虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育中應(yīng)用的前沿與趨勢(shì)

張志常，婁 巖

(中國(guó)醫(yī)科大學(xué)公共基礎(chǔ)學(xué)院計(jì)算機(jī)教研室，遼寧 沈陽 110122)

隨著5G時(shí)代的到來，虛擬現(xiàn)實(shí)等新一代信息技術(shù)已呈現(xiàn)跨越式的發(fā)展。5G+虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將會(huì)為教學(xué)理念、教學(xué)平臺(tái)與載體的發(fā)展帶來突破性的進(jìn)展。為此，對(duì)該領(lǐng)域國(guó)際重要期刊發(fā)表的出版物進(jìn)行分析與解讀，研究其前沿和趨勢(shì)，對(duì)我們?cè)卺t(yī)學(xué)教育中借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來進(jìn)一步獲得創(chuàng)新性的突破具有啟示作用。

1 研究方法

設(shè)置檢索式為：“TS=(Virtual Reality OR VR OR AR OR Augmented Reality) AND TS=(Medical education OR Medicine education)”，時(shí)間跨度為所有年份，檢索日期為：2020年11月6日。從Web of Science 核心合集中檢索到該主題研究文獻(xiàn)818條，作為分析和繪制知識(shí)圖譜的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。使用文獻(xiàn)計(jì)量在線分析平臺(tái)(http://bibliometric.com/)、CiteSpace和VOSviewer軟件進(jìn)行知識(shí)圖譜分析，并結(jié)合文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)方法，研究該領(lǐng)域文獻(xiàn)的發(fā)文量、國(guó)家、機(jī)構(gòu)、期刊整體分布[1]。然后對(duì)該領(lǐng)域文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行共被引分析與可視化，討論高被引文獻(xiàn)與知識(shí)基礎(chǔ)。最后，用繪制共被引文獻(xiàn)聚類圖譜和分析突發(fā)關(guān)鍵詞的方法揭示該研究領(lǐng)域的主要聚類、演進(jìn)路徑、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)、前沿趨勢(shì)和研究熱點(diǎn)[1-3]。

2 文獻(xiàn)知識(shí)圖譜分析

2.1 文獻(xiàn)年度分布

近20年來，國(guó)際上將虛擬仿真應(yīng)用于醫(yī)學(xué)教育的研究文獻(xiàn)每年呈穩(wěn)步上升趨勢(shì)，如圖1所示。該領(lǐng)域研究始于2000年，到2003年每年文獻(xiàn)出版數(shù)量都在10篇左右，說明關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域中的應(yīng)用處于起步階段。自2004年開始，文獻(xiàn)出版數(shù)量以較快速度增長(zhǎng)。尤其是2018年至今，每年該領(lǐng)域的研究論文接近100篇，說明隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展以及其本身具有沉浸感、交互性及多感知性等特征，使其廣泛應(yīng)用于教育領(lǐng)域成為現(xiàn)實(shí)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用將會(huì)從教學(xué)課件、教學(xué)平臺(tái)及教育技術(shù)的進(jìn)步到教學(xué)思想的轉(zhuǎn)變發(fā)揮更大的作用，由此越來越多的學(xué)者關(guān)注虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在該領(lǐng)域的發(fā)展。

圖1 該研究主題歷年出版文獻(xiàn)數(shù)

2.2 國(guó)家/地區(qū)分布

該研究文獻(xiàn)發(fā)表在63個(gè)國(guó)家或地區(qū)，國(guó)家/地區(qū)之間的合作關(guān)系如圖2所示。排名前10的國(guó)家(如表1所示)是美國(guó)(11 152篇)最多，接下來分別是加拿大(2 645篇)、英國(guó)(2 356篇)、德國(guó)(967篇)，可見美國(guó)在該領(lǐng)域研究中占據(jù)主導(dǎo)地位。在研究機(jī)構(gòu)中，影響較大的包括多倫多大學(xué)、哥本哈根大學(xué)、韋仕敦大學(xué)、華盛頓大學(xué)以及哈佛大學(xué)。中介中心性最高的是多倫多大學(xué)和哈佛大學(xué)，說明這些機(jī)構(gòu)在該主題的研究走到了前列，對(duì)科技前沿具有很高的敏銳性。

表1 發(fā)文量排名前10的國(guó)家/地區(qū)與機(jī)構(gòu)

我國(guó)在將新一代信息技術(shù)融入醫(yī)學(xué)教育中與推進(jìn)“醫(yī)工融合”已經(jīng)做出了一些嘗試，但目前我國(guó)高校和研究機(jī)構(gòu)沒有一所進(jìn)入前10名，說明和發(fā)達(dá)國(guó)家的差距仍然很大，各高校與研究機(jī)構(gòu)還應(yīng)積極落實(shí)國(guó)家十四五規(guī)劃，加快新技術(shù)研究與科研成果轉(zhuǎn)化落地。

圖2a 國(guó)家/地區(qū)合作網(wǎng)絡(luò)

圖2b 機(jī)構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)圖2 該研究主題國(guó)家/地區(qū)與機(jī)構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)關(guān)系

2.3 期刊發(fā)文量及高被引期刊分析

該主題研究發(fā)表在343個(gè)期刊中，如表2所示，排名前10的期刊是ANAT SCI EDUC(43篇)最多，接下來分別是J SURG EDUC(42篇)、SURG ENDOSC(28篇)，這些期刊是該主題研究的重要載體。學(xué)術(shù)期刊相互之間的引用關(guān)系可以表征這一研究領(lǐng)域中知識(shí)交流的情況，其中引文形成了知識(shí)前沿，被引文獻(xiàn)組成了知識(shí)基礎(chǔ)。本研究中被引用次數(shù)最高的期刊是ANN SURG和SURG ENDOSC(316次)，其次是AM J SURG(311次)。對(duì)高被引期刊進(jìn)行分析，高影響因子的期刊是ANN SURG(IF 10.13)，排名前10的高被引期刊其學(xué)科領(lǐng)域?yàn)橥饪茖W(xué)或?qū)W科教育，說明該主題研究的理論基礎(chǔ)主要來源于外科學(xué)和學(xué)科教育等領(lǐng)域。

表2 排名前10的高發(fā)文量期刊和高被引期刊

2.4 高被引文獻(xiàn)分析

參考文獻(xiàn)分析是文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)最重要的指標(biāo)之一，對(duì)檢索到的818篇文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行共被引分析，生成共被引圖譜如圖3所示。其中，具有高被引頻次的文獻(xiàn)表示它們?cè)谠撗芯款I(lǐng)域具有重要的影響力，表3列出了被引超過20次的文獻(xiàn)。Seymour NE(2002)共被引頻次最高，為41次。

Seymour NE(2002)與Grantcharov TP(2004)先后使用虛擬現(xiàn)實(shí)手術(shù)模擬系統(tǒng)對(duì)住院醫(yī)師開展了腹腔鏡膽囊切除術(shù)訓(xùn)練，并通過隨機(jī)對(duì)照實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)了VR手術(shù)模擬是訓(xùn)練腹腔鏡手術(shù)技能的有效工具，顯著提升了醫(yī)師的手術(shù)水平，提出基于虛擬現(xiàn)實(shí)的培訓(xùn)方法可應(yīng)用于醫(yī)生的評(píng)估、培訓(xùn)和認(rèn)證等多種場(chǎng)景[4-5]。

Gallagher AG(2005)提出將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)成功地整合到外科訓(xùn)練計(jì)劃中需要考慮的實(shí)際問題，包括：客觀地評(píng)估與學(xué)習(xí)體驗(yàn)相關(guān)的技術(shù)技能；績(jī)效指標(biāo)應(yīng)與正在培訓(xùn)的手術(shù)任務(wù)相關(guān)；嚴(yán)格定義手術(shù)熟練標(biāo)準(zhǔn)；建議采取間隔的模擬訓(xùn)練計(jì)劃[6]。

Reznick RK(2006)在新英格蘭發(fā)表的綜述文章《外科手術(shù)技能訓(xùn)練-風(fēng)向變了》一文中，確認(rèn)了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有增加手術(shù)技能培訓(xùn)的潛力，并通過計(jì)算機(jī)測(cè)量手術(shù)精度、準(zhǔn)確度和錯(cuò)誤率。也提出虛擬現(xiàn)實(shí)腹腔鏡模擬器確實(shí)可以提高住院醫(yī)師的解剖速度、減少手術(shù)錯(cuò)誤，對(duì)學(xué)習(xí)者有益。他提出，要充分利用信度和效度的評(píng)估工具，如OSATS和MISTELS來建立以能力為基礎(chǔ)的教育和評(píng)估體系，建議住院醫(yī)生先進(jìn)行基于模擬器的訓(xùn)練，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)并證實(shí)其手術(shù)技術(shù)的熟練程度后，才可以參與對(duì)患者的手術(shù)[7]。

Cook DA(2011)針對(duì)醫(yī)療衛(wèi)生專業(yè)教育中使用虛擬現(xiàn)實(shí)模擬器進(jìn)行醫(yī)師培訓(xùn)的有效性做了一次全面的薈萃分析，Meta分析結(jié)果揭示了虛擬模擬訓(xùn)練與醫(yī)師知識(shí)、技能和行為的提升效果相關(guān)[8]。

Moro C(2017)評(píng)估了利用虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)解剖學(xué)的有效性，認(rèn)為其可以提高學(xué)習(xí)者的沉浸感和參與度，是補(bǔ)充解剖課程的有效手段[9]。

表3 該主題研究高被引文獻(xiàn)

圖3 該主題研究文獻(xiàn)共被引圖譜

2.5 聚類分析

參考文獻(xiàn)共被引聚類展示了研究的子領(lǐng)域、知識(shí)演化路徑與銜接節(jié)點(diǎn)，以該主題研究共被引文獻(xiàn)為基礎(chǔ)進(jìn)行聚類分析，聚類設(shè)置參數(shù)如下：#Years Per Slice=5，Top N%=2%，采用Pruning裁切算法。聚類結(jié)果如圖4所示。衡量聚類效果的參數(shù)包括Modularity值和Silhouette值。結(jié)果中，Modularity Q 得分為0.8391，大于0.5，這意味著網(wǎng)絡(luò)被合理地劃分為松散耦合的集群。The average silhouette得分為0.5485，大于0.5，表明這些聚類的同質(zhì)性是可以被接受的。將從文獻(xiàn)中提取的關(guān)鍵詞做聚類標(biāo)記。形成的主要研究聚類有本科教育 (#0 undergraduate education)、腹腔鏡檢查(#1 laparoscopy)、培訓(xùn)(#2 training)、用戶計(jì)算機(jī)接口(#3 user-computer interface)、臨床能力(#4 clinical competence)、解剖(#5 dissection)、神經(jīng)內(nèi)鏡(#6 neuro endoscopy)、需求評(píng)估(#7 needs assessment)、學(xué)習(xí)策略(#8 learning strategies)、耳科(#9 otology)、教育技術(shù)(#10 educational technology)、跨專業(yè)教育(#11 interprofessional education)、喉(#12 larynx)、胎兒生物識(shí)別技術(shù)(#13 foetal biometry)、微創(chuàng)手術(shù)(#14 minimally invasive surgery)共15個(gè)聚類。

圖4 共被引文獻(xiàn)聚類視圖

如圖所示，過去二十年的研究聚類從時(shí)間線上大致分為三個(gè)階段。早期是探索階段，虛擬現(xiàn)實(shí)與計(jì)算機(jī)接口技術(shù)的研究是構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的關(guān)鍵指標(biāo)，另外基于虛擬現(xiàn)實(shí)的模擬器訓(xùn)練是否能夠提升醫(yī)學(xué)生臨床能力的相關(guān)討論，也是該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。當(dāng)研究已經(jīng)明確VR模擬訓(xùn)練可以有效提升學(xué)生的臨床技能后，進(jìn)入了第二個(gè)拓展深化研究階段，就是將VR技術(shù)作為新的教育技術(shù)與醫(yī)學(xué)各專業(yè)相互融合并廣泛應(yīng)用的階段，通過對(duì)醫(yī)學(xué)生本科教育的探索和結(jié)合，其中包括面向腹腔鏡、解剖、神經(jīng)內(nèi)鏡、耳、喉及胎兒生物識(shí)別技術(shù)等的VR模擬培訓(xùn)系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，文獻(xiàn)Gurusamy K(2008)、Larsen CR(2009)、Sroka G(2010)、Brown PM(2012)、Cohen AR(2013)與LeBlanc J(2013)是關(guān)鍵銜接節(jié)點(diǎn)。第三個(gè)階段VR新技術(shù)應(yīng)用與教育新思維形成階段，從2018年到現(xiàn)在，該領(lǐng)域研究已經(jīng)轉(zhuǎn)向到更深入的階段，包括學(xué)習(xí)策略與跨專業(yè)教育的進(jìn)展，文獻(xiàn)Liaw SY(2018)與Bissonnette V(2019)起到了關(guān)鍵銜接節(jié)點(diǎn)的作用。

2.6 關(guān)鍵詞共現(xiàn)疊加圖譜

實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵詞的疊加共現(xiàn)圖譜方法是首先生成全時(shí)間段的關(guān)鍵詞共現(xiàn)底圖，然后劃分突現(xiàn)關(guān)鍵詞的發(fā)展階段并將其疊加到底圖上，形成該圖譜如圖5所示。通過高突現(xiàn)關(guān)鍵詞，可以探知各不同階段的研究熱點(diǎn)。

由圖5可知，2000-2003年出現(xiàn)的突現(xiàn)詞是“虛擬現(xiàn)實(shí)”，這表示有關(guān)虛擬現(xiàn)實(shí)的研究已經(jīng)開始進(jìn)入到醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域中。2004-2013年的突現(xiàn)詞為“計(jì)算機(jī)模擬”“腹腔鏡檢查”“外科教育”，說明基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的醫(yī)學(xué)技能訓(xùn)練模擬系統(tǒng)從腹腔鏡開始研究并拓展到外科各系統(tǒng)中，與外科訓(xùn)練緊密結(jié)合。2018-2020年熱點(diǎn)關(guān)鍵詞是“外科學(xué)”“增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)”，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與虛擬現(xiàn)實(shí)的區(qū)別是將虛擬現(xiàn)實(shí)與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景疊加，是更具創(chuàng)造力、交互方式更自然的技術(shù)。由此可以觀察到該領(lǐng)域研究熱點(diǎn)中，已不僅局限于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的運(yùn)用，更注重現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景與虛擬場(chǎng)景的相互融合。

圖5 該領(lǐng)域突現(xiàn)關(guān)鍵詞共現(xiàn)疊加圖譜

3 研究發(fā)現(xiàn)

從以上分析結(jié)果中可以看出，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域中應(yīng)用表現(xiàn)為：學(xué)習(xí)策略與跨專業(yè)教育，研究熱點(diǎn)是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的運(yùn)用。在此國(guó)際趨勢(shì)下，結(jié)合我國(guó)醫(yī)學(xué)教育中該領(lǐng)域的現(xiàn)狀進(jìn)行討論和分析。

3.1 教學(xué)策略與跨專業(yè)教育進(jìn)展

如虛擬現(xiàn)實(shí)及其人機(jī)交互功能等智能技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，極大地推動(dòng)了數(shù)字化學(xué)習(xí)與主動(dòng)學(xué)習(xí)策略的實(shí)施。數(shù)字化教學(xué)策略的發(fā)展基于技術(shù)進(jìn)步，也基于以學(xué)生為中心的教學(xué)理念。VR技術(shù)平臺(tái)可以提供視覺感知、聽覺感知、言語感知以及感知信息處理與自然交互，當(dāng)基于VR的數(shù)字化學(xué)習(xí)策略與經(jīng)典醫(yī)學(xué)教學(xué)理念相互整合時(shí)，展現(xiàn)了基于應(yīng)用創(chuàng)新課程的多樣性并具備課程整合的吸引力。但是對(duì)具體情境下的數(shù)字化教學(xué)創(chuàng)新進(jìn)行測(cè)試和評(píng)價(jià)，是當(dāng)前數(shù)字化教學(xué)理念面臨的最重要的科學(xué)挑戰(zhàn)[10-12]。

對(duì)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教學(xué)策略研究，教育專家通過問卷調(diào)查、隨機(jī)對(duì)照研究的薈萃分析、將虛擬模擬器與視頻學(xué)習(xí)的對(duì)比研究，普遍得出結(jié)論是該教學(xué)策略可以提高醫(yī)學(xué)生的臨床決策能力、解剖學(xué)知識(shí)水平和提升醫(yī)學(xué)生信息技術(shù)素養(yǎng)，也驗(yàn)證了面向媒體感知的自主學(xué)習(xí)有效性。同時(shí)也提出應(yīng)該對(duì)學(xué)生滿意度、成本效益等因素加強(qiáng)進(jìn)一步評(píng)估[13-15]。

近年來，隨著跨專業(yè)教育課程的開發(fā)，教育專家不斷認(rèn)識(shí)到虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于跨專業(yè)教育的優(yōu)勢(shì)，并探索了基于VR的跨學(xué)科能力框架。他們組建了來自醫(yī)學(xué)、護(hù)理、營(yíng)養(yǎng)、藥劑學(xué)、物理治療和社會(huì)學(xué)專業(yè)的學(xué)生跨專業(yè)小組，讓小組參與虛擬姑息治療教育項(xiàng)目和以病人為中心的虛擬護(hù)理項(xiàng)目，發(fā)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)模擬可以增強(qiáng)小組成員對(duì)相互依賴角色的理解，參與者對(duì)跨專業(yè)教育和跨專業(yè)團(tuán)隊(duì)合作的態(tài)度有所改善，并認(rèn)為在未來的研究可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)中的人工智能技術(shù)來實(shí)現(xiàn)跨專業(yè)教育中基于團(tuán)隊(duì)的培訓(xùn)[17-18]。

這些研究揭示了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有獨(dú)特的跨學(xué)科能力，教育專家應(yīng)該在包括醫(yī)學(xué)、工程、社會(huì)科學(xué)和人文學(xué)科等學(xué)科中建設(shè)基于AR跨學(xué)科能力框架上達(dá)成共識(shí)，以有助于教育工作者開發(fā)跨學(xué)科項(xiàng)目與滿足專業(yè)人員終生培訓(xùn)需求[19]。由此，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已有效幫助跨學(xué)科教育向塑造整合式創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變。

3.2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等新技術(shù)應(yīng)用

AR也叫增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，可將虛擬世界與真實(shí)世界相結(jié)合，并提供全新的人機(jī)交互技術(shù)。我們觀測(cè)到近年來用于醫(yī)學(xué)教育中的AR技術(shù)開始呈現(xiàn)。

如Bork F(2020)與Henssen D(2020)分別研究了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在大體解剖學(xué)和神經(jīng)解剖學(xué)教學(xué)中的有效性。Bogomolova K(2020)認(rèn)為盡管3D技術(shù)在解剖學(xué)教學(xué)中效果顯著，但通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以更好地使學(xué)生提升視覺空間能力。上述等研究基本上解決了虛擬現(xiàn)實(shí)前期研究中出現(xiàn)的仿真度低、實(shí)訓(xùn)與內(nèi)容分割等問題，但仍沒有真正突破同時(shí)培訓(xùn)人數(shù)和時(shí)空限制，以及臨床實(shí)訓(xùn)和解剖教學(xué)過分依賴高端設(shè)備支持的問題。

目前，隨著5G網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，由于5G核心網(wǎng)絡(luò)具有速度快、流量大、海量連接、延遲短、可靠性高和低耗能等特性，5G網(wǎng)絡(luò)將為VR業(yè)務(wù)提高帶寬和降低時(shí)延和成本提供有力保障。將虛擬醫(yī)學(xué)仿真教育通過5G網(wǎng)絡(luò)傳給用戶，可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)化、內(nèi)容云化和集中化，便于集中分發(fā)管理，將為醫(yī)學(xué)仿真系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化開辟了新的思路和技術(shù)支持。

在國(guó)內(nèi)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)教育已經(jīng)得到了教育部的高度重視，從《教師教育振興行動(dòng)計(jì)劃(2018-2022年)》《2019年教育信息化和網(wǎng)絡(luò)安全工作要點(diǎn)》《教育部關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見》和《教育部辦公廳關(guān)于2017-2020年開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》等文件中，可以看出虛擬現(xiàn)實(shí)教育將作為創(chuàng)新教學(xué)的改革方式，將會(huì)貫穿我國(guó)十四五規(guī)劃及未來的教育技術(shù)大變革，我們寫此文的目的是給國(guó)內(nèi)的教育工作者提供一些啟示。