郭辰樨，歐鳳榮

（中國醫(yī)科大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院營養(yǎng)與食品衛(wèi)生教研室，遼寧 沈陽110122）

醫(yī)學(xué)教育不僅需要注重理論知識的傳授，也需注重醫(yī)學(xué)實踐能力的培養(yǎng)。臨床工作的復(fù)雜性決定了其對醫(yī)生自身臨床思維與臨床實踐操作能力都有著非常高的要求。醫(yī)學(xué)生在掌握理論知識的基礎(chǔ)上，更需要熟練掌握臨床實踐操作技能。臨床實踐是臨床教學(xué)的重要內(nèi)容，是培養(yǎng)和訓(xùn)練醫(yī)學(xué)生臨床思維、操作技能和實際工作能力的重要環(huán)節(jié)［1］。隨著醫(yī)療環(huán)境的變化、社會期望的改變、患者對隱私權(quán)的重視以及自我保護意識的增強，傳統(tǒng)的臨床教學(xué)模式已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)有的醫(yī)療環(huán)境［2］，醫(yī)學(xué)生在臨床上進行技能培訓(xùn)受到嚴重限制，已成為嚴重影響醫(yī)學(xué)人才培養(yǎng)質(zhì)量的一個瓶頸問題［3］?，F(xiàn)代教育技術(shù)的發(fā)展，為破解臨床實踐教學(xué)難題提供了新的思路。

1 模擬教學(xué)在醫(yī)學(xué)教育中的發(fā)展

由于醫(yī)學(xué)技術(shù)的進步、臨床實踐教學(xué)復(fù)雜性的增加，模擬教學(xué)成為了醫(yī)學(xué)教育中的一個迅速發(fā)展的領(lǐng)域［4］。模擬教學(xué)可以利用各種技術(shù)創(chuàng)造出模擬患者、模擬病房、模擬診室、模擬手術(shù)室乃至模擬醫(yī)院等軟硬件條件，在模擬環(huán)境下，醫(yī)學(xué)生的臨床工作能力和診療水平得到大幅度的提高，同時培養(yǎng)了正確而迅捷的臨床思維，從而減少醫(yī)療差錯和事故在實際臨床工作中的發(fā)生［5－8］。經(jīng)過長期的實踐證明，模擬教學(xué)是破解臨床實踐教學(xué)難題的一個重要手段［9］。

1.1 醫(yī)學(xué)模型 模擬教學(xué)的開展離不開多種類型的高科技醫(yī)學(xué)模型。目前醫(yī)學(xué)模型大致可分為基礎(chǔ)解剖示教模型、局部功能性模型、計算機互動模型、生理驅(qū)動模擬系統(tǒng)、虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)5個模塊。這5個模塊按照醫(yī)學(xué)教育規(guī)律，滿足不同階段、不同層次對象的教學(xué)需求?；A(chǔ)解剖示教模型主要是展示人體各局部器官組織間關(guān)系，用于學(xué)習(xí)人體解剖知識；局部功能性模型展示人體某局部、某系統(tǒng)或某一學(xué)科的解剖結(jié)構(gòu)和生理以及疾病的發(fā)生、發(fā)展過程，用于學(xué)生各種技能操作訓(xùn)練和考核；計算機互動模型可模擬正常和異常生理學(xué)和藥理學(xué)反應(yīng)，訓(xùn)練學(xué)生臨床技能、臨床思維能力和獨立救治能力；生理驅(qū)動模擬系統(tǒng)通過對大量臨床數(shù)據(jù)的整合，使模擬人對在其身上實施的操作做出自主的、全面的生理反應(yīng)；虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)是伴隨高科技和微創(chuàng)外科技術(shù)的發(fā)展而興起的，常見有外周血管穿刺與操作培訓(xùn)系統(tǒng)、心血管介入術(shù)培訓(xùn)系統(tǒng)、內(nèi)鏡手術(shù)與操作培訓(xùn)系統(tǒng)、腹腔鏡微創(chuàng)手術(shù)培訓(xùn)系統(tǒng)等。

1.2 虛擬現(xiàn)實培訓(xùn)系統(tǒng) （virtual reality training systems） 2016年，虛擬現(xiàn)實 （virtual reality，VR）技術(shù)迎來爆發(fā)式發(fā)展，成為全球IT領(lǐng)域創(chuàng)新科技的前沿技術(shù)。隨著VR硬件設(shè)備的不斷升級和配套計算機技術(shù)的逐漸成熟，虛擬現(xiàn)實培訓(xùn)系統(tǒng)迎來快速發(fā)展機遇。虛擬現(xiàn)實培訓(xùn)系統(tǒng)可以讓醫(yī)學(xué)生置身于模擬的醫(yī)療環(huán)境中，系統(tǒng)發(fā)布任務(wù)，學(xué)生收到任務(wù)后在模擬患者身上能直接看三維立體的解剖結(jié)構(gòu)并進行具體的臨床操作，在這種培訓(xùn)環(huán)境下，學(xué)生能夠充分調(diào)動自己的多種感官，不僅訓(xùn)練了學(xué)生的臨床思維能力，而且提高了其臨床實踐技術(shù)，整個環(huán)境開放且自主，整個過程安全且經(jīng)濟［10－12］，彌補了仿真模型價格較高、仿真耗材消耗量巨大、培訓(xùn)空間和師資不足的缺陷，能在較短的時間里提高學(xué)生的多項臨床實踐技術(shù)，從而提高培訓(xùn)效率［13］。有研究證實，虛擬現(xiàn)實培訓(xùn)已成為外科技能培訓(xùn)的支柱之一，提高了手術(shù)性能并縮短了手術(shù)時間［14－15］。因此，虛擬現(xiàn)實培訓(xùn)為破除傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)教育高風險、高成本以及高能耗的弊端提供了一條行之有效的解決途徑。

目前常用的虛擬現(xiàn)實培訓(xùn)系統(tǒng)中桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)通過點選、拖拽、旋轉(zhuǎn)等簡單的操作得以實現(xiàn)，技術(shù)相對成熟，但真實的互動感不足，而且更容易受到外界環(huán)境干擾，常用于臨床思維訓(xùn)練或診療演練［16－18］；腔鏡與模擬器具相結(jié)合的手術(shù)培訓(xùn)系統(tǒng)如普通外科、婦產(chǎn)科、泌尿外科等腔鏡手術(shù)培訓(xùn)系統(tǒng)［19－21］，這種虛實結(jié)合的訓(xùn)練模式比較常用，能夠有效地提高腔鏡手術(shù)技能，但由于不能完全擺脫對模具的依賴，成本相對較高；沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，采用計算機技術(shù)生成逼真的視覺、聽覺、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境，該系統(tǒng)具有3個特點： （1）多感知：通過頭盔提供視覺，通過耳機實現(xiàn)聽覺，通過手套實現(xiàn)觸覺，通過手柄實現(xiàn)力覺，視覺、聽覺、觸覺、力覺的全方面結(jié)合調(diào)動起了用戶的多種感知；（2）沉浸感：創(chuàng)建的虛擬空間十分真實，用戶通過多種感知完全沉浸在這個與現(xiàn)實世界相隔離的空間中；（3）交互性：通過虛擬現(xiàn)實手套等設(shè)備讓用戶的手在虛擬患者的身上進行交互時感覺到它的重量，如同在真實的世界中［22－23］。

1.3 沉浸式虛擬現(xiàn)實培訓(xùn)系統(tǒng)的應(yīng)用研究 Huang等［24］對使用VR4－MAX沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)進行醫(yī)學(xué)課程學(xué)習(xí)的學(xué)生進行問卷調(diào)查，發(fā)現(xiàn)沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)對學(xué)生的感知性有積極的影響。研究發(fā)現(xiàn)，3D－VR技術(shù)在學(xué)生學(xué)習(xí)解剖課程時，能夠更好地幫助學(xué)生理解解剖部位及其周圍結(jié)構(gòu)、促進學(xué)生真實的學(xué)習(xí)體驗，與傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合能更方便理解與記憶［25］。但是，缺點是剛開始使用因不熟悉系統(tǒng)功能而影響學(xué)生的注意力以及學(xué)習(xí)進度，長時間使用也會造成眼睛疲勞，影響視力健康［26］。一項前瞻性隨機對照研究結(jié)果表明，VR技術(shù)可以讓大量醫(yī)務(wù)專業(yè)人員在不需要昂貴設(shè)備的情況下接受臨床實踐技能的培訓(xùn)［27］，醫(yī)學(xué)生進行VR的手術(shù)模擬比看視頻更能增加他們的手術(shù)信心［28］。因此，VR技術(shù)可以有效地提高醫(yī)學(xué)生對于解剖知識的理解和記憶，增強醫(yī)學(xué)生的臨床實踐水平，提高其實踐信心。目前沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)已經(jīng)開始應(yīng)用于眼科手術(shù)、微創(chuàng)手術(shù)、內(nèi)窺鏡手術(shù)、骨科手術(shù)、牙科手術(shù)等醫(yī)療培訓(xùn)，多項研究證實了其用于醫(yī)學(xué)教育的有效性和優(yōu)越性［9，11，29－33］。雖然VR技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用，但實現(xiàn)完全沉浸的目標仍是一項艱巨的任務(wù)和巨大的挑戰(zhàn)［20，34］，一些瓶頸問題如目前的科技還無法做到高度還原真實場景，使用虛擬現(xiàn)實設(shè)備時會產(chǎn)生眩暈感，軟硬件設(shè)施尚不完備，開發(fā)人員技術(shù)力量不足等仍有待解決。

2 醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)及應(yīng)用

2.1 醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)情況 VR技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育中的研發(fā)應(yīng)用在我國仍處于起步階段，成熟產(chǎn)品不多。為深入推進信息技術(shù)與高等教育實驗教學(xué)的深度融合，2017年教育部在普通本科高等學(xué)校實驗性地開展虛擬仿真教學(xué)建設(shè)，2020年公布的首批國家級一流本科課程中，包括虛擬仿真實驗教學(xué)一流課程728門［35］。為推進實驗項目共建共享，教育部建設(shè)了實驗空間——國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目共享服務(wù)平臺（http：／／www.ilab－x.com），目前在平臺上運行的臨床醫(yī)學(xué)類虛擬仿真實驗教學(xué)項目共計97項，其中53項獲批國家級一流課程，示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目的建設(shè)極大地推動了VR技術(shù)在臨床實踐教學(xué)中的應(yīng)用。

2.2 VR技術(shù)在腰椎穿刺術(shù)臨床實踐教學(xué)中的應(yīng)用

2.2.1 腰椎穿刺術(shù)虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練考評系統(tǒng)設(shè)計思路 腰椎穿刺術(shù)是國家臨床執(zhí)業(yè)醫(yī)師考試大綱中規(guī)定的臨床醫(yī)師必須掌握的臨床基礎(chǔ)操作之一，此操作如能熟練掌握、合理應(yīng)用，對臨床疾病的診斷和治療有重要價值。但由于傳統(tǒng)腰椎穿刺術(shù)臨床實踐課程存在教師資源緊缺、操作的有創(chuàng)性、實驗資源不足、損耗大等弊端，學(xué)生無法充分地進行實踐訓(xùn)練。而建立腰椎穿刺術(shù)虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練考評系統(tǒng)可實現(xiàn)大規(guī)模的醫(yī)學(xué)生反復(fù)對腰椎穿刺術(shù)的學(xué)習(xí)，進而掌握腰椎穿刺術(shù)，并且具有無損耗、無風險、降低對教師依賴性等優(yōu)勢。本系統(tǒng)圍繞腰椎穿刺術(shù)進行病例設(shè)計，采用VR技術(shù)構(gòu)建虛擬現(xiàn)實腰椎穿刺訓(xùn)練評價系統(tǒng)，建立評價反饋體系，并根據(jù)學(xué)生應(yīng)用情況及反饋，逐步優(yōu)化系統(tǒng)。

（1）系統(tǒng)圍繞腰椎穿刺術(shù)進行病例設(shè)計，根據(jù)國際化一流醫(yī)院建設(shè)標準搭建虛擬診療環(huán)境，嚴格劃分各功能區(qū)域，規(guī)范使用及管理醫(yī)療器械，協(xié)助用戶浸入真實規(guī)范的醫(yī)療環(huán)境。在情境設(shè)計中強調(diào)按照臨床實際規(guī)范設(shè)置醫(yī)療陳設(shè)及物品擺放、使用、管理，進行環(huán)境建模和渲染、定位、精確手勢識別。 （2）根據(jù)相關(guān)操作規(guī)范，結(jié)合多年臨床技能教學(xué)、實踐經(jīng)驗，總結(jié)一套規(guī)范化、標準化臨床技能操作流程。然后根據(jù)操作流程，開始軟件系統(tǒng)開發(fā)，構(gòu)建一套自主研發(fā)軟件開發(fā)框架，集成主流設(shè)備廠商SDK，根據(jù)臨床虛擬場景特點，構(gòu)建了人機交互接口，做到數(shù)據(jù)與程序分離、業(yè)務(wù)邏輯與設(shè)備分離，并支持多平臺的快速迭代。（3）建立評價反饋體系。系統(tǒng)記錄每次學(xué)生操作步驟、時長、操作是否正確等信息，并將信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)記錄平臺。平臺設(shè)有數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能，并可形成每個學(xué)生的電子檔案，供教師進行分析與管理。（4）建設(shè)三方交互平臺。采用云數(shù)據(jù)共享與即時通訊技術(shù)，建立學(xué)生、教師、教學(xué)管理三方溝通的平臺。學(xué)生能夠獲得實時操作記錄，及時自查，不斷改進。教師能夠利用平臺遠程指導(dǎo)，針對每個學(xué)生的問題進行有效反饋，并能根據(jù)學(xué)習(xí)效果不斷改進教學(xué)內(nèi)容。教學(xué)管理部門利用平臺數(shù)據(jù)能夠更加切實有效地評價教學(xué)方案和教學(xué)效果，實施教學(xué)改革，優(yōu)化教學(xué)體系。

2.2.2 腰椎穿刺術(shù)虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練考評系統(tǒng)的應(yīng)用 該系統(tǒng)采用VR技術(shù)，運用Unity3D、3D Studio Max等工具構(gòu)建虛擬的病房、處置室等操作場景，并構(gòu)建醫(yī)療相關(guān)器械、患者、護士等三維模型，逼真地還原真實場景布局，將臨床腰椎穿刺標準實踐操作流程嵌套，通過專業(yè)的計算機程序設(shè)計出操作系統(tǒng)。學(xué)生可以通過穿戴相應(yīng)設(shè)備，沉浸在虛擬的臨床場景中，并與虛擬患者、器械等交互，真實地還原臨床診療流程，全面提升醫(yī)學(xué)生的臨床操作能力。該系統(tǒng)分為學(xué)習(xí)模式、訓(xùn)練模式和考試模式3種模式。學(xué)習(xí)模式下，每一步操作都有相應(yīng)的語音、文字提示及相關(guān)的知識點講解，學(xué)生可以獨自按照提示完成整個操作；訓(xùn)練模式下，學(xué)生可以隨意進行每一個步驟的強化訓(xùn)練，強化學(xué)習(xí)過程的熟練程度；考試模式下，系統(tǒng)實時記錄學(xué)生在考試過程中的所有操作，包括操作順序、每一步的操作時長、操作是否正確等，考試完成后形成評價報告；系統(tǒng)設(shè)有評估反饋體系，依據(jù)中國臨床醫(yī)生崗位勝任力模型［36］，構(gòu)建綜合能力評價模型，全面評價學(xué)生能力。

該系統(tǒng)已大范圍應(yīng)用于筆者所在學(xué)校及相關(guān)教學(xué)醫(yī)院，應(yīng)用效果良好，學(xué)生興趣濃厚，使用該系統(tǒng)訓(xùn)練后實踐技能明顯提升。該研究將信息化技術(shù)的最新成果與醫(yī)學(xué)教育需求有機結(jié)合，運用VR技術(shù)有效整合現(xiàn)有的醫(yī)學(xué)教育資源，建設(shè)虛擬現(xiàn)實學(xué)習(xí)環(huán)境，幫助醫(yī)學(xué)生獲取醫(yī)學(xué)知識、精進臨床技術(shù)、培養(yǎng)臨床思維，是對以VR技術(shù)為支撐的現(xiàn)代化教學(xué)模式的有益探索，對VR技術(shù)在臨床實踐教學(xué)中的應(yīng)用起到示范作用，2020年腰椎穿刺術(shù)虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練考評系統(tǒng)獲得國家級一流本科課程稱號（http：／／www.ilab－x.com／details？id＝54＆isView＝true）。

3 VR技術(shù)在醫(yī)學(xué)臨床實踐教學(xué)中的應(yīng)用前景

虛擬現(xiàn)實培訓(xùn)系統(tǒng)突破了操作訓(xùn)練的時空限制，擺脫了對活體和材料的依賴，具有低耗損、零風險、可重復(fù)性以及自動指導(dǎo)等優(yōu)勢，已經(jīng)成為當前信息技術(shù)與醫(yī)學(xué)教育交叉領(lǐng)域的研究熱點，有著廣闊的應(yīng)用前景［37－38］。在信息化教育背景下，VR技術(shù)在醫(yī)學(xué)臨床實踐教學(xué)中應(yīng)用將成為不可或缺的重要手段。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展和軟硬件設(shè)備的性能提升和價格降低，會有更多優(yōu)質(zhì)的醫(yī)學(xué)虛擬教學(xué)資源被開發(fā)應(yīng)用。VR技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育中的普及，將有助于破解傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)教育高風險、高成本以及高能耗的難題，同時帶來教與學(xué)形式的顛覆性改變，促進臨床實踐教學(xué)的同質(zhì)化和規(guī)范化，推進教學(xué)方法改革和教學(xué)模式創(chuàng)新，提高醫(yī)學(xué)人才培養(yǎng)質(zhì)量。