虚拟现实技术在临床实践教学的应用探讨

刘振宁， 杨 贺， 魏贵贵， 赵 敏*

（1.中国医科大学附属盛京医院，辽宁 沈阳 110004；2.中国医科大学附属第一医院，辽宁 沈阳 110001）

临床医学是一门实践性很强的应用科学，不但要求学生充分掌握理论知识，而且要求学生熟练地掌握临床操作技能。但是，随着我国医学院校学生不断扩招，患者维权意识不断增强以及国家颁布的医疗法律法规，大学附属医院以及教学医院能够提供实习医生或者住院医临床操作的机会越来越少，临床实践教学很难良好开展。因此，临床实践教学是我国目前临床医学教育的棘手之处。

模拟训练在临床实践教学中起着至关重要的作用。通过模拟训练，学生不仅可以获得信心，还可以获得专业知识，学会在安全的环境中应用理论知识，并在训练中掌握临床技能[1]。虚拟现实技术即VR（Virtual Reality）技术是近年来得到迅猛发展的新技术。它通过计算机的运算，结合各种控制设备创建一个虚拟的世界，让体验者进入虚拟世界里，从而通过视觉、触觉和听觉等获得身临其境的感受。它综合了计算机图像处理与模式识别，智能技术、传感技术、语言处理与音响技术、网络技术等多门科学，是现代科技革命的里程碑[2]。目前，VR技术已广泛应用于工业机械制造、军事航天、建筑设计以及学科教育等领域。VR技术具有感知性、沉浸感、交互性和真实性等特征，可以弥补医学教育本身内容抽象、实验资源缺乏等不足，更真实形象地展示教学内容，激发学生的学习积极性，增强临床授课效果[3]。本文将对VR技术在临床实践教学中的应用进行探讨和展望，更好地应用于临床实践教学工作中。

1 我国临床实践教学的现状

我国很多医学院校以及附属医院均已建立临床实践技能培训中心，通过标准化病人、临床教学模型、计算机模拟教学和虚拟化教学设备，对学生进行临床技能培训，培养学生的动手能力，提高教学质量。学生在此平台基础上对模拟教学设备反复练习临床操作流程，深入学习临床技能。国内教育学者借助临床教学资源、模拟教学设备、网络学习平台等方式提高学生临床操作能力和临床思维能力[4]，并在考核的过程中引入标准化病人、综合技能测试等项目全方位考核临床实践技能，从实践教学和临床考核两方面提高临床技能效果。

虽然目前的临床技能培训方式已经大大地弥补了传统临床教学资源的不足，缓解了临床实践教学的压力，但是在临床技能培训中仍然存在着诸多问题。比如，传统实践教学模式缺乏真实教学体验，难以调动学生的学习兴趣；技能操作仍然局限于操作的培训，缺乏操作技能与临床应用的综合性应用；缺乏人文关怀，只把模型当作模型，没有体现医生对患者的关心体贴；不能体现学生的主观能动性，不利于学生创新能力的培养以及批判思维的培养[5]。因此，现代医学教育理念提出应该重视目前临床实践教学所存在的不足，全面提高临床岗位胜任力，培养出素质高、能力强的优秀医学人才。

2 VR技术在医学教育领域的应用

VR技术创造了一种以人为主的虚拟空间，是一种多源信息融合的、交互式三维动态视景和实体行为的仿真系统[6]。通常情况下，VR系统由专业图形处理计算机、应用软件系统、输入设备和演示设备等组成。使用者通过使用个人头戴式显示器（HMD）或CAVE系统沉浸于虚拟世界之中，IVR系统根据物理部位提供直接的感官反馈，与使用者产生互动[7]。

VR技术是现代医学教育的重要发展方向之一，目前在虚拟解剖学和虚拟实验室等领域教学应用。虚拟解剖学是通过虚拟仿真三维软件技术建立人体结构，可以选择任意层面、任意器官进行人体解剖，并可以通过动画技术在血管、气管、消化道等进行观察，学生可以了解人身体内部复杂的神经、血管和器官[8]。虚拟实验室是通过虚拟过程了解某些实验设备的原理、操作步骤，了解某些分子合成、药物设计、核酸分子杂交技术等，彻底打破空间和时间的限制，提供生动逼真的实验学习环境[9]。VR技术能够立体地呈现可视化场景，激发学生学习兴趣，同时降低教学成本[8]。

3 VR技术与临床实践教学

传统的实践教学一般是在采用现场观察和动物实验的基础上进行的，存在着不能反复练习以及对实验动物存在伤害等缺点。而使用模拟设备或者模拟人在一定程度上降低了消耗成本，弥补了传统技能教学的不足。这些模型有一定的使用寿命，在反复使用一段时间以后，需要重新购买昂贵的新设备［10］。VR技术提供了理想的训练平台，通过触觉、压力反馈装置拥有更为真实的体验；同时具有零医疗风险、无患者伤害、可反复练习、交互性等诸多优点，可以迅速提高操作者的实践技能。目前，VR 技术已经在血管外科［11］、神经外科［1］、骨科［12］等学科手术得到开展和应用。这些外科手术对低年资住院医来说尤为重要，只有在术前反复的练习达到熟练的程度，才能在实际临床工作中减少医源性伤害，降低手术风险，提高手术成功率［13］。

以腹腔镜手术为例，在2008年，由Naciel A等［14］研发的通过图像处理技术、力学反馈设备和运动捕捉系统构建的虚拟腹腔镜模拟器VBLAST。该项系统为操作者提供了一个具有真实感的虚拟训练环境，通过视觉、听觉、触觉感知等多种器官学习各种手术操作技术，例如抓取、夹运和放置敏感性小物体的技能；训练切开、钛夹使用、剪刀使用和持针缝合打结等临床基本技能。这些基本操作训练为腹腔镜初学者奠定了手术操作基础，锻炼了手眼的协调性以及手的精细动作。此外，基于高性能计算机环境下的VR技术还可以对操作者的操作做出实时响应，使操作者感觉像在真实人体上操作一样，从而提高临床技能培训的效果［15］。根据操作者的临床基础不同，设定不同难度的训练项目。受训练操作者可以反复练习，在每次练习后会出现评估报告，详细评估学员的操作表现，包括操作时间、对组织的副损伤以及出血量。操作完成后，操作者可以根据评估内容进行总结针对薄弱环节加强练习。

4 VR技术的缺点

尽管VR技术在医学教育、技术培训等领域取得了显著的发展和进步，但目前仍然存在着许多不足，比如虚拟模型的真实度欠佳、长时间使用VR可以造成使用者视觉疲劳和影响学生身心健康、某些VR技术成本较高而运行性能较低、智能化人机交互设备不够完善、力学反馈实时性等。由于VR模拟技术最大的优势是能够提供高度的沉浸感，隔离了虚拟和现实，减少了师生互动［16］。由于VR设备昂贵，维护费用相对比较高，因此在全国范围内推广受到很大的限制。因此，未来的VR技术需要遵循低成本、高性能的发展准则，朝着技术应用轻松化和可行化等方向发展，通过与Internet技术结合，促进医学教育的发展和进步。

5 VR技术提升临床岗位胜任力的展望

临床实践教学不能仅仅停留在培训学生掌握技能的层面上，更要注重临床岗位胜任力的综合培养。2017年美国急诊医学学术会议专家推荐虚拟现实技术未来要在急诊教学评估以及现实平台开发进行深入研究，从而全方位评价急诊医生的胜任能力［17］。未来可以根据教学大纲或者教学需要设计临床疾病的典型病例，利用VR技术建立虚拟患者与学生交互系统，学生可以对虚拟患者进行问诊和查体，虚拟患者可以做出语言和机体的反应，学生可以通过病史以及临床查体，结合临床影像学资料对虚拟患者的疾病进行初步诊断。在明确诊断的基础上，学生可以使用建立在物理模拟器基础上的VR教学系统进行临床基本操作，如腰穿、腹穿、胸穿、心肺复苏、清创缝合等。针对高年资住院医师以及主治医师，可以进一步设计虚拟手术，如阑尾切除术、腹腔镜手术、开颅神经外科手术等。针对虚拟患者疾病进行药物治疗，虚拟患者对药物反应情况以及出现不良反应如何处理，最终完成该虚拟患者从就诊到出院综合治疗。在设计病例时，可以设计不同的诊断方法和治疗方案。VR技术应用到临床实践教学中，可以提高实践操作能力，全方位提高学生或者受训医师的临床岗位胜任力。

6 结语

随着VR技术的不断发展和日益成熟，现代化临床实践教学应该重视VR技术的开发应用，构建良好的医学虚拟教学环境，提高教学质量。但是，VR虚拟教学是对真实教学的补充，不能代替真实教学。因此，临床医学院要高度重视临床实践操作，加大临床投入，为学生提供更多更好的实践机会。VR技术虚拟教学与物理模拟器有机结合，可以促进学生全面发展，在未来的临床实践教学中发挥着重要作用。