基于虚拟现实的医学教育应用与设计研究

张文利 陈晨 王岳 沙琨

摘  要  虚拟现实技术的沉浸感、可交互、可重复、可逆等特性为新时代医学人才培养带来了新的可能，技术的进步使其在医疗教育培训中的应用越来越广泛。它不仅能够调动医学生的学习积极性与主动性，还可以提供实践场景，弥合理论与实践间的差距，提升医学生临床实践能力。对不同类型虚拟现实系统在医学教育中的应用进行系统分析，并以COVID-19临床诊疗为例进行设计，以期为医疗教育培训工作者提供参考。

关键词  虚拟现实；医学教育；医学生

中图分类号：E251.3    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2023）05-0036-04

0  引言

“健康中国”战略、 “大健康”理念对我国新时代医学人才培养提出新要求。确立“以新医科统领医学教育创新”为基本原则，深化医教协同，推动胜任力导向型教育改革，优化医学专业结构，促进信息技术与医学教育深度融合，培养一流医学人才，服务健康中国建设[1-2]。当前，医学院校以理论知识教学为主，医学生实操机会较少，面临实习成本高、风险大、操作不可逆等障碍，致使超过30%的医学生毕业生后仍无法独立进行手术[3]。

虚拟現实技术具备多感知性、沉浸性、交互性、自主性等特点，是有效的医学教学辅助工具，能为医学生提供低成本、低损耗、高安全、可重复的实践机会。随着信息技术的快速发展，虚拟现实技术在医疗行业教学培训中的应用越来越广泛。如何根据教学需求设计开发适合的虚拟临床场景程序以开展教学，是当前医学教育工作者面临的主要问题。

1  虚拟现实技术概述

虚拟现实技术是利用计算机技术、传感技术等构建逼真生动三维虚拟环境的技术，涉及计算机图形学、仿真技术、人机接口技术、传感技术等多学科。用户利用可穿戴设备实时以第一人称视角主动在虚拟环境中探索、交互[4-5]。

根据系统沉浸和交互强弱程度，虚拟现实可以划分为四种系统类型：桌面式虚拟现实系统、沉浸式虚拟现实系统、增强式虚拟现实系统和分布式虚拟现实系统。桌面式虚拟现实系统以计算机屏幕作为用户观察窗口，利用位置追踪器、数据手套、力反馈器等设备，支持用户与虚拟世界交互；沉浸式虚拟现实系统利用头戴式显示器能够实现虚拟世界与物理世界隔离，用户获得高度实时性、沉浸性的体验；增强式虚拟现实系统利用光学技术或视频技术将真实物理环境与虚拟环境组合在一起，用户可以在虚拟对象的帮助下加强对现实事物的认知；分布式虚拟现实系统是虚拟现实技术与网络技术发展和结合的产物，允许不同物理位置的用户在同一虚拟空间中协同交互。

不同类型的虚拟现实系统具有不同的优势，医疗教育培训工作者可以根据系统特点模拟不同病理状态、诊疗环境、术前训练、突发情况等，打破时间、空间壁垒，以智慧教育方式，激发医学生学习热情，提高其学习自主性，为提升医学生临床实践能力奠定基础[6]。

2  虚拟现实实践教学案例

2.1  桌面式虚拟现实系统：以腹腔镜手术虚拟训练系统为例

腹腔镜手术操作技能是医学生必须掌握的基础技能之一。为避免因操作不当致使患者受到不必要伤害，医学生必须参加腹腔镜操作培训。相较于传统腹腔镜手术培训的拟真度有限、缺乏精准评价指标、成本高，桌面式虚拟训练系统可以为腹腔镜手术培训提供低成本、高安全、可循环使用的培训

环境[7]。

腹腔镜手术虚拟现实模拟训练系统可以有效提升医学生腹腔镜手术实践能力。该系统依据真实的人体数据构建器官和病灶模型为医学生提供视、听、触、力反馈等多种交互，支持医学生操作手术器械，开展病灶切除、缝合、结扎等训练，并且能够针对医学生的操作开展精细化分析、评价与反馈。除了帮助医学生提高操作熟练度外，还能够提升医学生的临床诊断能力和最优治疗方案选择能力[8]。

2.2  沉浸式虚拟现实系统：以颅底肿瘤神经外科虚拟现实为例

颅底肿瘤神经外科手术操作空间小、临近血管和神经分布复杂，传统的教学方式存在一定问题，教师教学中应用的图片、视频、动画等多媒体教学方式不利于医学生建构神经系统三维空间结构；动物实验常用于人体实验替代，但是面临负迁移的风险；尸体标本稀缺、专业的神经外科解剖仪器昂贵，致使基于尸体的解剖操作成本较高且不可重复等，均阻碍医学生神经外科手术实践技能的提升，以至于医学毕业生的整体解剖能力没有达到安全的实践

水平[9-10]。

沉浸式虚拟现实系统为医学生提供沉浸的知识学习环境，体验式学习有助于其对知识的理解及深层记忆，还有助于提升医学生的批判性思维、临床诊断能力和手术技能。研究表明，虚拟现实技术辅助神经外科教学可以缩短学习曲线、减少神经学习恐惧、增加知识保留，是神经外科教学有效的辅助工具。虚拟现实技术支持医学生旋转、缩放、分割三维虚拟人体器官模型，立体化学习颅骨解剖结构；呈现真实病例，医学生可以多角度观察肿瘤位置、特征、与神经和血管之间的关系等，预演多种手术方案，通过手术预演帮助医学生做出最佳手术路径规划、选择的决策[9-10]。

2.3  增强式虚拟现实系统：以骨科手术中增强式虚拟现实导航为例

骨科手术中，经皮骶髂螺钉固定时螺钉定位错误率较高，放置不正确会导致严重的并发症。增强式虚拟现实系统利用光学技术、图像分析、角度精算等将虚拟世界与现实世界融合，能够有效提高骨科医生手术精准性，缩短手术时间、减少辐射

暴露。

当前，一些专家或研究机构采用增强式虚拟现实导航系统开展骨科手术，例如Wang Huixiang[11]使用此类系统在尸体标本中精准插入经皮骶髂螺钉。虽然大多数研究很少真正用于患者，但是仍证实了增强式虚拟现实导航系统的有效性。研究表明，基于Microsoft HoloLens 2的增强式虚拟现实系统可将放置髓内钉总时间缩短近36%[12]，利用增强式虚拟现实导航的脊柱固定手术，胸椎弓根螺钉放置准确率高达94.1%[13]。

2.4  分布式虚拟现实系统：以COVID-19背景下的远程医学教育虚拟现实为例

截至2020年8月，全球约有16亿学生受到因疫情防控而关闭学校的影响[14]，为了克服这一问题，联合国教科文组织建议使用远程学习方式开展线上教学[15]。由于医学知识抽象难懂、实践能力不可或缺，普通的在线课堂无法满足医学教育需求，不能进入解剖室实践是远程医学教育面临的最大问题之一。虚拟现实远程医学教育可以有效解决这一问题，它不仅允许世界各地的医学生随时随地观看虚拟器官模型、骨骼结构、病变过程等，还支持教师利用可穿戴设备向医学生讲授查房流程。

虚拟现实允许教师远程带领医学生开展实践，AS的研究中教师穿戴HoloLens眼镜进入病房，引导医学生观察患者、师生同步查看患者“全息图”检查报告等，允许医学生与患者远程交流，使用数字听诊器并共享听诊结果等[16]；基于远程虚拟现实系统，医学生对素材库中的数字尸体进行虚拟解剖，学习相关解剖技能[17]。远程医学教育虚拟现实能够提高医学生的参与度、满意度，得到教师与医学生的一致认可[18]。

3  基于虚拟现实技术的COVID-19临床诊疗

教学系统设计与开发

3.1  COVID-19臨床诊疗虚拟现实教学系统设计

COVID-19临床诊疗虚拟现实教学系统结构包括基础理论知识模块、临床实践模块和分析评价模块三部分，如图1所示。教学内容包括前期知识讲授、中期临床实践、后期分析评价三个模块，知识讲授模块主要讲述新冠肺炎的起源、特征、预防措施、传播途径、临床表现、治疗方法等；临床实践模块主要包括患者病情描述、体格检查、报告分析、病情诊断、治疗方案等。

医学生登录系统后，可以根据自己的学习需求自主选择学习模块，同时系统支持医学生暂停、前进、后退，依据自己的学习节奏进行个性化学习。除了知识学习外，医学生还可以在系统中进行实践，根据病例病情严重程度制定相应的治疗方案、练习手术技能；扮演医护角色或病人角色，体验不同的角色和流程，培养同理心，提高医患沟通能力。同时，系统允许教师实时监测医学生学习流程，教师也可以通过系统自动录制的医学生操作视频进行指导和反馈。

3.2  设备与软件选择

虚拟现实开发要用到游戏引擎和三维建模软件，模型制作、关卡设计、虚拟现实程序运行等均对电脑配置有较高的要求，资源开发者需要采用高显卡、高CPU和更大内存的设备，设计、运行虚拟现实程序。虚拟现实开发需要多种软件的配合，例如Unity 3D、UE4等游戏引擎和3dMax、Blander等三维建模软件，以及Ps、Ai、Sai等其他美术设计软件。不同的软件具有不同的优势和不足，开发者需要根据自己的需求选择合适的开发软件。

虽然Unity 3D上手难度较低，但渲染效果真实性较差，且引擎本身建立在虚拟机上，运行效率低。因此，开发者选择UE4软件开发COVID-19临床诊疗虚拟现实教学系统。UE4具有源代码开放、渲染质量高、上手容易等优点，是虚拟现实引擎最佳选择[19]。

3.3  内容呈现设计策略

3.3.1  医学专家、医学教育工作者、开发人员等同时参与系统设计

医学教育具备极高的科学性和严谨性。设计COVID-19临床诊疗虚拟现实教学系统，教育工作者参考相关的医学资料、数据等，医学专家和医学教育工作者对内容进行审核，确保教学内容的科学性和准确性。同时，教学设计者根据教学目标、医学生学习现状与学习进度，合理选择虚拟现实呈现的内容，从而精准帮助医学生理解、运用知识，提高实践能力。

3.3.2  根据教学需求确定虚拟系统的逼真度

系统中用于解剖学的虚拟内容采用高保真度的器官模型；用于手术流程学习的器械模型精确度不高，但能够清晰展示手术流程；用于培训手术技能熟练度和精确度时，为医学生提供精准的力反馈。系统采用了写实和卡通两种风格，满足不同的学习需求。其中，写实风格更接近真实世界，精细的模型和逼真的光影效果会为医学生提供高沉浸感的学习环境，此类资源的设计开发时间周期较长、终端配置要求较高，渲染速度较慢。卡通风格资源保真度低，但模型相对简洁，制作与渲染速度较快，高饱和度的色彩更突出重点内容，吸引医学生注意。

3.3.3  最大限度地减少文本阅读

系统采用模型或动画配合解说词等传递知识，帮助医学生开展实践；利用色彩、动画等突出内容重点，降低因阅读而产生的用眼负荷。

3.3.4  控制系统学习时长

研究表明大多数用户期望的虚拟体验时长平均约10分钟[20]，因此系统会根据知识点长度允许医学生暂时退出学习，并支持医学生休息后继续开展学习。由于部分知识内容模块超过10分钟，系统通过调整画面色彩的饱和度与明度为医学生提供良好的视觉体验。

3.3.5  运动与现实保持一致

为避免增加医学生的视觉压力、视觉疲劳，产生眩晕、晕屏等副作用，系统合理把控视觉转移速度，控制视点距离位于0.75～10米之间，保持虚拟运动与现实运动一致，帮助医学生获取舒适的沉浸式学习体验。

3.3.6  把控视觉效果与节奏

系统采用统一的设计风格，虚拟人物和虚拟事件的呈现在贴近现实基础上也要符合美学原则。开发者依据教学设计者的需求确定风格后，根据教学内容脚本绘制教学动画分镜脚本，标注摄影角度、光照效果、场景转换、景别变化、画面持续时间等，最优化呈现教学内容画面。

3.3.7  融入伦理道德因素

虚拟现实系统应当传递正确的伦理观念，给予医学生正向积极引导。系统设置学习情境时，允许医学生进行角色扮演，培养其同理心与沟通能力。

3.3.8  假設每个医学生都是虚拟现实设备使用新手

不是所有医学生都有虚拟现实体验经历。在正式上课前，系统呈现相关教学视频，帮助医学生掌握设备的使用方法，包括视角转换，手柄按键操作，暂停、跳过、退出操作。

4  结束语

虚拟现实技术为医学教育培训带来了新的可能，它不仅能够提高医学生的学习效率，还能够帮助医学生开展实践，实现技能的迁移。本文系统梳理了虚拟现实医学教育培训应用系统，总结了不同系统的优点及有效性，并系统阐述COVID-19临床诊疗虚拟现实教学系统设计过程及原则，希望能够为一线的医学教育培训工作者提供一定的参考和借鉴，进而推动胜任力导向型的医学教育变革。

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