元宇宙医学教育在肝胆外科临床教学中的应用与思考

苏铭 朱海 王继龙 彭民浩 郭雅 彭涛

元宇宙（metaverse）中Meta 代表超越，Verse 则表示宇宙（universe），二者的组合有“超越宇宙”的意蕴：这是一个在3D（Three dimensional）、虚拟现实（Virtual Reality，VR）、增强现实（augmented reality，AR）等科学技术支持下呈现于互联网中的虚拟现实世界；它与现实世界平行运行，是下一个阶段的互联网。元宇宙是一个与现实世界映射与交互的虚拟世界，是一个利用现代科学技术手段进行链接与创造的具备新型社会体系数字生活空间[1]。元宇宙需要对目前的现实内容生产、经济系统、个人体验等进行深度革新、改造；其在本质上是对目前实体世界系统进行数字化、虚拟化的过程。元宇宙将带来两个观念的巨大拓展：一是人类感官观念的拓展，在元宇宙中的虚拟世界中能够呈现出触觉、听觉、视觉的综合感官体验，可以体会到现实世界和虚拟世界的多重感官体验；二是人类生存观念的拓展，在元宇宙中将体验到一种独立于现实世界而又与现实世界紧密结合的沉浸式环境[2]。

1 元宇宙在教育中的应用

从历史发展的角度来看，元宇宙是一种新形式的教育，是一种虚拟现实教育模式的创造性发展。2003 年林登实验室开放创建的虚拟世界教育模块Second Life 中，用户可以购买教学用地进行培训及教学甚至创建虚拟校园，开设虚拟课堂及讲座等。教育元宇宙、学习元宇宙等概念近年来已经被不断提出，有学者指出教育元宇宙就是在教育中利用数字孪生、区块链、5G 高速移动通信技术、人工智能（Artificial Intelligence，AI）、虚拟现实/混合现实技术等前沿信息科学技术构造出的新型沉浸式环境，是学校与社会深度互动、虚拟与现实密切交联、人类与机器深度融合交互的高级智慧教育环境[3]。华子荀等[4]指出学习元宇宙是虚拟学习空间和现实学习空间深度融合的一种新型学习场景，可以通过区块链、数字孪生等先进信息科学技术实现虚实世界的动态交互及相互映射。

从教育学的角度分析，元宇宙可以整合利用多种教育资源，创造智慧教育环境，提供多元化学习活动，构建出新的教学模式，从而实现智能化教学，可以多方面对教育产生深远影响。通过分享、连接，教育元宇宙可以为用户提供出自然沉浸、深度交互、虚实融合的新型教学环境，从而促进学习者的表象化思维[5]。有研究者认为学习元宇宙是一种新型的数字化社会生态系统和虚实学习空间深度融通的互联网教育应用，可以认为是元宇宙中的学习方式和应用[6]。元宇宙在教育领域的探索目前从总体来看仍处于初级阶段，需要进行专题化研究和深入的探讨。未来还需要对元宇宙进行细致、广泛的考察研究，进而实现教育、教学与先进信息科学技术深度融合，推动“教育+元宇宙”顺利向前发展。

2 肝胆外科临床教学的特点

临床医学是以医学理论为基础，医学临床实践为践行方法，贯穿着人文关怀的一门学科和职业。作为普通外科的重要分支，肝胆外科涵盖了大量复杂的病种，对医学知识的要求极高。在临床实践中，理论知识与实际操作必须紧密结合，以确保患者的诊疗效果。医学生需要具备充分的医学专业理论知识储备，才能在临床疾病的救治中做出较为准确的临床诊断及鉴别诊断，并且要遵循恰当的治疗原则来处理患者，确保他们得到最佳的治疗效果。综上所述，肝胆外科在临床诊疗和教学过程中都面临着较大的挑战，因此需要从革新教学方法入手，改变单一传统的教学，以更有效的、多元化的教学方式、教学方法提高医学生对肝胆外科知识的综合掌握程度，从而构建出具有肝胆外科临床教学特色的多元化临床教学模式。

因肝脏、胆道等器官的解剖特点和特殊形态，肝胆外科的理论和临床教学一直是普通外科临床教学中的重点和难点。传统的教学方法通常借助解剖图谱和塑料模具来讲解，这需要医学生凭借空间想象能力在大脑内想象、构建出肝胆管道解剖结构以及相互间走行的三维立体关系；这对医学生和带教老师均是挑战。

3 元宇宙在肝胆外科临床教学中的应用与思考

在医学教育领域和医学应用领域中元宇宙具有巨大的的应用潜能。多种先进的科学技术正在逐渐地研发应用于医学的教育和医疗的诊断、治疗、预防过程中。目前医疗应用领域中正在积极引入医疗大数据技术、5G 高速移动通信技术、人工智能（AI）、虚拟现实/混合现实技术、区块链、触觉互联网技术等多种先进科学技术，这些先进的科学技术在病人的疾病诊疗及临床医生的医学培训等方面已经陈显出美好的应用前景。Precision OS公司于2021 年发布的VR 机器人操作平台具有触觉反馈功能，可以构建出深度交互式的外科手术训练环境，模拟进行外科手术操作；有望帮助外科医生有效地进行医学操作训练，提升临床诊疗技术。3D 器官虚拟现实解剖通过运用数字技术构建出3 维数字尸体模型，从而较好地代替了传统尸体解剖，有效地解决了医学教学中教学尸体、器官标本数量有限，医学生解剖实习机会少的难题；还能让人们更便利的全方位观察人体，更有效地学习人体结构知识。口袋人体解剖、医维度3 维人体解剖等APP 软件已经广泛被人们应用于学习人体解剖知识的教学实践中了。在肝胆外科学中，外科医生运用AR 手术导航技术可以在术前更直观、便利地了解病人的身体器官结构；可以有效帮助肝胆外科医生精准地进行胆道、肝脏、器官移植等复杂手术操作，从而提高外科手术效率。人工智能（AI）医学影像辅助改变了肝胆外科医生既往依靠遗体、器官模型进行肝胆外科教学的传统医学教学方式，能够更方便地开展多种肝胆外科学手术技能操作培训，有效地提升了肝胆外科医生的医学操作训练体验。高速互联网、虚拟现实、远程3 维可视化重建等新兴科学技术将远程诊疗和远程手术操作成为可能，将引领人类进入医学诊疗的新时代。目前以上这些应用尚处于元宇宙的沉浸和体验初级阶段，而在未来元宇宙中人类将可以通过数字人的身份进行智慧医学诊断及治疗，进入更深一步的元宇宙应用阶段。

目前已经有企业和科研机构探索运用元宇宙理念对医学教育和医疗进行开拓性创新。2021 年11 月4日，Treatment 公司宣布开始进行医疗元宇宙（medical metaverse）项目研发，探索对全球远程医疗及医疗保健进行颠覆性创新[7]。Veyond Metaverse 公司则探索研发为医学教育、辅助外科手术、外科手术培训等提供创造性革新的扩展现实技术（extended reality，XR）。元宇宙医生联盟（MDA）于2021 年12 月在韩国成立，探索提供全球范围的虚拟医疗服务[8]。“元宇宙医学协会暨联盟”（IAMM）于2022 年2 月在中国上海成立，将努力推动虚实联动和人机融合等技术的研究开发，将与区块链技术搭建新的医疗体系，有效增强参与者（医生、患者）、真实环境（设备）和虚拟环境（虚拟医生、患者和设备）三者之间的深度融合；与数字孪生技术相结合，将虚拟世界的医疗拉入现实世界并进行互动，致力于给大众就医和医院管理带来颠覆性的变革[9]。可以预见，在未来元宇宙将会使人类获得更广泛、更平等、更充分的医疗保健服务，从而享受更优质、更丰富医疗资源。此外，区块链等信息技术有助于保护人们的医疗就诊记录、个人身份认证等数据的隐私安全，让患者的疾病诊疗过程、医疗费用支付流程等更加安全、便捷。Medicalholodeck项目是将元宇宙理念应用于手术设计3D 规划及医学教育培训的探索[10]。其包含解剖大师XR，可以用于进行虚拟现实解剖教学；解剖学大师XR，可以查看完整人体解剖结构；医学影像XR，可以用于处理虚拟现实中的3D 医学图像数据。通过查看患者的医学图像数据（DICOM），肝胆外科医生在元宇宙中可以拟定精准的手术计划，进行3D 手术准备，进而有效而提高肝胆外科复杂手术的成功率。目前，全球在人类健康管理中表现出的脆弱，推动了医学领域中新兴科学技术的应用。革命性的数字变革正在席卷全球医疗体系，健康元宇宙有望成为应对全球医疗挑战的革新方案之一[11]。元宇宙在未来的医疗及医疗教育领域中将会发挥越来越重要的作用[12]。

4 医学教育元宇宙面临的挑战

教育元宇宙中存在各种各样的教育资源、教学场景、学习人群、适配终端、交互技术；为了保证教育元宇宙的健康有序发展，院校需要制定出对应的规则、标准。教育元宇宙目前尚处于探索起步时期，还没有统一的概念，现有的经验主要来自元宇宙社交平台及游戏，缺乏为教育专门开发、设计的元宇宙产品，相关的支撑技术仍有待进一步发展。目前，已经有一些科技企业开始研发相关于教育元宇宙理念的市场产品，在不远的未来教育元宇宙相关产品可能会出现一波高速增长。把握教育元宇宙健康发展的主导权，需要院校尽快制定出有利于促进教育元宇宙产品成长、发展、进步的相应规则、标准。

教育元宇宙中信息繁杂多样，真伪难辨，而且信息量巨大。要避免元宇宙用户遭受不良、虚假信息的侵扰、伤害，本研究必须构建出高效、可靠、安全的信息索源、查证机制。教育元宇宙世界中虚实联动，在虚拟世界中的体验、经历，有可能影响元宇宙用户在真实世界中的认知、行为。所以，在教育元宇宙中建立规范、健康的伦理道德体系，势必有利于在虚实世界中进行师生间、学生间的良性互动，有利于人们将虚拟世界中收获的满足感、幸福感等良性体验带入真实生活，推动现实世界的良性发展。

社会包容性及公平性也是在教育元宇宙中需要考虑的内容，所以需要系统算法具备保障的公平性，可以提供用户个性化选择，减少偏倚，避免对教育元宇宙用户及教育决策者产生不良影响，从而满足不同年龄、性别、国家、民族用户的需要。当用户在教育元宇宙中使用时间过久、过频繁，可能会出现一些不良心理反应，如依赖虚拟环境、逃避现实等；甚至出现冲动、攻击性行为。所以，管理者在教育元宇宙中需要制定出成瘾的预防、控制方案，监督、管理用户的使用教育元宇宙的频次及时长。

元宇宙在医学教育领域中的发展仍缺乏理论性、系统性的规划，现仅有一些政策性文件支持VR 使用，但对所学的内容及具体采取的教学方式尚没有进行系统规范，对各个具体的临床学科领域应用没有进行系统规划，尚没有统一方案。目前，医学领域对元宇宙在医学临床教学中的应用，并没有进行具体的分类及各个类别适合的具体数字技术及教学方法、模式研究。对已经进行相关研究的理论和实践，亦缺乏评估反馈。故本研究需要进行总体统筹设计，探索、制定出元宇宙在医学临床领域的具体教学方案。在研究、制定出具体的发展方案后，院校可以挑选区域中发展较好的机构、学校进行试点应用，取得一定经验、效果后进行引领示范。在试点应用过程中逐步了解需要怎样的教学内容与师资力量，及时总结试点应用实施过程中的不足，制定适宜的问题评估反馈机制，及时对暴露出的问题进行改进完善。此外，管理者还需要注意了解、收集不同学科与学段的教师和学生的需求，切实找到相关用户的真实需求并认真进行相应市场研发，积极推进相关试点工作，努力推进医学教育元宇宙的健康发展。同时充分利用企业现有的研发优势，构建出多元化的元宇宙市场产品[13]。

在医学临床教学中元宇宙理念的应用目前尚处于初创阶段，相关应用的探索研究主要集中在改善课堂教学效果、提升学生的学习积极性等积极方面。随着元宇宙在教育领域应用的逐步推广，其带来负面影响及出现的伦理问题亦逐渐被发现并重视。首先，元宇宙在医学临床教学中大规模应用时，因为元宇宙在临床教学中的沉浸式体验所模拟的真实临床情况的特点，以及元宇宙世界里的其他信息，如果缺乏正确指导、监督，容易出现学生沉迷其中甚至出现上瘾问题。这就要求教师在应用元宇宙进行肝胆外科临床教学过程中，要善于合理利用元宇宙世界的资源，正确引导学生深刻理解元宇宙，适时指导、监督学生切实有效的驾驭虚拟自我。教师也要注意对虚拟智能技术的合理利用，避免过度依赖[14]。其次，需要保护教师和学生的信息隐私，需要注意在收集、处理学生反馈的相关数据时不泄露个人隐私信息。第三，要积极引导、培养学生树立正确的伦理、道德观。在教育元宇宙的世界里，可能并存有不同国家和不同阶段的学习者，学生在进行医学专业知识学习时，如何在不同文化背景及海量信息中树立正确伦理观、世界观和价值观至关重要。

现阶段，软件的设计与开发，主要是以技术为导向，在校园中使用的智能技术大多是情景演示及简单的人机交流，在医学临床教学产品设计方面缺乏系统的理论支持，因此探索、研发出适合的新型元宇宙肝胆外科临床教育方法，需要广泛吸取其他理论教育成果[15]。这需要对教学内容进行创新设计，根据教学设计和教学目标去设计教学活动，需要管理者在教育元宇宙环境下将教育元宇宙的特点与肝胆外科临床教学的特点相结合，依靠可利用的学习资源，探索出与肝胆外科临床教学相适应的沉浸式优质学习环境。管理者需要利用现有的临床教育资源，在应用元宇宙肝胆外科临床教学活动中，积极探索研发在目前现实世界中尚难以实现或成本代价高昂的教学案例，如模拟进行人体解剖、开展病例的沉浸式模拟临床诊疗及进行模拟手术操作等。在元宇宙虚拟教室中进行肝胆外科临床教学过程中，可能会使用相应工具去进行临床操作，如果学生间站位过于密集可能会发生误伤。管理者在应用新设备进行肝胆外科临床教学时，应充分考虑到课堂秩序及安全。此外，还需要让每名培训学员在虚拟课堂中能充分理解掌握相关医学临床专业知识及相应的医学临床操作步骤，要注意考虑在元宇宙教学时的新型设备与环境带来的教学效率问题。

5 元宇宙在肝胆外科医学教育中应用的前景展望

元宇宙融合了大数据、物联网、数字孪生、可穿戴技术、脑机接口等诸多新兴前沿技术，其在沉浸式数字教育中的应用已开始逐渐被人们所重视。元宇宙可以打破学习的地域限制，丰富在线教育学习资源，增加群体创造的机会，使学员的在线学习过程更加生动、有趣。元宇宙中的沉浸式数字教育在未来能够发展到何种程度也被人们广泛关注。作为人造的数字宇宙环境，元宇宙中可以产生混淆现实与虚拟世界的深度沉浸式体验，使得在线教育中的学习环境更真实；但是元宇宙不可能替代现实世界，在元宇宙中同样需要遵循现实世界的规则、伦理、法律。

医学教育元宇宙的落地实现和向前发展，不但需要用心理学、社会学知识，让数字同样充满人文情怀、具有“温度”，让元宇宙不再是 “冰冷的数字世界”。医学教育元宇宙的发展也需要不断发展量子通信、数字加密等先进科学技术，从而使得在未来世界中越来越复杂的人员身份、社会交往、资产得到确认、保障，在元宇宙中构建出广泛、可靠的公信力。在医学教育元宇宙中还需要VR、AR 等前沿科学技术不断革新、发展，不断优化使用者的体验和沉浸感，同时需要利用人工智能推动完成医学在现实世界和虚拟世界的完美链接，并不断来供给优秀内容。民众所期待的沉浸式深度互动的肝胆外科学习模式在元宇宙中将得到实现。