生實訓課，上課模式為1名帶教老師在實驗室進行演示操作，學生圍觀學習，然后自行臨床模擬操作，教師輔助指導，在有限的學習時間內(nèi)，1名老師帶30名學生實訓，平均輔導每個學生的時間和精力都不足，嚴重影響了教與學的效果。

VR作為一種新型的教學工具，擁有低成本、多互動、強趣味、高安全、可重復等諸多優(yōu)點，作為醫(yī)學教育的重要組成部分，VR系統(tǒng)不需要多位教師［16-17］。學習者可以隨時進入VR系統(tǒng)，參與模擬活動，模擬場景設定運行后，某些VR教學只需要1名教師在場，虛擬仿真技術可以實時的反饋學生操作的結果并對學生的操作結果進行更正及評分，傳統(tǒng)的教學實踐中往往需要教師不斷的對學生的操作結果進行評價，但應用虛擬仿真，學生可以根據(jù)儀器的自評價功能而自我學習，縮短了學習的時間，大大降低了教師的工作量。王萍等［18］將VR技術應用于靜脈注射法實驗教學中，發(fā)現(xiàn)通過使用VR模擬器進行實操演練，沉浸式VR（immersive VR，IVR）學生的操作考核成績、評判性思維和教學滿意度明顯優(yōu)于非沉浸式VR（non-immersive VR，NVR）組，認為VR教學激發(fā)了學習興趣，減少了侵入性操作帶來的心理恐懼感。創(chuàng)新的教學方式，突破了傳統(tǒng)教學帶來的弊端，大大較少教師的工作量，減輕教學壓力。在國外虛擬模擬已用于培訓用戶各種技能，如支氣管鏡檢查、結腸鏡等檢查程序等［19］。

BUTT等［20］通過隨機試驗將20名護理學生分為對照組和干預組，對照組在導尿師的指導下進行導尿技術操作學習，干預組則使用Oculus Rift頭盔和可穿戴設備使用IVR導管程序、觸覺感應手套等進行虛擬學習，試驗結果顯示，與傳統(tǒng)學習方式相比，使用IVR系統(tǒng)的學生在相同時間內(nèi)可學習更多的導尿知識，且2周后，2組學生在技能保留方面沒有任何差異，參與該研究的8位教師中，有7位認為該方式是有趣的、解壓的，并推薦用于學生教學。

1.1.4 緩解學生焦慮 醫(yī)學專業(yè)因其特殊性，不僅要求醫(yī)學生理論知識扎實，而且實踐能力也必須達到學?；蚺R床考核指標，故醫(yī)學生的考試焦慮發(fā)生率遠遠高于普通學生［21］。VR利用人機界面，讓人們沉浸在數(shù)字渲染的幻覺中，幻覺是由計算機硬件構成的多感官幻覺和投影。這些錯覺充當著虛擬環(huán)境的角色，讓人們通過接受VR暴露療法（virtual reality exposure therapy，VRET）來調(diào)節(jié)自己以對抗焦慮癥狀，VRET是一種系統(tǒng)脫敏療法，可以在心理上強化對恐懼刺激的抵抗［22］。

初次臨床實習的學生，由于沒有經(jīng)歷真實的臨床技術操作，常常擔憂自身不能完成臨床工作，特別是當獨立面對病情為患者進行操作時，因緊張導致操作失敗，留有心里陰影，常需較長時間進行自我調(diào)節(jié)恢復，而IVR可以將用戶的恐懼結構轉(zhuǎn)變?yōu)檫m應的恐懼結構，消除扭曲現(xiàn)實、增加逃避傾向的病態(tài)恐懼。馬順昌等［23］將VR用于蝶骨嵴腦膜瘤手術，利用影像學獲取術前有關疾病數(shù)據(jù)，進行三維重建，通過虛擬系統(tǒng)觀察重建后的顱腦結構，醫(yī)生可在逼真的環(huán)境中進行手術，當出現(xiàn)錯誤時，反復矯正，直至成功，這是在現(xiàn)實手術所不能達到的情況。李林林等［24］將VR技術應用與心血管外科手術教學培訓中，利用影像學獲取不同心臟疾病的數(shù)據(jù)，重建心臟三維模型，有助于學生對心臟疾病有直觀而準確的認識，避免臨床實習因回答不出帶教提問而自我能力質(zhì)疑。

美國中西部一所主要州立大學教本科生臨床實習輪轉(zhuǎn)的護理帶教老師被邀請參加1個虛擬現(xiàn)實模擬（virtual reality simulation，VRS）靜脈導管插入的研究，參與過該研究的8位帶教老師都非常贊同或認為VRS增加學生對這一過程的了解，在正式護理患者前減少學生的焦慮，從而在一個安全的環(huán)境中增強臨床學習［25］。

1.1.5 活躍課堂氛圍與激發(fā)學習興趣 目前我國教學方式中，還是以老師課堂授課為主，學生被動進行學習，且有些教師授課形式過于古板，課堂氛圍不活躍，難以調(diào)動學生學習的積極性，對學生思維發(fā)展及實踐能力培養(yǎng)不足，不利于發(fā)揮學生主觀能動性［26］；其次，由于空間、時間的限制，難以為學生創(chuàng)造系統(tǒng)性的學習環(huán)境，理論與實踐非同步進行，降低學習興趣，學習效果大打折扣。相比于傳統(tǒng)教育，VR交互技術，能將枯燥的理論學習知識，借助移動通訊設備及VR眼鏡、控制器等工具以二維動畫、三維動畫、游戲、互動視頻等形式進行展示，豐富教學授課形式，學生在快樂環(huán)境中學習，提高學習興趣［27］。

陳慧等［26］為在校護理學生構建虛擬仿真在線平臺，并用于中醫(yī)護理專業(yè)，通過與傳統(tǒng)課堂進行對比發(fā)現(xiàn)使用VR設備學習基礎理論和實踐技能的學生，其學習的自主能力和積極性均高于傳統(tǒng)教學。ADAMS［28］采用隨機化原則將傳統(tǒng)的腹腔鏡模擬器、XBOX 360游戲機或任天堂DS掌上游戲系統(tǒng)用于住院醫(yī)師和初步實習醫(yī)師，經(jīng)過為期6周的試驗，玩電子游戲的住院醫(yī)生在腹腔鏡技術上的進步速度遠遠大于在傳統(tǒng)腹腔鏡模擬器上練習的住院醫(yī)生，VR游戲與精細運動測試有較好的相關性，有助于發(fā)展相關臨床技能。通過設置游戲闖關式學習模式，激發(fā)學習興趣從傳統(tǒng)“要我學”轉(zhuǎn)化為“我要學”的心理轉(zhuǎn)變，讓學生在快樂氛圍中掌握知識，獲得技能［29］。

2 VR技術發(fā)展痛點分析

2.1 價格昂貴 VR為臨床教學提供了實踐機會，是在無風險的環(huán)境下醫(yī)學生掌握學習內(nèi)容，實現(xiàn)安全、高質(zhì)量臨床實踐的一種方法。雖然簡單的VR的開發(fā)成本不會太高，但教育機構的開發(fā)成本，以及能夠讓學生使用它們的設備的成本，都是重要的問題。因VR設備價格昂貴，成為制約各大高校和醫(yī)院的門檻。近年來，隨著VR設備逐漸以平民化的價格進入市場，高端VR硬件（筆記本電腦和耳機）的安裝成本約為3 000美元，軟件成本取決于供應商和產(chǎn)品質(zhì)量，但通常低于物理模擬成本的十分之一，獨立于供應商［30］。因此，使用VR技術可以節(jié)省大量的設置和運行成本，各行各業(yè)逐漸將其引入，開展VR發(fā)展策略，我國深圳市中醫(yī)院針灸科、北京協(xié)和醫(yī)院等將VR技術引入臨床，開展研究。

2.2 復雜技術難以建立協(xié)同虛擬環(huán)境認同 沉浸式技術以一種連續(xù)體的形式存在，它將學習者在時間、空間和方式轉(zhuǎn)移到完全虛擬環(huán)境，然后覆蓋在真實環(huán)境上的全息技術，使用戶能夠在沉浸式的真實世界環(huán)境中查看數(shù)字內(nèi)容。盡管在醫(yī)學教育中使用VR技術有許多優(yōu)勢，但在這一領域的發(fā)展相對較少，尤其是在有效使用時涉及的多重障礙，其中技術復雜性，難以建立協(xié)同虛擬環(huán)境的認同感是當前迫切需要解決的問題。虛擬連續(xù)體的一端連接真實環(huán)境，另一端為完全虛擬的環(huán)境。在真實環(huán)境中，增強現(xiàn)實（augmented reality，AR）模擬將任何東西以模擬數(shù)字內(nèi)容的形式呈現(xiàn)，通過相機和數(shù)字顯示疊加。并且通過數(shù)字化渲染將用戶帶入物理現(xiàn)實之外的完全虛擬環(huán)境中，用于VR的（headmounted display，HMD）將用戶完全沉浸在虛擬環(huán)境中。虛擬連續(xù)體的中心是混合現(xiàn)實（mixed reality，MR），它將虛擬內(nèi)容與真實環(huán)境融合在一起。虛擬連續(xù)體中的每一種形式都依賴于外部硬件，包括基于監(jiān)視器的顯示器、透明頭戴式顯示器（HMDs）和完全沉浸式HMDs。

伯恩茅斯大學的CILVRS項目正在研究使用沉浸式VR學習環(huán)境來彌合醫(yī)護學生理論與實踐之間差距的教育能力。CILVRS項目的試點和可行性研究已經(jīng)在VR環(huán)境中開發(fā)，該環(huán)境使用Unity 3D平臺。該模擬應用由醫(yī)療工作者和專業(yè)VR教育公司Daden Ltd.合作開發(fā)，通過精英化、專業(yè)化、集中化人員配備，共同合作研發(fā)，以確保創(chuàng)建的VRLE學習環(huán)境對于臨床教學是可持續(xù)、可依賴、有價值的。醫(yī)療VR的應用在我國尚未成熟，如何突破技術難關、實現(xiàn)VR與醫(yī)療行業(yè)融合仍是當前面臨的重大問題。

2.3 VR場景的理想化和單一化 VR虛擬環(huán)境的內(nèi)容是設計者依據(jù)現(xiàn)實中某一特定場景構思出來的，模擬內(nèi)容固定，過于單一的理想化，無法模擬真實的緊急突發(fā)情況。VR模擬開發(fā)有助于病例分析，加強臨床手術操作的細節(jié)，強化醫(yī)生手術操作步驟便于查缺補漏，但對于外科手術醫(yī)生無臨床真實手術緊張感和手感，培訓較片面。傳統(tǒng)脊柱微創(chuàng)手術中，醫(yī)生手持手術刀對病灶處進行操作，醫(yī)生通過手術刀可以感受與病灶處的接觸力，在脊柱外科，由于人體脊柱骨的解剖結構遍布錯綜復雜的神經(jīng)，臨床醫(yī)生可根據(jù)這個接觸力來保證定位針、椎弓刀等器械準確進入病灶，盡管是基于現(xiàn)實環(huán)境的模擬，但使用者心理負擔遠小于真實環(huán)境，無法較好地培養(yǎng)學生的心理素質(zhì)［31］。

余世政等［32］學者為了解決力反饋在虛擬場景中的缺陷，設計一款力反饋式外骨骼手套，有益于減少VR與真實之間差距。VR無真實手術手感，面對臨床突發(fā)情況，醫(yī)生的應變能力及解決分析問題的能力無法得到鍛煉。因此VR模擬這種理想化單一化的模式對于臨床技能培訓存在弊端。

3 VR在醫(yī)學免疫教育中的發(fā)展前景

VR技術不僅在醫(yī)學免疫教育中應用廣泛，也為拓展醫(yī)學教學方式提供了一種新的方案，有助于從課堂上自由學習，允許學習者在安全的環(huán)境中進行臨床實踐技能練習，并從錯誤中不斷學習，提高學習者的能力和自信心。隨著VR不斷應用并融入教學，在以后的發(fā)展教育中將成為主流，交叉學習者也能夠參與真正的跨專業(yè)、完全逼真的模擬，且不受時間和空間限制，VR將徹底改變傳統(tǒng)教與學的方式。在后期高等教育機構可與技術公司積極合作，進一步開發(fā)和完善VR在醫(yī)學教學中的技術，建立專業(yè)VR教學實驗室，不斷完善VR教學實訓系統(tǒng)。