VR技术在医学免疫教育中的研究进展①

徐晓英 杜耀婷 徐 毅 王又辰 管细红 王璐瑶（江西中医药大学，南昌330006）

目前，5G凭借高速度、低时延、万物互联和广泛等特点和优势已正式进入人们的生产生活［1］。5G技术作为基础设施与各行各业相融，并带动其进一步发展升级，在此基础上虚拟现实（virtual reality，VR）技术有望实现在医学教育版块的常态化应用。2019年国务院印发《国家职业教育改革实施方案》提出适应“互联网+职业教育”发展需求，运用现代信息技术改进教学方式方法，推进虚拟工厂等网络学习空间建设和普遍应用。国家教育部将VR技术明确列入教育信息化重点工作，意味着VR在教育体系内的应用已成为发展大趋势。医学教育包括在校学习教育和继续医学教育两种模式，因职业需求，医务工作者奉行终身学习理念，传统学习方式因课时有限、资源匮乏并受教学时间和空间的限制，在既要求加强学生理论学习，又要满足临床实践技能培养的大环境下，已然成为制约各高校教学发展的瓶颈，而VR则为拓展医学教育提供了一种解决方案［2］。

1 VR技术在医学免疫教育中的应用现状

VR技术是一种计算机辅助程序，通过投射三维视图和使用立体图像提供一种临场感，模拟在环境中的感觉，使图像和物体显得真实，VR技术的3大特征：沉浸性、交互性、构想性，在医学教育行业中，教育者将医学中抽象的理论知识借助VR技术为学生重现1∶1的高保真仿真模型或临床环境，可根据需要频繁地与虚拟患者、医疗资源和实践内容进行交互［3-5］。医学免疫学是医学的重要组成部分之一，具有较强的实践性，且实验课占总学时数的55%，因此实验教学的水平和质量至关重要，受一些因素（场地、安全）的限制，某些感染性等实验无法在校完成，为突破困境，何超翔等［6］学者，自行研究设计并建立了HIV感染免疫诊断的虚拟仿真实验项目，在医学免疫教育中进一步加强了学生的生物安全意识和规范检测流程，有助于培养学生自主学习、实践创新的能力。学生身临其境，实现理论与实践的完美结合［7］。如图1。

图1 VR技术医学教育Fig.1 Medical education of VR technology

1.1.1 改变医学免疫等实践学科学习方式 VR为基础医学学科的《病原生物学与免疫学》的实验教学提供了新的教学模式，学生以第一视角观察，示教老师的实验操作，直观地了解实验的操作过程，相当于亲自操作过实验，此举既可以提高学生对实验操作的掌握能力，又能解决免疫教学中实际开展困难的实验教学［8］。肿瘤标志物甲胎蛋白是诊断肝癌的主要指标，在医学免疫史中具有重要的意义，余瑞琦等［9］团队依据VR原理，结合实验器材、检验设备、环境布局、检验过程等通过3D再现，模拟医院临床实验室肝癌病人标本检验的全过程，并建成以医学免疫学课程为背景，基于VR技术的肿瘤标志物AFP检测平台，将医学检验的前沿技术带入课堂，学生既能掌握知识，又能提高学习兴趣和效果。解剖模型是免疫教学实践的常用辅助学习模具，有助于医学生开展更好的临床实训模拟，增强学习，但相关研究认为持续使用人体模型会降低其有限的寿命，并且更换过时或损坏的设备所带来的巨额费用［10］。同时这种面对面教学的形式也阻碍了知识的传播，因空间和时间等外在因素的限制，使本受益的学生处于较弱地位。常见模型优缺点见表1。循环系统疾病一直是教学重点，但因其教学内容过于抽象例如心脏解剖结构和心音特征判断疾病类型等，传统教学低逼真度模拟模型完全无法实施教学，心脏解剖主要通过观看教学视频和实验室观看心脏解剖模拟，心脏听诊主要靠播放声音来完成，缺乏真实感，进入临床因其病源不足或临床医生依赖相关设备进行辅助检查，对心脏查体重视度不高，导致学生理解和掌握知识能力弱［11］。然而学者通过创建虚拟的高保真三维心脏VR模型，使用VR头盔和控制器平台进行可视化和操作，该模型由终端用户实时控制，检查心脏部位在不同情况下的角度，确诊疾病类型从而促进病情恢复［12］。研究表明［13］学员在手术中使用这些VR模拟器与其他不用VR技术的学生相比能更快完成自身的学习任务。因此，借助数字模型与真实人体叠加，在符合生理学精度的器官虚拟模型上，利用配套设备可以为学生提供一种适应临床真实环境的感觉和归属感，有助于在现实临床环境中减少焦虑并提高信心。

表1 常用模型优缺点Tab.1 Advantages and disadvantages of common models

1.1.2 临床技能实训 临床实践是成为一名合格医务工作者必不可少的环节，在实践中不断提升、锻炼临床能力的关键时期，在这时期，最主要的任务是要掌握临床实践的基本技能，但传统带教培养是“师徒”模式，带教老师先让学生通过病例了解病情，然后查房时统一讲解，不懂再问再教循环往复。但外科医生主要是通过不断进行临床技能实训，获得经验，取得成功。由于患者安全意识增加、医患关系日益紧张等原因，一位合格外科手术医生地培养需要较长时间，传统的教学模式面临着越来越多的挑战［11］。

随着VR技术在医学实践的应用，VR为拓展临床教学环境提供了一种新的方法和途径［12］。国内王思瑶等［12］通过VR技术与情景模拟方法对医学生掌握心肺复苏技术学习效果进行对比研究，发现VR技术可提高学生的学习质量，激发学习的主动性，提高学生心肺复苏水平。美国一项研究使用由Trivantis公司开发CenarioVR工具让研究对象在手机上下载沉浸式VR应用程序，配置VR耳机，研究对象通过VR设备可看到临床医生放置B超探头的位置以及如何放置的过程，还可以看到病人和临床医生的面部表情和非语言交流，使其有一种幻觉，以为自己在病房实际参与全部过程。同时研究对象可暂停、倒带、转头，实时查看B超探头定位过程以及实际超声波输出数值，在使用该设备考试时，在考试不同时间段，教师可暂停操作过程并提问问题，学生的回答可以被记录并存储在一个学习管理系统中，以便进行回顾和绩效评估。该研究已正式在美国部分急危重症护理专业的学生中进行应用。

由于虚拟仿真训练系统具有低代价、零风险、重复性的优点，可高效地提高学生临床操作技能［14］。在目前临床实习动手操作变得越来越困难的时代，虚拟仿真训练可在安全的环境中实践，掌握医学操作技能，可在未来的教学中普及。

1.1.3 解放指导教师 根据国家相关政策，医学专业于2004年开始建立“双师型”教师队伍，既要完成临床工作，又要承担教学和科研任务，在多因素的压力下，部分教师患有不同程度的心理和生理疾病。传统教学方式多为面对面教学，二维平面模型、抽象概念，缺乏立体，学生理解程度差，教师教学压力大［15］。我国某高校护理学生实训课，上课模式为1名带教老师在实验室进行演示操作，学生围观学习，然后自行临床模拟操作，教师辅助指导，在有限的学习时间内，1名老师带30名学生实训，平均辅导每个学生的时间和精力都不足，严重影响了教与学的效果。

VR作为一种新型的教学工具，拥有低成本、多互动、强趣味、高安全、可重复等诸多优点，作为医学教育的重要组成部分，VR系统不需要多位教师［16-17］。学习者可以随时进入VR系统，参与模拟活动，模拟场景设定运行后，某些VR教学只需要1名教师在场，虚拟仿真技术可以实时的反馈学生操作的结果并对学生的操作结果进行更正及评分，传统的教学实践中往往需要教师不断的对学生的操作结果进行评价，但应用虚拟仿真，学生可以根据仪器的自评价功能而自我学习，缩短了学习的时间，大大降低了教师的工作量。王萍等［18］将VR技术应用于静脉注射法实验教学中，发现通过使用VR模拟器进行实操演练，沉浸式VR（immersive VR，IVR）学生的操作考核成绩、评判性思维和教学满意度明显优于非沉浸式VR（non-immersive VR，NVR）组，认为VR教学激发了学习兴趣，减少了侵入性操作带来的心理恐惧感。创新的教学方式，突破了传统教学带来的弊端，大大较少教师的工作量，减轻教学压力。在国外虚拟模拟已用于培训用户各种技能，如支气管镜检查、结肠镜等检查程序等［19］。

BUTT等［20］通过随机试验将20名护理学生分为对照组和干预组，对照组在导尿师的指导下进行导尿技术操作学习，干预组则使用Oculus Rift头盔和可穿戴设备使用IVR导管程序、触觉感应手套等进行虚拟学习，试验结果显示，与传统学习方式相比，使用IVR系统的学生在相同时间内可学习更多的导尿知识，且2周后，2组学生在技能保留方面没有任何差异，参与该研究的8位教师中，有7位认为该方式是有趣的、解压的，并推荐用于学生教学。

1.1.4 缓解学生焦虑 医学专业因其特殊性，不仅要求医学生理论知识扎实，而且实践能力也必须达到学校或临床考核指标，故医学生的考试焦虑发生率远远高于普通学生［21］。VR利用人机界面，让人们沉浸在数字渲染的幻觉中，幻觉是由计算机硬件构成的多感官幻觉和投影。这些错觉充当着虚拟环境的角色，让人们通过接受VR暴露疗法（virtual reality exposure therapy，VRET）来调节自己以对抗焦虑症状，VRET是一种系统脱敏疗法，可以在心理上强化对恐惧刺激的抵抗［22］。

初次临床实习的学生，由于没有经历真实的临床技术操作，常常担忧自身不能完成临床工作，特别是当独立面对病情为患者进行操作时，因紧张导致操作失败，留有心里阴影，常需较长时间进行自我调节恢复，而IVR可以将用户的恐惧结构转变为适应的恐惧结构，消除扭曲现实、增加逃避倾向的病态恐惧。马顺昌等［23］将VR用于蝶骨嵴脑膜瘤手术，利用影像学获取术前有关疾病数据，进行三维重建，通过虚拟系统观察重建后的颅脑结构，医生可在逼真的环境中进行手术，当出现错误时，反复矫正，直至成功，这是在现实手术所不能达到的情况。李林林等［24］将VR技术应用与心血管外科手术教学培训中，利用影像学获取不同心脏疾病的数据，重建心脏三维模型，有助于学生对心脏疾病有直观而准确的认识，避免临床实习因回答不出带教提问而自我能力质疑。

美国中西部一所主要州立大学教本科生临床实习轮转的护理带教老师被邀请参加1个虚拟现实模拟（virtual reality simulation，VRS）静脉导管插入的研究，参与过该研究的8位带教老师都非常赞同或认为VRS增加学生对这一过程的了解，在正式护理患者前减少学生的焦虑，从而在一个安全的环境中增强临床学习［25］。

1.1.5 活跃课堂氛围与激发学习兴趣 目前我国教学方式中，还是以老师课堂授课为主，学生被动进行学习，且有些教师授课形式过于古板，课堂氛围不活跃，难以调动学生学习的积极性，对学生思维发展及实践能力培养不足，不利于发挥学生主观能动性［26］；其次，由于空间、时间的限制，难以为学生创造系统性的学习环境，理论与实践非同步进行，降低学习兴趣，学习效果大打折扣。相比于传统教育，VR交互技术，能将枯燥的理论学习知识，借助移动通讯设备及VR眼镜、控制器等工具以二维动画、三维动画、游戏、互动视频等形式进行展示，丰富教学授课形式，学生在快乐环境中学习，提高学习兴趣［27］。

陈慧等［26］为在校护理学生构建虚拟仿真在线平台，并用于中医护理专业，通过与传统课堂进行对比发现使用VR设备学习基础理论和实践技能的学生，其学习的自主能力和积极性均高于传统教学。ADAMS［28］采用随机化原则将传统的腹腔镜模拟器、XBOX 360游戏机或任天堂DS掌上游戏系统用于住院医师和初步实习医师，经过为期6周的试验，玩电子游戏的住院医生在腹腔镜技术上的进步速度远远大于在传统腹腔镜模拟器上练习的住院医生，VR游戏与精细运动测试有较好的相关性，有助于发展相关临床技能。通过设置游戏闯关式学习模式，激发学习兴趣从传统“要我学”转化为“我要学”的心理转变，让学生在快乐氛围中掌握知识，获得技能［29］。

2 VR技术发展痛点分析

2.1 价格昂贵 VR为临床教学提供了实践机会，是在无风险的环境下医学生掌握学习内容，实现安全、高质量临床实践的一种方法。虽然简单的VR的开发成本不会太高，但教育机构的开发成本，以及能够让学生使用它们的设备的成本，都是重要的问题。因VR设备价格昂贵，成为制约各大高校和医院的门槛。近年来，随着VR设备逐渐以平民化的价格进入市场，高端VR硬件（笔记本电脑和耳机）的安装成本约为3 000美元，软件成本取决于供应商和产品质量，但通常低于物理模拟成本的十分之一，独立于供应商［30］。因此，使用VR技术可以节省大量的设置和运行成本，各行各业逐渐将其引入，开展VR发展策略，我国深圳市中医院针灸科、北京协和医院等将VR技术引入临床，开展研究。

2.2 复杂技术难以建立协同虚拟环境认同 沉浸式技术以一种连续体的形式存在，它将学习者在时间、空间和方式转移到完全虚拟环境，然后覆盖在真实环境上的全息技术，使用户能够在沉浸式的真实世界环境中查看数字内容。尽管在医学教育中使用VR技术有许多优势，但在这一领域的发展相对较少，尤其是在有效使用时涉及的多重障碍，其中技术复杂性，难以建立协同虚拟环境的认同感是当前迫切需要解决的问题。虚拟连续体的一端连接真实环境，另一端为完全虚拟的环境。在真实环境中，增强现实（augmented reality，AR）模拟将任何东西以模拟数字内容的形式呈现，通过相机和数字显示叠加。并且通过数字化渲染将用户带入物理现实之外的完全虚拟环境中，用于VR的（headmounted display，HMD）将用户完全沉浸在虚拟环境中。虚拟连续体的中心是混合现实（mixed reality，MR），它将虚拟内容与真实环境融合在一起。虚拟连续体中的每一种形式都依赖于外部硬件，包括基于监视器的显示器、透明头戴式显示器（HMDs）和完全沉浸式HMDs。

伯恩茅斯大学的CILVRS项目正在研究使用沉浸式VR学习环境来弥合医护学生理论与实践之间差距的教育能力。CILVRS项目的试点和可行性研究已经在VR环境中开发，该环境使用Unity 3D平台。该模拟应用由医疗工作者和专业VR教育公司Daden Ltd.合作开发，通过精英化、专业化、集中化人员配备，共同合作研发，以确保创建的VRLE学习环境对于临床教学是可持续、可依赖、有价值的。医疗VR的应用在我国尚未成熟，如何突破技术难关、实现VR与医疗行业融合仍是当前面临的重大问题。

2.3 VR场景的理想化和单一化 VR虚拟环境的内容是设计者依据现实中某一特定场景构思出来的，模拟内容固定，过于单一的理想化，无法模拟真实的紧急突发情况。VR模拟开发有助于病例分析，加强临床手术操作的细节，强化医生手术操作步骤便于查缺补漏，但对于外科手术医生无临床真实手术紧张感和手感，培训较片面。传统脊柱微创手术中，医生手持手术刀对病灶处进行操作，医生通过手术刀可以感受与病灶处的接触力，在脊柱外科，由于人体脊柱骨的解剖结构遍布错综复杂的神经，临床医生可根据这个接触力来保证定位针、椎弓刀等器械准确进入病灶，尽管是基于现实环境的模拟，但使用者心理负担远小于真实环境，无法较好地培养学生的心理素质［31］。

余世政等［32］学者为了解决力反馈在虚拟场景中的缺陷，设计一款力反馈式外骨骼手套，有益于减少VR与真实之间差距。VR无真实手术手感，面对临床突发情况，医生的应变能力及解决分析问题的能力无法得到锻炼。因此VR模拟这种理想化单一化的模式对于临床技能培训存在弊端。

3 VR在医学免疫教育中的发展前景

VR技术不仅在医学免疫教育中应用广泛，也为拓展医学教学方式提供了一种新的方案，有助于从课堂上自由学习，允许学习者在安全的环境中进行临床实践技能练习，并从错误中不断学习，提高学习者的能力和自信心。随着VR不断应用并融入教学，在以后的发展教育中将成为主流，交叉学习者也能够参与真正的跨专业、完全逼真的模拟，且不受时间和空间限制，VR将彻底改变传统教与学的方式。在后期高等教育机构可与技术公司积极合作，进一步开发和完善VR在医学教学中的技术，建立专业VR教学实验室，不断完善VR教学实训系统。