魯晉方，馬 鵬，張藝璇，鄭 奮，李永華，袁紅斌

海軍軍醫(yī)大學(xué)：1.第二附屬醫(yī)院麻醉科， 上海 200003；2.衛(wèi)勤系計(jì)算機(jī)與仿真技術(shù)教研室， 上海 200433

虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality,VR)技術(shù)是通過計(jì)算機(jī)硬件和軟件協(xié)同，為用戶創(chuàng)建外觀和感覺類似于現(xiàn)實(shí)世界的虛擬環(huán)境[1]。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已被應(yīng)用于手術(shù)技能培訓(xùn)[2-4]、緊急胸腔穿刺減壓操作訓(xùn)練[5]、大批量傷員的檢傷分類訓(xùn)練[6]、眼科眼底鏡檢查培訓(xùn)[7]、口腔植入體放置[8]、導(dǎo)尿術(shù)培訓(xùn)[9]、解剖知識(shí)學(xué)習(xí)[10]、血管造影學(xué)習(xí)[11]、病理讀片訓(xùn)練[12]等醫(yī)學(xué)教學(xué)場(chǎng)景中，并取得了良好的教學(xué)效果。Barteit等[13]對(duì)2014—2019年間發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了匯總分析，認(rèn)為同傳統(tǒng)教學(xué)方式相比，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅可獲得同等或更好的學(xué)習(xí)效果，而且能激發(fā)學(xué)員學(xué)習(xí)熱情，而不會(huì)對(duì)真實(shí)患者造成傷害。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)輔助教學(xué)的這些優(yōu)勢(shì)表明，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種有效的醫(yī)學(xué)教學(xué)工具，為解決當(dāng)前戰(zhàn)創(chuàng)傷麻醉教學(xué)面臨的實(shí)際問題提供了新的思路。

戰(zhàn)創(chuàng)傷麻醉學(xué)是一門理論與實(shí)踐并重的臨床學(xué)科，然而受多種因素制約，當(dāng)前戰(zhàn)創(chuàng)傷麻醉實(shí)踐教學(xué)容量難以滿足學(xué)員的學(xué)習(xí)需求，具體表現(xiàn)為：①戰(zhàn)創(chuàng)傷麻醉技能教學(xué)中基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐技能訓(xùn)練之間尚缺乏有效的銜接手段。②實(shí)踐課的教學(xué)資源有限，學(xué)員課后鞏固困難。③臨床實(shí)踐機(jī)會(huì)相對(duì)不足。臨床教學(xué)中可用于學(xué)員實(shí)踐的機(jī)會(huì)十分有限[14]，同時(shí)部分戰(zhàn)創(chuàng)傷麻醉場(chǎng)景難以在教學(xué)中模擬復(fù)現(xiàn)、急危重癥麻醉病例罕見且緊急，難以用于開展臨床教學(xué)。④優(yōu)質(zhì)師資地域分布不均。這些問題的存在顯著制約了麻醉軍醫(yī)崗位勝任力的提升。因此，探索構(gòu)建新型戰(zhàn)創(chuàng)傷麻醉技能訓(xùn)練教學(xué)平臺(tái)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 戰(zhàn)創(chuàng)傷麻醉技能VR教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建

1.1 VR的呈現(xiàn)形式與硬件選擇

VR技術(shù)具有多樣化的呈現(xiàn)形式和種類豐富的硬件資源，VR的呈現(xiàn)形式與VR硬件的選擇息息相關(guān)。例如，普通的手機(jī)屏幕或顯示器即可作為呈現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的顯示媒介；但其顯示效果與VR頭盔呈現(xiàn)的效果相差甚遠(yuǎn)，給使用者帶來的使用體驗(yàn)也截然不同。研究表明，與非沉浸式VR系統(tǒng)相比，沉浸式VR系統(tǒng)能對(duì)使用者施加更強(qiáng)的干預(yù)效果[15]，能更有效地吸引學(xué)員的注意力，因此該研究選用沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建平臺(tái)功能，其對(duì)應(yīng)設(shè)備為VR頭盔、定位器和手持控制器?；诔两教摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)，虛擬教學(xué)場(chǎng)景可以逼真地呈現(xiàn)在學(xué)員面前，學(xué)員不僅可以全景視角在虛擬手術(shù)室內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，并能以同現(xiàn)實(shí)世界相近的邏輯與手術(shù)室內(nèi)的物品交互，仿佛親身來到手術(shù)室。

1.2 軟件開發(fā)平臺(tái)

Unity 3D是由Unity Technologies公司開發(fā)的一款支持多平臺(tái)的應(yīng)用開發(fā)的開發(fā)工具，其提供一套完善的軟件解決方案，是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的3D開發(fā)工具之一。該研究以Unity軟件作為主要開發(fā)平臺(tái)，使用C#語言編寫邏輯代碼，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)功能，使用SteamVR Plugin開發(fā)包實(shí)現(xiàn)平臺(tái)對(duì)VR硬件的調(diào)用。

1.3 場(chǎng)景構(gòu)想和搭建

在教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)員進(jìn)入手術(shù)室內(nèi)見習(xí)往往因環(huán)境陌生而感到緊張，影響學(xué)習(xí)效率，浪費(fèi)了寶貴的臨床見習(xí)機(jī)會(huì)。研究表明，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的暴露療法可明顯緩解這種緊張焦慮情緒[16]，因此將教學(xué)平臺(tái)的場(chǎng)景設(shè)定為某醫(yī)院的手術(shù)室內(nèi)。手術(shù)室具備完備的基礎(chǔ)設(shè)施，包括麻醉機(jī)、麻醉操作臺(tái)、治療托盤、辦公電腦、手術(shù)床、無影燈等手術(shù)室常見設(shè)備設(shè)施，且依照臨床實(shí)際物體比例調(diào)整模型尺寸，為用戶提供與真實(shí)手術(shù)室盡可能接近的沉浸體驗(yàn)。虛擬手術(shù)室還具備各類無菌包、器械、藥品等物品和相應(yīng)的模擬人，用于學(xué)員麻醉操作技能練習(xí)。根據(jù)場(chǎng)景需求，使用3D Max和Maya等軟件建立三維模型并導(dǎo)出，將導(dǎo)出的模型文件導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D布置場(chǎng)景，繼而通過綁定各類功能組件、設(shè)置光照和貼圖等步驟實(shí)現(xiàn)虛擬手術(shù)室場(chǎng)景的搭建(如圖1所示)。

圖1 戰(zhàn)創(chuàng)傷麻醉技能VR教學(xué)平臺(tái)場(chǎng)景

1.4 教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

戰(zhàn)創(chuàng)傷麻醉技能VR訓(xùn)練教學(xué)平臺(tái)總體功能設(shè)計(jì)(如圖2所示)包括《海域環(huán)境戰(zhàn)創(chuàng)傷麻醉指南》培訓(xùn)、戰(zhàn)創(chuàng)傷麻醉技能訓(xùn)練兩大功能模塊，以及精細(xì)操作檢測(cè)模塊、實(shí)時(shí)操作反饋模塊、提示模塊、訓(xùn)練總結(jié)模塊四個(gè)支撐服務(wù)模塊。

圖2 戰(zhàn)創(chuàng)傷麻醉技能VR教學(xué)平臺(tái)總體功能設(shè)計(jì)

1.4.1《海域環(huán)境戰(zhàn)創(chuàng)傷麻醉指南》培訓(xùn)模塊

為幫助學(xué)員掌握海域環(huán)境下戰(zhàn)創(chuàng)傷麻醉和救治的基本原則，教學(xué)平臺(tái)專門設(shè)立了《海域環(huán)境戰(zhàn)創(chuàng)傷麻醉指南》培訓(xùn)模塊。在此模塊內(nèi)，學(xué)員以全景視角進(jìn)入《海域環(huán)境戰(zhàn)創(chuàng)傷麻醉指南》的培訓(xùn)課堂，跟隨專家教授深入學(xué)習(xí)《海域環(huán)境戰(zhàn)創(chuàng)傷麻醉指南》，培訓(xùn)提綱如圖3所示。

圖3 《海域環(huán)境戰(zhàn)創(chuàng)傷麻醉指南》培訓(xùn)提綱

1.4.2戰(zhàn)創(chuàng)傷麻醉技能訓(xùn)練模塊

為應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的海上衛(wèi)勤保障需求，麻醉軍醫(yī)需要掌握多種關(guān)鍵救治技能，而隨著戰(zhàn)創(chuàng)傷救治研究的不斷深入，這些救治技能必然需要不斷地增加和完善。這對(duì)該模塊開發(fā)的靈活性和可拓展性提出了更高的要求。因此，在開發(fā)過程中以模塊化的思維指導(dǎo)代碼編寫，根據(jù)代碼功能區(qū)分共享類和私有類，并為每一項(xiàng)技能單獨(dú)設(shè)立子模塊，各個(gè)子模塊之間相對(duì)獨(dú)立，為后期添加和完善子模塊提供較大的靈活性。最終實(shí)現(xiàn)該模塊的邏輯流程如圖4所示。

圖4 戰(zhàn)創(chuàng)傷麻醉技能訓(xùn)練流程圖

1.4.3提示模塊

VR教學(xué)平臺(tái)內(nèi)的提示模塊預(yù)先儲(chǔ)存了戰(zhàn)創(chuàng)傷麻醉技能的標(biāo)準(zhǔn)操作步驟，當(dāng)學(xué)員操作到相應(yīng)步驟時(shí)，系統(tǒng)以語音、文字、圖標(biāo)等多種形式提示后續(xù)操作步驟，幫助尚不熟悉操作步驟的學(xué)員完成操作流程，從而實(shí)現(xiàn)以VR教學(xué)平臺(tái)代替教員指導(dǎo)學(xué)員練習(xí)操作技能的目的。此外，提示模塊還可幫助學(xué)員在初次使用時(shí)盡快熟悉平臺(tái)功能，掌握VR教學(xué)平臺(tái)的使用要領(lǐng)，減少不必要的時(shí)間浪費(fèi)。

1.4.4精細(xì)操作檢測(cè)模塊

戰(zhàn)創(chuàng)傷麻醉救治操作的成功與否，同操作實(shí)施的精度密切相關(guān)，因此在戰(zhàn)創(chuàng)傷麻醉技能的訓(xùn)練階段實(shí)時(shí)高精度檢測(cè)用戶操作對(duì)學(xué)員的技能學(xué)習(xí)具有重要意義。平臺(tái)內(nèi)部專門設(shè)定了不同形式和功能的觸發(fā)器，實(shí)時(shí)獲取觸發(fā)器的響應(yīng)狀態(tài)，并通過軟件內(nèi)部邏輯代碼對(duì)不同的觸發(fā)器響應(yīng)組合進(jìn)行匯總分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)員動(dòng)作的精細(xì)檢測(cè)，以滿足戰(zhàn)創(chuàng)傷麻醉技能操作對(duì)關(guān)鍵動(dòng)作細(xì)節(jié)的精度要求。例如，在蛛網(wǎng)膜下腔麻醉的穿刺模擬中，根據(jù)需要設(shè)定碰撞體，可實(shí)現(xiàn)對(duì)穿刺針進(jìn)針點(diǎn)和進(jìn)針深度的檢測(cè)；通過穿刺針在三維方向上的旋轉(zhuǎn)屬性，經(jīng)坐標(biāo)系變換可推算出穿刺針的進(jìn)針角度，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)穿刺過程的實(shí)時(shí)精細(xì)檢測(cè)。

1.4.5實(shí)時(shí)操作反饋模塊

教學(xué)反饋既是教學(xué)過程的必要環(huán)節(jié),也是實(shí)施教學(xué)活動(dòng)和完成教學(xué)任務(wù)的基本方式與重要手段[17]，尤其在技能教學(xué)中，教員即時(shí)的指導(dǎo)反饋對(duì)學(xué)員學(xué)習(xí)操作技能具有重要意義。為避免學(xué)員在反復(fù)練習(xí)中積累錯(cuò)誤經(jīng)驗(yàn)，并真實(shí)地模擬技能教學(xué)中教員與學(xué)員的互動(dòng)反饋，平臺(tái)在實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)員操作動(dòng)作精細(xì)檢測(cè)的基礎(chǔ)上，依據(jù)當(dāng)前步驟的操作要求判斷學(xué)員操作是否正確，進(jìn)而根據(jù)判定結(jié)果做出不同的反饋。例如，當(dāng)判定結(jié)果正確時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)入下一步操作；當(dāng)判定結(jié)果錯(cuò)誤時(shí)，系統(tǒng)提示操作錯(cuò)誤，并以語音和文字的形式說明錯(cuò)誤原因和處理方法。

1.4.6訓(xùn)練總結(jié)模塊

當(dāng)完成麻醉技能的操作步驟后平臺(tái)將自動(dòng)彈出總結(jié)分析面版，對(duì)學(xué)員在該次練習(xí)中的表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，以“遺漏步驟XXX”“XXX步驟錯(cuò)誤”的形式指出遺漏或錯(cuò)誤的步驟，同時(shí)顯示正確的操作步驟。設(shè)定練習(xí)操作的滿分為100分，根據(jù)練習(xí)操作中錯(cuò)誤問題的數(shù)量和嚴(yán)重性扣除相應(yīng)的分?jǐn)?shù)，最終分?jǐn)?shù)作為此次學(xué)員練習(xí)操作的總分。

2 初步應(yīng)用與討論

2.1 VR教學(xué)平臺(tái)的初步應(yīng)用

戰(zhàn)創(chuàng)傷麻醉技能訓(xùn)練VR教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建完成后，在麻醉專業(yè)學(xué)員中進(jìn)行了初步應(yīng)用，參與試用的學(xué)員由在海軍軍醫(yī)大學(xué)第二附屬醫(yī)院麻醉科的實(shí)習(xí)學(xué)員和規(guī)培學(xué)員組成，共計(jì)26人。此次試用特別設(shè)置了由3名高級(jí)職稱教員組成的觀察組，在學(xué)員自主體驗(yàn)過程中，觀察員僅觀察學(xué)員在使用VR教學(xué)平臺(tái)時(shí)的表現(xiàn)，不干預(yù)學(xué)員的自主操作，在學(xué)員體驗(yàn)結(jié)束后由學(xué)員完成調(diào)查問卷，并允許觀察員與學(xué)員溝通(如圖5所示)。

圖5 學(xué)員試用戰(zhàn)創(chuàng)傷麻醉技能VR教學(xué)平臺(tái)

2.2 初步應(yīng)用結(jié)果

調(diào)查結(jié)果顯示，所有參與VR教學(xué)平臺(tái)試用的學(xué)員均認(rèn)為VR教學(xué)平臺(tái)有助于麻醉臨床技能的學(xué)習(xí)，可以幫助其在臨床階段更快地掌握操作技能。就學(xué)習(xí)興趣而言，在理論課學(xué)習(xí)、通過書本或視頻學(xué)習(xí)、在模型上練習(xí)麻醉操作、臨床上教員帶教、使用VR學(xué)習(xí)麻醉操作技能等常見學(xué)習(xí)方式中，53.85%(n=14)的學(xué)員認(rèn)為使用VR教學(xué)平臺(tái)時(shí)的學(xué)習(xí)興趣更高，認(rèn)為臨床上教員帶教時(shí)學(xué)習(xí)興趣最高的學(xué)員占34.62%(n=9)，認(rèn)為在模型上練習(xí)時(shí)學(xué)習(xí)興趣最高的僅占11.54%(n=3)，沒有學(xué)員認(rèn)為理論課學(xué)習(xí)和通過書本視頻學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)興趣最高。

就學(xué)習(xí)效果而言，認(rèn)為臨床教員帶教最有助于學(xué)習(xí)操作技能的學(xué)員最多，占全部學(xué)員的80.77%(n=21)，另有19.23%(n=5)的學(xué)員認(rèn)為VR教學(xué)平臺(tái)比其他學(xué)習(xí)方式更有助于學(xué)習(xí)操作技能。

在有教員指導(dǎo)時(shí)，53.85%(n=14)的學(xué)員認(rèn)為在實(shí)體模型上練習(xí)操作技能的學(xué)習(xí)效果優(yōu)于VR教學(xué)平臺(tái)，34.62%(n=9)的學(xué)員認(rèn)為二者學(xué)習(xí)效果相差不多，11.54%(n=3)的學(xué)員認(rèn)為VR教學(xué)平臺(tái)的學(xué)習(xí)效果更好。在沒有教員指導(dǎo)時(shí)，53.85%(n=14)的學(xué)員認(rèn)為在VR教學(xué)平臺(tái)上練習(xí)操作技能的學(xué)習(xí)效果優(yōu)于實(shí)體模型，30.77%(n=8)的學(xué)員認(rèn)為二者學(xué)習(xí)效果相差不多，15.38%(n=4)的學(xué)員認(rèn)為在實(shí)體模型上練習(xí)的學(xué)習(xí)效果更好。

2.3 VR教學(xué)平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)

前述數(shù)據(jù)表明，臨床教員帶教是學(xué)習(xí)麻醉操作技能最有效的學(xué)習(xí)方式，然而在教學(xué)實(shí)踐中臨床帶教的人均課時(shí)容量有限，且教學(xué)內(nèi)容隨機(jī)性極大，這些問題難以在短時(shí)間內(nèi)得到改善。因此，為解決臨床技能教學(xué)資源短缺問題，部分教學(xué)資源豐富的院校建立了專門的臨床技能教學(xué)中心。這種臨床技能教學(xué)中心多數(shù)基于實(shí)體模型，可在一定程度上緩解臨床實(shí)踐資源匱乏的問題，但其建設(shè)和使用仍然存在諸多限制和不足：①建設(shè)和維護(hù)成本高[18]。僅適用于部分建設(shè)資源豐富的院校，多數(shù)院校難以復(fù)制。②臨床技能教學(xué)中心課時(shí)容量一定，學(xué)員的人均實(shí)踐時(shí)間仍然有限。③學(xué)員使用不便。技能教室的使用由院校統(tǒng)一規(guī)劃，因而技能練習(xí)時(shí)間相對(duì)集中，內(nèi)容單一且固定，難以在課后有選擇性地自主強(qiáng)化鞏固。④師資依賴明顯。學(xué)員操作技能的提高離不開技能教學(xué)中心教師的親身指導(dǎo)，臨床技能教學(xué)中心需要配備相應(yīng)的師資隊(duì)伍。這種實(shí)體模型教學(xué)對(duì)師資的依賴在前述問卷調(diào)查結(jié)果中得到了印證。以上問題的存在極大地限制了基于實(shí)體模型的教學(xué)中心在院校間的推廣，也不便于學(xué)員使用。

根據(jù)學(xué)員的試用表現(xiàn)和觀察組反饋，與傳統(tǒng)的基于實(shí)體模型的戰(zhàn)創(chuàng)傷麻醉技能實(shí)踐教學(xué)相比，該研究構(gòu)建的基于VR的戰(zhàn)創(chuàng)傷麻醉技能訓(xùn)練教學(xué)平臺(tái)具有以下優(yōu)勢(shì)：①資源占用少。基于實(shí)體模型的傳統(tǒng)技能教學(xué)依賴各類模擬人、專用模型器材的配備，不僅資金投入高，占地面積大，而且專門的維護(hù)和管理的資源投入高。而VR教學(xué)平臺(tái)僅須消費(fèi)級(jí)電子設(shè)備，同專業(yè)醫(yī)療教學(xué)儀器相比，價(jià)格低廉且無須建設(shè)專用場(chǎng)地，運(yùn)行維護(hù)成本低。②學(xué)員使用靈活便捷?；趯?shí)體模型的教學(xué)限定了學(xué)習(xí)的時(shí)間和地點(diǎn)，而使用VR教學(xué)平臺(tái)無此限制，可更好地滿足學(xué)員的多樣化需求。③可拓展性強(qiáng)。VR的教學(xué)可通過軟件更新不斷添加最前沿的戰(zhàn)創(chuàng)傷麻醉技能。④有利于彌補(bǔ)各基層單位間戰(zhàn)創(chuàng)傷麻醉技能訓(xùn)練水平的差異。

2.4 VR教學(xué)平臺(tái)的問題

受技術(shù)、人才等多種因素的制約，目前基于VR的教學(xué)平臺(tái)建設(shè)仍然存在如下問題：①軟件工程師和醫(yī)學(xué)教育專家深度融合不夠，導(dǎo)致高質(zhì)量醫(yī)學(xué)VR資源庫缺乏；②VR控制方式相對(duì)單一，不便于完成復(fù)雜動(dòng)作，如外科打結(jié)手法的練習(xí)難以由VR實(shí)現(xiàn)；③VR呈現(xiàn)效果精細(xì)化與VR設(shè)備的輕量化之間存在矛盾。這些問題的解決一方面依賴于整個(gè)VR產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步，另一方面也需要醫(yī)學(xué)教育工作者更多、更早地參與到VR教學(xué)平臺(tái)各要素的開發(fā)中。

3 結(jié)束語

該研究成功構(gòu)建了戰(zhàn)創(chuàng)傷麻醉技能VR訓(xùn)練教學(xué)平臺(tái)，是將VR用于戰(zhàn)創(chuàng)傷麻醉技能訓(xùn)練教學(xué)的一次探索，可用于軍醫(yī)大學(xué)麻醉學(xué)本科生戰(zhàn)創(chuàng)傷技能訓(xùn)練實(shí)踐教學(xué)，麻醉軍醫(yī)任職教育培訓(xùn)，以及基層一線軍醫(yī)戰(zhàn)創(chuàng)傷麻醉技能訓(xùn)練與考核。該平臺(tái)作為一種新型教學(xué)手段同基于實(shí)體模型的教學(xué)中心相比具有諸多優(yōu)勢(shì)，對(duì)軍隊(duì)院校教育、部隊(duì)訓(xùn)練實(shí)踐、軍事職業(yè)教育“三位一體”新型麻醉軍醫(yī)的培養(yǎng)具有重要意義。該平臺(tái)的構(gòu)建證明VR在戰(zhàn)創(chuàng)傷麻醉教學(xué)領(lǐng)域潛力巨大，并有望隨著技術(shù)、人才等要素的不斷發(fā)展，在戰(zhàn)創(chuàng)傷麻醉學(xué)教學(xué)改革和人才培養(yǎng)中發(fā)揮出更大的作用。