AR应用于医疗健康教育的系统综述

刘莹杰

（天津职业技术师范大学，天津 300222）

0 引言

增强现实（Augmented Reality,简称AR）技术备受关注。AR 具有现实性、交互性、实用性等特点，目前广泛应用于医疗、军事、旅游等领域[1]。在医学上来说，临床医学在教学中是一门具有较强实践性的学科，也是评价学生学习能力的重要标准。当虚拟对象叠加在环境上，它们就能为我们提供更真实、更直观的感官体验。比如，一种被称为“叠加视觉”的技术，能够让一个虚拟对象在另一个虚拟对象的背景上出现。这种技术还可以与环境合成，从而为我们提供一种具有真实感的体验[2]。经过文献调查研究，发现利用AR 技术指导外科手术也是国内外长期研究的课题，要提高学生的能力，必须进行广泛、系统、规范的培训与练习。模拟学习是将多媒体、模拟、传感、人机交互和人工智能等技术融合在一起，使学生在一种可控制的情境下，可以培养他们的临床思维，训练他们复杂的临床技能，在不会出现错误的情况下，还可以避免对现实中的患者造成伤害[3]。本研究采用文献综述方法对现有文献进行分析，分析了目前医疗健康教育使用AR技术的相关文献，通过分析模式、影响和表现的结果得出AR在医疗健康教育方面为学生提供真实的模拟环境，对临床试验提供了保障。硬件设备和技术的提升对于医疗方面提供坚实的基础，但技术、设备和成本仍是目前发展的难点。本文通过综述了2000 年至2023 年AR 在医疗健康教育领域的最新进展，旨在实现以下目标：绘制最近的研究成果，以促进对当前挑战的进一步研究。同时，通过采用文献综述的形式，本文旨在为AR 技术在医疗健康领域提供进一步的研究方向，从而推动该领域的发展和创新。它的结构如下：第二节介绍了研究设计；第三节介绍了结果与讨论；第四节指出研究局限性；第五节得出结论。

1 研究设计

1.1 研究问题

本文采用了一种系统的文献回顾与定量分析相结合的方法，探讨AR 在医疗健康教育发展中的影响和表现，研究问题包括:

1）AR在医疗健康教育中的发展现状如何?

2）AR在医疗健康领域的关键技术和应用前景有哪些?

3）AR在医疗健康教育中的发展还需要解决哪些问题?

1.2 研究方法

本研究采用文献研究法，通过对相关文献的检索、筛选和评估，明确了相关的研究文献。本论文的主要内容为：计划文献检索，评价文献质量，抽取资料，整合资料，撰写论文等。在本研究中，研究人员运用了定性定量元分析方法，并对所收集到的资料进行了撰写。

1.2.1 文献检索

为了有效检索文献，本研究以AR教育、医疗教育为关键词，在CNKI（260）、EBSCO（315）和Web of Science（280）数据库中对相关文献进行配对检索。文献时间期限为2000年至2023年。以AR教育、医疗健康教育为关键词，按时间限制选取文献，最终检索到相关研究文献805篇。

1.2.2 文献质量评价

根据文献筛选标准，对检索到的有效文献进行筛选，去除重复出现（90篇）且页数少于两页（130篇）的综述类文献（180 篇），去除与研究主题不相关的文献（380）。保留非重复出现、可获取、篇幅在两页以上、采用实证研究方法以及与研究主题高度相关的文献。通过不断的检查和阅读，最终筛选出25篇文献，如图1所示。

图1 文献筛选过程及结果

1.2.3 数据的提取和编码

为了整合已有研究的结果，本研究从文献中提取出关键信息，对最终筛选的25篇论文进行编码，根据主题内容，确定3个核心属和5种类型代码，随后采用定性定量的方法对已有研究进行比较和整合，细化AR在医疗健康教育中的模式、影响和表现(表1)。

表1 增强现实在医疗健康教育研究策略编码

3 结果与讨论

AR 技术可以将影像结果、器官三维模型等虚拟场景导入现实世界，提供更加直观、立体和交互性的效果。将其用于医学实习课程及情景辨识等方面，具有较大的实用价值。传统的教学方式主要是以课堂讲授为主，辅以模型演示、实地观察和动物实验，甚至还可以直接在患者身上进行实验。研究发现，那些穿着VirtualiTee T 恤衫的学生，在学习了解心脏解剖之后，成绩优异的比例要高得多[4]。另有研究显示，MagicBook可以显著提高学生对解剖学知识的掌握[5]。AR 技术已被越来越多地应用于有创及外科的教学中。因为AR技术的核心在于将现实世界中的虚拟场景与现实世界中的真实世界进行准确的重叠，所以它可以更好地用于一些难运动、难变形的人体器官。AR技术目前广泛应用于临床医学，涵盖神经外科、颌面外科和普外科等多个领域[6-7]。例如，利用虚拟腹腔镜技术对学生进行阑尾切除术的训练，能够明显地减少不需要的内腔设备，从而增加手术的安全性[8]；肺点系统是建立在病人的胸腔CT3D 模型上，以模拟支气管为基础的，智能规划操作路径的虚拟导航支气管镜，可以缩短呼吸内窥镜医师的培训时间，提高培训效果[9];AR 眼镜应用于中心静脉穿刺训练，教学结果表明该方法灵活有效[10]。研究发现，心脏科和超音波系之学员，使用此装置来学习经胸腔及经食道之超音波，大部分学员认为此装置的仿真效果较佳。Echo-Com是一种三维追踪登记系统，能够辅助医学生运用超声信息进行先天性心脏病的早期识别，其使用将大大提高医学生的诊断率[11]。

3.1 AR技术在健康教育中的应用模式

在此基础上，提出了一种以仿真为基础，以减少病人受伤为目的，又能保证培养出合格的医学生。AR技术可以确保患者和医生的安全。利用AR技术，用户可以获得大量的虚拟影像与模型，使得用户所获得的知识更为真实、直观、有趣。在教学中运用，能提高学生的主动性和主动性。一项将以AR技术为基础的教学法和传统课本进行对比的研究表明，采用手机AR 技术的学生要比传统的控制组了更多的知识，而这种好处主要是由于刺激了学习投入[12]。

AR 技术可以将海量的临床信息提取出来，然后对其进行仿真并将其叠加，这样就能让同样的场景反复出现，对于有经验、有技术的医师来说，这种训练是必须要反复进行的。然而，在实际的情况下，我们很难做到重复使用。举例来说，在正颌外科中，一个用来覆盖真实颌骨的数字手术规划程序，以及在脉管外科中对脉管和外科手术路径进行定位[13]。AR 技术还允许多人协作，其次在医学教育中非常重要。

在新的教学模式下，新的教学模式亟待引进新的教学手段。从硬件和经济两个角度来看，AR 系统需要大量的硬件资源，并且费用高昂，所以无法在所有的医疗教育机构中普及。尽管各种低成本的AR系统层出不穷，但是它们也存在着各自的限制，比如为节约成本，大多采用一种投射式的显示方式，使景物交叠的位置相对固定；没有即时反馈、纠错等制度。当前AR技术在临床上的应用仍处在小规模、试验阶段。在今后的研究与开发中，如何使系统的性能与成本达到一个均衡，将成为研究与开发的焦点。

3.2 AR技术在健康教育中的影响

3.2.1 理论与AR技术在健康教育中的结合

共调查了2529 篇关于AR 技术在职业健康教育中的应用的研究，结果表明，只有少数几篇文章提及需要新的理论来引导AR 在健康教育中的设计和应用，大多数仍然应用传统理论[14]。卫生教育就是医学知识的普及。如何充分发挥AR技术在卫生教育中的作用，如何进行对话情景的设计，以及如何向使用者展示这些内容，是亟待解决的问题。新技术的产生与旧系统的瓦解与新系统的生成是分不开的。基于情境学习理论、体验学习理论和转换学习理论上，建立了AR 在健康护理教育中的应用指导设计框架，并在实践中对其有效性进行了验证[15]。

3.2.2 AR技术应用于医疗健康教育

要想将AR 技术有效地运用到实际中去，就必须要有与之相对应的物质基础，这就是虚拟场景。由于缺少相关权威的AR 资料，制约了大规模的健康教育AR 的应用。所以，作为卫生教育者应考虑尽快建设一个全国性的卫生知识资料库，这个资料库将包括不同族群的卫生知识资料以及每个人的健康档案。这就要求我们不仅要了解健康教育的工作，而且要了解AR技术的原理与实现方法。

3.2.3 硬件设备和AR技术应用于医疗健康教育

要使AR 技术的优势最大化，就需要相应的载体设备。当前，在中国的卫生教学中，AR技术的运用还不多。除了尚未建立的AR 资料资料库，还没有达到所需的硬件条件。在卫生教学中，若需在大型场合作焦点展示，可使用三维显示设备，以尽量小的屏幕尺寸，营造出最真实的情景；在使用手机进行健康指南扫描时，对手机摄像头功能提出了较高的识别性能；而像全息眼镜这样可以充当个人管家的可穿戴设备，则要求设备坚固、辐射小、负担小、耐磨等特点。

3.3 AR关键技术在医疗健康教育中的表现

最终表现主要是跟踪注册技术、AR 显示技术和技能交互技术。在此基础上，采用了追踪、登记等技术来实现3D匹配。按其成像原理，可将AR系统中所采用的显示方式分为影像式、光学式和投影式三种。该方法的优势在于可以获得更好的重叠效果，但其不足之处在于其处理过程过于烦琐，使得重叠效果与实际效果有一定的差距。常见的人机交互方法有以下几种：以传统硬件设备为基础的交互方法，硬件比如鼠标和手柄，与虚拟场景中的某个坐标相对应，硬件操作在真实场景中反映虚拟场景中该点的行为，如手势交互系统和投影交互技术。

目前，以AR为主导的卫生宣传方式，存在着使用者依从性差、内容过于抽象、情境性差等问题，使其收效甚微。通过AR 健康教育游戏，对未出现明显症状或病症的亚健康人群进行健康教育。在中国卫生事业不断“前进”的同时，这个人群也成为中国健康教育的主要目标。因此，如何提升我国高校学生的卫生素质，增强其卫生行为的遵从性，是当前我国高校卫生工作中迫切需要解决的重要问题。在对健康教育游戏进行开发时，应该将兴趣与学习过程有机地结合起来，做到寓教于乐，能够开发出适合不同人群的游戏，从而提升不同人群的健康素养水平。例如，开展大范围的流感病毒预防教育，社区与家庭的急救知识，中医治疗与健康，心理健康教育，等等基本的健康教育内容，都需要进行大范围的普及。通过AR 多媒体演示，既可以将一些高深的概念变得具体，又可以将一些专门的知识进行完整的组织与展现。通过课堂AR多媒体演示，可以集中、系统地讲授专业、抽象的健康教育内容，包括人体组织器官解剖动态演示、急救技能、康复护理、科学锻炼、康复功能训练和灾难逃生等内容。

4 局限性

本文仅限从Web of Science 和CNKI 数据库中选取文章。本研究较为完整，主要研究AR 技术在医疗保健教育中的应用。我们详细回顾了纳入研究的文献和统计范围。其中，场景比较单一，都是通过预人虚拟场景来设计的，与临床现实相比，场景比较单一和固定，单纯地运用并不能取代真实的临床实习。在实际工作中，我们要学会怎样处理因病人的个人差异以及因病人的心理、社会因素所造成的临床差异。这种不足也存在于技术方面。临床教学对场景模拟的跟踪、配准精度和真实感要求较高，目前我国的AR技术还处于起步阶段，无法充分满足临床应用的需要。

5 结论

由于提高技能而实施的模拟技术可能是提高卫生和护理工作者技能的一种新颖和引人入胜的方式。卫生和护理工作者一词涵盖了卫生和社会护理领域的专业人员，包括护理人员、全科医生、护士、护理工作者和社区工作者。在这种情况下，增强现实可以被模拟为对现实生活互动或场景的复制，学习者从中获得即时反馈/汇报。AR 技术能够实现多种情景的仿真，可用于应急、灾害和生命保障等方面，对大学生进行有效的训练。随着AR 技术的不断发展和成熟，将会对临床医疗教学产生很大的影响。就目前而言，将增强现实应用于医疗保健可以更好地促进医学生的相关学习。在使用模拟技术时，学习者不仅可以反复练习技术，并从中学习，而不会伤害患者，使他们痛苦或面临其他负面后果。在本文中，我们了解到医疗健康教育增强现实技术的研究还存在很多局限性，如成本、技术缺陷、硬件设备等。因此，在未来的发展过程中，仍存在巨大的挑战和突破空间。