虛擬仿真技術在醫學領域中的應用

梁 冉 ，余瑞琦 ，李 敏 ，江 華 ，2*

（1.湖北文理學院醫學院，湖北 襄陽 441053；2.襄陽市中心醫院/湖北文理學院附屬醫院，湖北 襄陽 441021）

虛擬仿真技術最早可追溯到20世紀50年代，一開始被美國軍方用于對飛行員和宇航員的模擬訓練。隨著社會不斷進步和科技不斷創新與發展，虛擬仿真技術逐漸轉向民用，歐洲及一些發達國家將其應用于工業、科技、交通、醫療及教育等領域。近年來，國內外虛擬仿真技術在醫學領域中的應用均取得了巨大成果。從2010年到2019年，國務院和教育部出臺了一系列相關政策，大力提倡高校建立虛擬仿真實驗中心，虛擬仿真技術在教育領域的應用引起了研究人員的關注，使虛擬仿真技術的研究熱度逐漸上升。現將虛擬仿真技術應用于醫學領域的研究現狀、面臨的問題報告如下。

1 虛擬仿真技術在醫學領域應用的文獻檢索結果分析

通過內容分析法，以中國知網為平臺進行高級檢索。把“虛擬仿真”和“醫學”作為關鍵詞進行檢索，并對相關文獻進行擴大檢索，選取專業期刊中2010年至2019年共284篇文獻作為分析樣本。最后決定從文獻數量年份變化、期刊來源、文獻研究內容分布3個方面，利用Excel 2007軟件進行統計歸納，最后生成圖表[1]。

1.1 文章數量分布

通過檢索發現，2010年以前關于虛擬仿真技術應用于醫學領域的相關文獻數量較少，在2015—2016年和2017—2018年文獻數量增長明顯。這種快速增長趨勢主要得益于教育部加大重視和學者的關注，見圖1。

1.2 期刊來源情況

圖1 “虛擬仿真技術”相關文獻篇數逐年分布圖

由于期刊種類繁多，通過對載文量大于4的期刊進行統計分析，發現教育領域期刊居多，主要應用于高校醫學基礎教育階段，而臨床實踐階段應用成果不足，見表1。

表1 期刊載文量統計

1.3 研究內容

把檢索到的文獻按內容分為6類，見圖2。調查結果顯示，關于理論介紹和應用研究的文獻占比較多。據數據統計顯示，這兩類文獻自2015年后增長明顯，而關于現狀分析和工具介紹的文獻數量相對較少。這既說明虛擬仿真技術研究不斷深入，也說明虛擬仿真技術在醫學應用中形成了相對完善的平臺，尤其是在醫學教育方面，促進醫學教學模式不斷改革創新。

圖2 研究內容分布圖

2 國內虛擬仿真技術在醫學領域中的應用研究

通過對檢索到的文獻進行統計分析發現，目前國內虛擬仿真技術主要應用在醫學領域的醫學教育、臨床診斷、口腔醫學、虛擬手術、遠程醫療、中醫、康復治療、心理治療、實驗與科研方面。

2.1 醫學教育

醫學教育不僅存在服務對象的特殊性，在教學過程中更存在生物安全、教學成本、教學環境等復雜的現實問題[2]。在基礎醫學教育中，通過構建不同學科的虛擬仿真實驗教學平臺和相應的管理系統，能實現師生在線互動且大大提高學生的積極性和主動性；在臨床實踐中，虛擬仿真技術被廣泛應用，通過構建不同的病理模型和外科手術場景，實現學生在實習期間零距離接觸手術；婦產科方面，當前市場已出現第四代虛擬胸腹腔手術培訓系統和婦科機器人手術；兒科方面，信息化Sim Baby模擬病房和育兒箱模擬訓練系統，能夠幫助醫護人員掌握嬰幼兒的護理與治療[3]；作為醫院兩大輔助學科的醫學檢驗和醫學影像，使用的大多數是高精尖儀器，教學過程中學生能接觸的概率幾乎為零，而構建虛擬仿真學習平臺恰好彌補了這一不足。

2.2 臨床診斷

診斷學是基礎醫學和臨床醫學的橋梁學科，也是醫學生的一門必修課，其中問診是醫生在臨床診斷中的第一步，對患者疾病診斷以及下一步治療至關重要。但是目前疾病的發生受多因素影響，所表現的癥狀也各有不一，想要尋找一個相對標準的患者是比較困難的。利用虛擬臨床問診系統，例如大葉性肺炎診療[4]與腸道致病菌分離鑒定[5]虛擬仿真系統，通過構建臨床虛擬電子病歷，不僅可以鍛煉學生臨床診斷能力，還可以鍛煉學生電子病歷書寫與保存能力，使臨床收獲的大數據得以儲存，進而挖掘更多的科研數據。

2.3 口腔醫學

隨著口腔醫學的發展，傳統的經驗式教學模式已經滿足不了學生的學習需求，再加上實驗條件落后導致教學效果差強人意，學生的學習效率不高并且學習質量也難以保證，這時虛擬仿真技術在口腔醫學教學、考核、自主學習上的優勢就很明顯了。如在口腔操作技能中扮演重要角色的KaVo仿真頭模，可以幫助學生練習口鏡的使用等[6]。也有學者通過實驗證明在齲病實驗課中聯合應用Simodont系統和KaVo仿真頭模可較單一培訓系統更好提升學生齲洞制備的考核成績，并指出這是一種值得推廣的教學模式[7]。但值得注意的是，想要構建綜合口腔虛擬仿真實驗平臺成本是比較高的，需要院校之間合作完成。

2.4 虛擬手術

國內將虛擬仿真技術運用于手術是比較早的，早在2009年就有學者提出構建半導體激光角膜熱成形術的虛擬仿真系統，用于當時還沒有很好解決方案的高度遠視的治療[8]。在虛擬盆腔手術系統中，臨床醫生可以進行虛擬操作、術前規劃及提前預測術中可能遇到的問題，從而優化盆腔手術方案[9]。在開顱手術中，臨床缺乏可視化工具并無法評估術后影響，有學者提出構建開顱手術仿真系統，模擬開窗區域規劃、手術入路、虛擬切割等過程，對不同解剖結構生成關鍵區域影像，能夠給醫生嘗試不同方案的機會、評估手術方案優劣、降低手術風險、提高手術精準度[10]。將三維可視化技術運用于肝癌切除術，能夠顯著提升術前規劃和術中導航水平[11]。近年來，虛擬手術仿真系統正逐漸完善，在訓練手術操作的同時，也開始注重理論知識的考核測評。

2.5 遠程醫療

遠程醫療是把手術機器人作為載體，利用高速網將醫生的動作進行傳輸，實現對患者遠程實施手術，整個過程需要精密的遠程通信和虛擬仿真設備。在醫生端口，通過虛擬仿真設備對手術環境進行增強，對虛擬患者實施手術操作，遠程端的手術機器人根據傳輸的指令執行手術任務。它有效解決了醫療資源分布不均和地理位置制約的問題，但是對醫院設備要求高，一般小型醫院不支持遠程治療，同時在虛擬空間里操作和手術機械化方面也存在很多不確定性風險。現階段構建遠程虛擬手術仿真實驗系統，主要是從醫學圖像分析、三維重建、簡單手術操作等方面實現醫生的遠程手術指導和醫療培訓，為之后具體的遠程手術操作奠定基礎[12]。

2.6 中醫

河南中醫藥大學利用虛擬仿真技術構建了中醫藥虛擬仿真實驗教學中心，由中醫基礎、針灸推拿和中醫臨床3個模塊構成[13]，能夠滿足學生基本學習需求。此外，上海中醫藥大學研究的中國二維針灸穴位人以及天津中醫藥大學的經穴數字模擬人都構建了二維人體針灸模型和良好的人機交互系統，促進了針灸教學改革。目前，中醫的應用范圍越來越廣，而將虛擬仿真技術應用到中醫領域也促進了中醫的普及和發展。

2.7 其他醫學領域

虛擬仿真技術還可應用于康復治療、心理治療以及實驗與科研。虛擬仿真系統能夠有效避免康復治療過程中治療場地限制、過程單一、方式統一的弊端，使患者的視、聽、觸覺都能沉浸到治療環境中，進行個性化、精準化治療。在心理治療中，將仿真系統、模擬環境和視景系統相結合構建一個適合患者的治療環境。研究表明，基于虛擬仿真技術的輔助療法能有效減輕患者焦慮和抑郁癥狀[14]。此外，由北京理工大學光電學院團隊研發的VR心理舒緩儀器與神舟十二號飛船一起飛上太空，并且在太空中完成了給航天員放松的任務。目前高校教育越來越重視學生科研思維與實驗能力的培養，在研究生階段，實驗與科研能力更是決定學生能否畢業的重要指標。將虛擬仿真技術運用于對學生實驗與科研能力的培養中，能使學生反復練習實驗流程及操作，并且可以通過自主設計實驗提高創新能力[15]。

3 國外虛擬仿真技術在醫學領域中的應用研究

虛擬仿真技術在國外各領域中的應用研究更加多樣化。在醫學教育方面，最具代表性的就是2003年美國林登實驗室開發了一個名叫Second Life（SL）的項目。它主要探究學生在虛擬現實世界里能夠得到怎樣的教育和成長，學生可以像在角色扮演游戲中一樣，選擇一個角色之后進行相應學習。SL在西方發達國家的市場占有率非常高[16]。此外，美國的20所頂尖大學和印度甘露大學進行虛擬仿真項目合作，有效利用甘露大學的遠程教育網絡，使甘露大學啟動了一批虛擬仿真項目，實現了資源合理利用及共享[17]。

在臨床實踐方面，國外正在從虛擬仿真應用平臺開發轉向對用戶使用效果評價的研究。Victoria等將虛擬仿真技術應用于護理學生的靜脈穿刺訓練中，并且把學生隨機分為兩組，對照組采用傳統教學方法進行教學，實驗組采用虛擬仿真技術模型進行培訓，隨后讓這些學生在真實患者身上操作，最后根據指標進行評價，結果證明實驗組學習效果優于對照組[18]。也有學者就血管內模擬訓練系統進行研究，理論上血管內手術模擬可以為學生提供實踐與學習經驗，最后結果證明虛擬仿真系統在血管內訓練中應用具有有益作用，但是并沒有證據表明虛擬仿真系統可以明顯改善患者預后[19]。同樣關于血管內程序優化，有團隊開發出了具有先進的觸覺、動態成像和生理控制的全物理仿真器，這一領域最新的發展是構建了完整的體系，使整個血管內團隊能夠完全沉浸式進行模擬訓練以及團隊的危機資源管理，而對于這些技能進行客觀評價的必要工具正在開發中[20]。

在臨床治療方面，國外主要著重于低頻率、高風險、對技術要求較高的手術的研究。比如將虛擬仿真技術運用于MIS（微創手術），尤其是胎兒手術中的TTTs（雙胎輸血綜合征）[21]。面對這類手術一般臨床醫生都沒有經驗，就需要一種高特異性手術培訓系統達到練習目的。作為國外虛擬仿真技術最發達領域之一的耳鼻喉科學，其中耳鏡檢查是一種常規程序，也是幾乎所有醫生必備的一項關鍵技能，近年來也出現了許多評估工具和模擬器[22]。還有學者提出構建虛擬仿真訓練器的主要挑戰就是需要為用戶提供真實的觸覺或觸覺反饋，增強訓練器中的VS系統。隨著新平臺開發，還需要不斷完善相關性能，例如時效性，可以應對新出現的問題（災難、傳染病爆發等）；可移動性，能夠有效分享虛擬成果，支持訓練器的廣泛使用；智能性，能夠根據學生過去的學習反饋情況進行相應的模擬實驗修改[23]。最后在發展和完善模擬訓練器時，必須要確定相比于傳統方法，是否達到了更好的效果。

4 目前研究情況及面臨的挑戰

本次調查結果顯示，國內醫學領域對于虛擬仿真技術的研究主要集中在構建綜合性的虛擬仿真實驗教學中心以及探索新型的平臺構建模式和教學方式；國外的研究主要是對虛擬仿真系統學習效果進行評價，制作相應的評價表或者開發另一個用來評價的虛擬仿真系統。從文獻數量分布來看，國內虛擬仿真技術的研究呈現穩步增長趨勢，但很多研究還停留在理論討論階段，關于應用開發及相關技術的介紹較少，對教育教學效果還需進一步確定，和發達國家相比還有一定距離。

目前市面上的虛擬仿真設備普遍存在體積大、較為笨重的特點，使用者體驗不佳，并且由于人類眼睛解剖學特點，會產生輻輳—調焦沖突，長時間佩戴設備容易產生眩暈[24]。構建一個虛擬仿真系統需要專業的公司進行程序編寫和三維建模，具有耗時長、成本高、制作復雜等特點，還有可能做出的系統與學校期望不符[25]。各高校之間資源相對封閉，資源不能共享，使得地區之間的差距更加明顯，不利于國家整體醫療水平的提高，并且對于市面上的虛擬仿真平臺，沒有統一的管理體系，質量得不到保障。教師的教學方式沒有隨著虛擬仿真技術的應用而提高，也沒有明顯提高學生的學習效率和發揮虛擬仿真技術的優勢[26]。對于已應用于臨床的虛擬仿真技術，缺乏充足的證據證明患者的愈后情況及生存質量是否得到改善和提高。虛擬仿真系統為學生創造了一個相對安全的學習空間，允許學生有機會嘗試和失敗，而不會受到打擊和嘲笑，這就容易讓學生產生一種“我可以有下一次”的定向思維，反而忽略了臨床中復雜的現實問題和對學生心理素質的要求[27]。

5 發展與展望

虛擬仿真技術已成為醫學教學改革中的重要技術之一，它與醫學領域的進一步融合，推動了教育的發展、人才的培養以及資源的有效利用。隨著5G時代的到來，虛擬仿真技術勢必會成為主流，逐漸融入人們的學習和生活中，因此在未來的平臺構建中，要實現資源共享、醫教共建、校企合作、校校合作等，加強虛擬仿真教學向經濟欠發達地區普及，使有限的資源最大化利用。構建一個虛擬仿真平臺不是掛幾個牌子、申請幾個項目那么簡單[28]，要避免華而不實，應從用戶出發，加入動畫與視頻，讓學生把學習當成一場旅行，鼓勵更多的主體參與其中。在實際教學中，不能過分依賴虛擬仿真技術，教師仍是課堂的主導，只是教師需要在新的教學環境中和學生共同探索新的教學方式，例如進行角色分工、角色互換、團隊協作等。還應當注意虛擬仿真系統可能對學生造成“錯誤的安全感”，可以在教學過程中展示因為操作不當或搶救措施不當所導致的嚴重后果，提高學生的重視程度。

未來的虛擬醫學領域必將是一個綜合性領域，在關注虛擬仿真技術的同時，還應當關注虛擬現實技術、增強現實技術、人機交互技術、可視化技術、3D打印技術等，最好能對不同的技術進行交叉運用。虛擬仿真在教育領域的運用中，還應該考慮對教學效果的測評，開展實時監測與數據統計，促進教學效果的提升和平臺的完善。未來的研究應該是探索更多的應用領域和使用途徑，研究在何種課程中何時使用以及如何使用才能更好地利用虛擬仿真技術。除此之外，如何進行評價也是當前需要解決的問題，包括對設計開發的評價、學習效果的評價、教學模式的評價、系統規范化的評價等。未來，隨著虛擬仿真技術水平的不斷提升以及各種技術的不斷融合，會有越來越多的人從虛擬仿真技術中獲益。