虚拟现实技术（VRT）在外科技能培训中的应用

朱倩男 黄华兴 周正 黄华

摘要：计算机信息的迅速发展让虚拟现实技术成为了热门领域，它可应用于各个领域，特别是给医学教学带来前所未有的改革，通过模拟逼真的临床实景，让学生在仿真环境中切身感知，从而让外科技能培训更高效。

关键词：虚拟现实技术；外科技能培训；教学模式

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）05-0041-02

2014年Facebook收购了Oculus，掀起了第一股虚拟现实创业热潮，2016年VR呈井喷式增长，在经过CES、MWC、GDC之后，随着Oculus Rift、HTC Vive、三星Gear VR、索尼PS VR的大力推向市场，VR开始迎来内容上的首轮爆发，硬件市场达到了一定的规模，虚拟现实技术在中国得到了广泛的关注，因此2016年也被称为“虚拟现实元年”。虚拟现实技术可应用于娱乐休闲、军事演习、科学研究等多个领域，虚拟教学也自然成为近年来医学教学领域讨论的热门新兴教学模式[1-2]。

一、虚拟现实技术的概念

虚拟现实（Virtual Reality），简称VR，也称灵境技术或人工环境，是一种多通道的新型人机交互接口，通过采用先进的三维图像处理技术、传感技术等现代高科技手段生成的逼真的虚拟环境，借助特殊的输入或输出设备，通过视、触、嗅、听等感觉和加速度等深感觉通道感知计算机模拟的虚拟世界，进而与虚拟世界中的物体进行自然交互。虚拟现实技术（Virtual Reality Technology，VRT）是一个跨学科的综合集成技术，是计算机图形学、人机交互技术、传感器技术、人机接口技术及人工智能技术等交叉与综合的结果[1-2]。VRT在20世纪60年代初尚处于萌芽阶段，部分学者提出VRT的概念并探寻研究方向，到了90年代左右，已出现一些典型的应用系统，从实验室走向了实际应用，近十余年，VRT迅猛发展，相关软硬件逐渐成熟，应用于各行各业。应用VRT的医学被统称为虚拟医学或仿真医学，主要用于医学教学、疾病诊断、操作模拟、远程医疗等。在医学教学中，VRT可建立各种虚拟昂贵设备、模拟各种真实医疗场景，构建起逼真的学习环境，有利于学生直观地理解教学内容，因此，VRT成为了医学教学关注的新热点，且也是不可或缺的教学模式[3-4]。

二、虚拟现实技术应用于外科技能培训特的优势

1.虚拟仿真学习环境。相较于模拟教学而言，VRT可提供更加真实的临床实景，打破教学的时间、空间限制，最大限度模拟操作情境。外科实践技能的教学对动手能力要求较强，以开腹手术为例，从无菌术到开腹操作，操作内容较多，物品准备时间较长，开腹过程中，因模型限制，需自行想象各层次操作，逐层解剖操作时学生难以将理论所学的知识和操作实景一一对应。在VR条件下，这些弊端不复存在，学生可直视无菌术相关操作细节，如有困惑，可暂停或者重点反复观看，它可以建立人体虚拟模型，学生穿戴设备（VR眼镜、手套、耳机等），借助跟踪球、感觉手套等辅助工具，不仅可以对人体内器官直观认识，同时还能产生视觉、触觉、听觉、运动觉等多感知性，让学生在操作时有沉浸感，真正全程直视化[5]。

2.提高学生主动性与应变能力。学生通过VRT学习外科操作能同时获取感性与理性的认识。VRT超强的互动性让学生有临场感，能激发学生学习的主动性。VRT可容纳多种临床场景且能迅速更换所需场景，告别了一个操作教学结束后数组学生机械性模仿教师操作的传统教学法。VRT可立刻调换病例，让学生主动思考，保持学习的兴趣与积极性，可编入操作中各种可能出现的意外。如在止血模拟训练中，传统的止血训练是通过由橡胶管模拟的血管模型进行实战演练，学生仅能了解操作步骤，但是塑胶管道不能真实模拟血管的脆性，学生在练习时仅仅满足于结扎血管完成打结，打结过程中的质量等难以得到重视，止血操作对应的临床思维难以得到培训。VRT可虚拟出不同部位血管的出血情景，学生面对的是一个患者，需结合患者的情况酌情思考选择止血的方法，如按压止血、结扎止血等，在结扎止血过程中，如果用力不当或操作不当时可出现再出血或血管撕脱等场景，一系列的可设计的意外更接近临床的多可能性，挑战学生的心理素质和应急处理能力。可以说VRT更有不可预知性、真实性和挑战性，训练学生应变能力与临床思维，告别传统教师对操作重点单调的旁白插入等方式。

3.節约教学成本。外科很多操作需要较为复杂的机器、模型，例如进行阑尾切除训练时我们多数使用大白兔进行教学，动物准备、场地准备、器械准备和师生准备等需要极大的资金消耗和时间消耗，难以保证每个学生都有操作的机会。但是VRT完美地解决了这个问题，它可以迅速复原，因为是虚拟系统，几乎无器材耗费，直接三维重建人体模型供学生进行练习，使得准备时间最短。无限次重复弥补了临床实践中机会不均等、经验积累缓慢等不足，且系统可提供评分记录功能、记录功能等，不仅让每个学生都有动手并反复练习的机会，还可以让学生通过客观的考核评估、回顾操作细节等找到自身失误后改正提升。学生在虚拟环境下操作，无须担心器械的损坏，无须担心操作的失真感，更无须担心医患矛盾、医疗风险等[1-6]。

4.可与其他教学模式有机结合。医学教学模式的改革创新一直是教育的关注点，近年来各种教学法如PBL、CBL、TBL、模拟教学等都备受关注，从一开始各教学模式的单独研究，到现在的有机结合，VRT可结合各种教学模式，小到单个操作，大到综合抢救等，甚至虚拟完整的医院系统，融入患者信息、病例等，从模拟问诊、医患沟通、实践操作等完整接诊并处理患者，让学生充分发挥想象力，拓展临床思维，提升实践能力，提高学习效率，加速医学生的培养周期。当然，VRT的适用人群也极其广泛，不局限于医学生，对有需要的研究生、住院医师、主治医师甚至主任医师等都可进行模拟培训，根据不同人群不同的需求，编写对应的程序即可。

5.远程教学。VRT可提供现场直播，一些需要观摩的外科手术因无菌高要求等会限制手术室中操作的观摩人数，有的现场观摩人员也会因为避免污染无菌区或影响手术者而不能观摩到手术的细节，为了满足更多观摩学习的需要，可通过将VR的直播相机架在主刀医生上方全方位录手术现场的场景，通过融合、转换、渲染等技术处理后传输到输出端以主刀的视野进行实时播放，也可进行录制，实现了跨地域的远程教学。

三、面临的挑战

虽然VRT有不可替代的优势，但结合医学教育的专业特性，其在医学教育中还处于初步发展阶段，在广泛应用于医学生甚至医生教学前仍面临很多挑战。VRT运行需要庞大的数据量，对网络及转换器要求较高，否则会出现因数据传输不流畅而导致的虚拟场景断断续续或模拟中断等，弱化了VRT的优势。因为信息传递的客观条件限制，远程VRT的操作有一定的信息延迟，会导致应对操作的延迟。再者VRT软件尚未成熟，仍需加入更多医学专业相关知识点、案例、操作规范流程等。另外VR硬件设备价格较高，高校用于教学需要多套购入，部分学校在场地和经费上有一定的制约[7]。

随着现在信息化的快速发展，计算机高性能微处理器的突破和网络技术的提升，我国的虚拟现实技术的研究会不断深入完善，在医学领域的应用也逐步广泛，与国际接轨，终有一天VRT会给医学教育带来巨大的变革，协助培养出更多优秀的医学人才。

参考文献：

[1]李新晖，陈梅兰.虚拟现实技术与应用[M].北京：清华大学出版社，2016：1-16.

[2]张凤军，戴国忠，彭晓兰.虚拟现实的人机交互综述[J].中国科学：信息科学，2016，（12）：1711-1736.

[3]黎学坚，黄泽文，苏渊湖.浅谈虚拟现实技术在医学领域中的应用[J].广东科技，2015，24（14）：76-77

[4]田继红，蒋岱.从虚拟现实（VR）发展看未来医学教育的变革[J].中国管理信息化，2017，20（6）：209-210.

[5]沈冰.虚拟现实头盔延时感和沉浸感的研究[J].电子产品世界，2016，23（7）：43-45.

[6]丁楠，汪亚珉.虚拟现实在教育中的应用：优势与挑战[J].现代教育技术，2017，27（2）：19-25.

[7]曹煊.虚拟现实的技术瓶颈[J].科技导报，2016，（15）：94-103.