虚拟现实和增强现实技术在创伤急救教学中的应用

江妍霞 张美珍 胡小妹 王芸芸

（南昌大学第一附属医院 江西·南昌 330006）

全球每年约有500万人死于创伤，严重创伤已成为当今世界公共的健康问题，创伤急救如处理不当会直接影响伤员的预后，导致致残率、致死率上升。[1]切实掌握创伤急救技术是每个医学生应具备的基本能力。然而，紧张、混乱、急迫的创伤情境及救治经过一旦发生，不能再还原，无法在实验室或技能训练室真实地再现，受训者缺乏实操前模拟训练的机会，且真实场景下没有反复训练的机会。传统教学下，学生虽然掌握了理论急救知识，但到了急救现场，往往不知所措，无法学以致用，严重影响创伤救护的教学效果，成为创伤急救教学的痛点难点。近年来，随着信息化技术的迅速发展，新的教学方法正在不断涌现，虚拟现实技术和增强现实技术的三维立体感和虚实结合沉浸感让学生获取更直观、更真实的信息，有助于学生深入理解和掌握创伤急救的知识和技能，在创伤急救教学中具有广阔的应用前景。

1 虚拟现实和增强现实技术的概念和起源

虚拟现实（virtual reality，VR）是一种集成性的信息技术，综合了计算机图形图像处理、互联网、传感器、多媒体、人机交互、仿真系统等多种技术，可以为人们呈现一个具有较强沉浸感、模拟真实环境的虚拟世界。[2]VR最早起源于美国，1965年虚拟现实之父伊凡·苏泽兰（Ivan Sutherland）首次提出了包括具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想。增强现实技术（Augmented Reality，AR）是虚拟现实领域中一个重要的分支，是在VR的基础上发展起来的，包含了多媒体、三维建模、实时视频显示及控制、多传感器融合、实时跟踪及注册、场景融合等新技术与新手段。[3]通过将计算机生成的虚拟物体和场景无缝嵌入到真实世界中而产生的一种特殊可视化环境，用户通过戴上AR眼镜、数据手套等特殊设备便可以进入该环境中进行人机交互，通过计算机技术和信息技术的结合，增强了用户与环境中真实或虚拟物体的交互，实现了现实与虚拟的无缝连接。因其有着显著的3大优点：虚实结合、实时交互、三维配准，有望成为提高人们生活品质的一项重要技术。[4]两项技术的最大差异体现在用户沉浸感，VR沉浸在完全虚拟的环境中，AR则借助于设备，使虚拟环境中的物体叠加到真实场景中，并与真实场景交互。我国虚拟现实领域的研究起步于20世纪90年代，随着计算机图形学、计算机系统工程的高速发展，虚拟现实和增强现实技术得到越来越多的重视。AR技术在全球制造/资源、政府（包括军事）、零售、建筑、医疗保健、教育、交通运输、金融服务、公共事业方面都得到应用，并且具有比VR技术更加明显的优势。[5]

2 虚拟现实和增强现实在教育领域的运用

随着科学技术不断发展、教育观念不断更新，在教育教学领域中，虚拟现实领域的发展和完善对我们的传统教学模式产生了巨大的冲击。虚拟现实可以通过对资源合理的组织，将教学内容通过交互式的三维空间动态视景生动地呈现于学习者面前，面前因枯燥乏味的教学理论所导致的学生学习积极性不高的情况，能够得到有效的缓解，从而提高教学效率，改善教学效果。同VR技术相比，AR可以让现实的物体场景和数字化虚拟对象很好地融为一体，有着更强的真实感，三维建模工作量也大大减少，[6]因此在实践类、场景识别类的教育领域应用更为广泛。虽然AR在教育领域的应用研究尚处于探索阶段，国外已经开发了较为成熟的系统，并结合相关的教学理论和学习理论进行了多方面的论述。国内高校也陆续开展相关研究工作。如北京师范大学研发的“未来之书”，利用增强现实的图像识别、三维成像等技术克服传统图书的不足，带来了新的教学模式和方法。

3 虚拟现实和增强现实在创伤急救教学中的应用优势和发展前景

创伤急救要求学生必须掌握大量的急诊救治技术，如外伤急救（止血、包扎、固定、搬运）技术、心肺复苏术、环甲膜穿刺术、胸膜腔穿刺减压术等，而上述技术的培训需要多次强化训练才能让受训者真正掌握。反复的急救技能培训需投入大量的人力物力成本，创伤事件的不可复制性无法全仿真模拟现场环境，医学生无法熟练掌握在不同环境下的救援技能，严重影响了教学任务的实施效果。近几年来，VR技术发展迅猛，相对于传统的模拟训练方式，可以更真实地模拟患者视角或医师视角，从而增强现场感。创伤急救技术是相关专业学生必须牢固掌握的临床技能，把传统的面授教学与网络教学进行有机结合，以达到较好教学效果的方法。结合创伤急救教学面临的问题，VR技术的应用具有寓教于乐激发学生学习兴趣，全仿真模拟技能培训、提高培训效果，可重复训练，节约教学资源，降低实践教学成本，可多人协作等优势。以交通事故现场为例，通过设计创伤案例，将虚拟现实技术用于创伤急救教学，再现急救现场及完整的急救处理过程。解决创伤情境不能再现的教学难题，并且运用虚拟现实技术可以避免危险和伤害，通过训练让学生掌握正确的急救思维和操作流程。可以完成较全面的知识点学习，如通过对虚拟伤员进行问诊，培养学生病史采集技能；通过对虚拟伤员体格检查，培养学生在创伤急救中重点查体技能；通过对虚拟伤员症状及体征的判断，培养学生伤情评估技能；通过在虚拟伤员上反复操作训练，培养学生创伤急救基本操作技能；通过不同截点及处置导致的伤情演变体现急救的时效性，培养学生急救思维及资源配置技能；通过与虚拟伤员的交互，培养学生人文关怀的职业素养及医患沟通技能；通过多人交互模式，培养学生团队分工协作技能。

在创伤急救教学中，目前国内普遍处于使用虚拟现实技术的阶段，作为虚拟现实的延伸，增强现实技术在该领域的潜力不容忽视。AR可以将抽象的学习内容变得更加形象化，学生可以通过设备从多个角度对虚拟的3D模型进行观察交互。提升学生的存在感、专注度、主动性。[7]增强现实教育系统为学生提供了一个特殊的学习空间，使学生的存在感加强，及时地反馈语音、画面等。使用自然方式交互学习对象，增强现实的体验，增强了学生的实际运用能力。随着AR技术的突飞猛进，AR眼镜由70度FOV实现到110度的FOV的提升，使得我们可以通过3D建模技术重建整个现场场景，并向AR眼镜全视场输出该虚拟场景。通过与光学大空间定位技术结合，参训人员和训练模型的位置被实时定位并映射到虚拟场景中，而在参训人员到达模型可操作区域时，空出模拟人可操作区域，便于使用急救器械进行急救实操训练，以实现院前急救技能操作的虚实融合。并且通过动作捕捉系统实现对于人表情和动作的捕捉，结合3D模型制作过程中脸部及肢体的运动捕捉，实现动作制作过程的自动化，大大提升动画制作效率。所捕捉的人的体征和表情则通过AR技术贴合到模拟人的相应位置上，结合病例数据库在虚拟院前急救训练中实现模拟人的表情和体征的动态变化，以提升真实感。AR辅助教学将成为未来的发展趋势，通过AR技术，线上线下虚拟现实结合的团队式训练，应用现实病例还原，创造逼真的临场真实感，模拟多种事故、灾害现场，再现完整的急救处理过程，充分训练学员现场应对、急救思维、规范操作及团队协作等综合救治能力，可以用于广大医学生、医务工作者、应急救护人员、社会团体的急救培训及演练。

将VR、AR技术应用于创伤急救教学，是适应当今急诊医学教学模式的有益探索。虽然其应用目前存在一定的局限性，如场景相对固定、硬件与经济成本高等，有待进一步完善。随着技术的不断发展以及设备的不断改良，虚拟教学与传统教学将有机融合，并结合创伤急救的特点，逐步探索虚实结合的教育新模式，最终达到AR技术与模型、虚拟数字标准化病人及多种3D全虚拟创伤现场场景的多元化虚实融合，实现急救过程的完整模拟，让受训者身临创伤情境并可同步实操训练，从而熟练掌握创伤院前救治技术，提高院前救治成功率。