基于感知可用性與設備可用性的虛擬現實醫療與康復產品設計研究

喬煜 胡正

摘要：通過結合感知可用性與設備可用性，探索虛擬現實技術在醫療與康復領域的設計機遇與風險，為后續的研究提供參考。利用VOSviewer數據分析與可視化工具對虛擬現實技術在醫療與康復領域的研究熱點進行分析，后結合感知可用性與設備可用性理論論述虛擬現實技術在醫療與康復領域的設計機遇與風險。得到虛擬現實醫療與康復產品設計的研究熱點及設計影響因素。在醫療與康復領域的虛擬現實技術產品在感知可用性與設備可用性兩方面有多種主客觀影響因素，且在社會倫理及技術發展方面仍有改善的空間。

關鍵詞：虛擬現實 醫療康復 感知可用性 設備可用性 產品設計 交互設計

中圖分類號：TB47 文獻標識碼：A文章編號：1003-0069（2022）11-0074-03

Abstract：By combining perceived availability and device availability，this paper explores the design opportunities and risks of virtual reality technology in the field of medical treatment and rehabilitation，so as to provide reference for follow-up research.Using VOSviewer data analysis and visualization tools，this paper analyzes the research hotspots of virtual reality technology in the field of medical treatment and rehabilitation，and then discusses the design opportunities and risks of virtual reality technology in the field of medical treatment and rehabilitation combined with perceived availability and equipment availability.The research hotspots and design influencing factors of virtual reality medical and rehabilitation product design are obtained.In the field of medical treatment and rehabilitation，virtual reality technology products have a variety of subjective and objective influencing factors in perceived availability and equipment availability，and there is still room for improvement in social ethics and technical development.

Keywords：Virtual reality Medical rehabilitation Perceived availability

Equipment availability Product design Interaction design

引言

虛擬現實技術是21世紀的新興交互技術，其在工業仿真、地產開發、應急救災、文化產業、教育教學與醫療康復等多領域均有實際運用。其中，醫療產品與康復產品開發中，運用成效十分顯著。國內外多個學者與研究機構都將虛擬現實技術引入醫療產品與康復產品之中，且取得了許多實質性成果。

近年來，虛擬現實在醫療與康復產品中的運用可行性已被多項學者證實，如危昔均等學者在《虛擬現實技術在國內臨床康復治療中的應用情況調查》中認為提升虛擬現實技術在提升趣味性、增強互動性、節省人力、功能導向和豐富內容等方面在康復領域中具有優勢[1]。王新等學者在《虛擬現實技術在災害救援醫療場景專科化訓練中的應用探討》中認為虛擬現實技術能在災后救援人員PTSD心理康復治療方面具有成效[2]。

因此，深入探索虛擬現實技術在醫療及康復領域的運用極具現實意義。為進一步深入探討虛擬現實技術如何能更好地在醫療與康復產品之中運用，本文將結合感知可用性與設備可用性的設計理論，探討虛擬現實技術在醫療與康復產品之中運用時的影響因素。

一、虛擬現實概念與產業發展現狀

虛擬現實技術，即Virtual Reality（簡稱VR），是一種集成了計算機圖形技術、多模態交互技術、計算機視覺識別技術、多媒體技術等的復合型新興技術。本質是以可穿戴設備為載體，利用計算機模擬一種可直接作用于用戶的感官感受，如：視、聽、觸、味、嗅等。用戶可沉浸于由計算機所構建的虛擬三維空間世界中，與該空間內的虛擬物體進行交互。

（一）虛擬現實在消費市場方面發展歷史與現狀。

當今市面上普遍所認知的消費級VR設備主要來自于傲庫路思（Oculus）公司在洛杉磯Oculus Connect conference大會上發布的VR頭盔原型機。其在2014年被美國臉書（Facebook）公司收購，隨后韓國三星公司（SAMSUNG）、日本索尼公司（SONY）、美國谷歌（Google）公司、中國HTC公司相繼推出自己的消費級VR設備。2021年10月，美國臉書（Facebook）公司宣布正式更命為Meta，并宣稱未來將基于虛擬現實等技術，把公司打造為一個元宇宙公司。由此可看出消費級虛擬現實產業發展正盛。

（二）虛擬現實在政府政策方面發展歷史與現狀。

成立于1950年的美國國家科學基金會（NSF） ，在NSF下轄的7個學部中，信息科學與工程（CISE）與計算機等學部投資了大量的虛擬現實技術研發項目。成立于1958年的美國國家航空航天局（NASA），已經建立了在空間站、航空航天與衛星維護等方面的VR訓練系統，以及可供全美國使用的VR教育系統[3]。中華人民共和國國務院于2016年12月發布的《“十三五”國家信息化規劃》中提到要加強包括人工智能、全息顯示與虛擬現實等在內的多項戰略性前沿技術發展。中華人民共和國工業和信息化部于2018年也發布了《工業和信息化部關于加快推進虛擬現實產業發展的指導意見》，其中提到要重點推進虛擬現實行業在制造、文化、教育、健康、商貿等領域的運用。

二、虛擬現實于醫療與康復領域應用現狀與研究熱點

（一）虛擬現實于醫療產品領域應用現狀。

虛擬現實在軍事航天、工業仿真、應急救災、文化產業、醫療康復等領域的應用都被給予很高的期待。早在1997年國內就有學者提出將虛擬現實技術投入醫療領域應用[4]。2019年9月，中華人民共和國民政部于《關于進一步擴大養老服務供給﹑促進養老服務消費的實施意見》中指出要優化老年用品供給，特別是醫療與康復智能機器人、老齡特化的虛擬現實康復訓練設備等產品的研發。虛擬現實技術現在已經充分運用于在醫療領域的多個方面，如有德黑蘭醫學大學研究表明利用虛擬現實多維仿真技術模擬“虛擬手術”可切實改善醫療教育[5]。不僅如此，在影視行業中，許許多多的醫療影視導演也對未來虛擬現實技術在醫療行業的運用做出了暢想，如圖1。由此可看出虛擬現實技術在醫療應用相關研究領域寬廣且經久不衰。

（二）虛擬現實于醫療產品領域研究熱點。

（1）研究方法。本文使用VOSviewer為研究工具，VOSviewer軟件是一款由尼斯揚·范埃克（Nes Jan van Eck）等人在荷蘭菜頓大學開發的數據分析與可視化軟件。其優勢在于能夠對相應文獻的發文趨勢、期刊與所涉學科、國家、地區與機構、學者分布等外部特征進行量化分析，并對該領域研究的演進脈絡進行系統梳理[6]。清晰地展示虛擬現實醫療與康復研究發展的宏觀概況和基本信息，最終呈現并分析虛擬現實醫療研究現狀、熱點話題、研究趨勢等問題。本文將從虛擬現實醫療與康復文獻發表情況與熱點趨勢進行分析，如圖2。

（2）研究數據。本文所用研究數據均來自于China Natoral Knowledgelnrestructure（后均簡稱CNKI）數據庫，使用CNKI數據庫，將主題設定為“虛擬現實醫療”與“虛擬現實康復”，日期設置為2018年12月1日至2021年12月1日，共檢索到459篇智虛擬現實虛擬現實與醫療康復交叉應用研究文獻，之后用VOSviewer軟件對所獲文獻進行轉碼處理，得到可供分析使用的樣本數據庫。

（3）研究結論。從數據分析內容中可得出（1）在醫療的方面，在醫學教育方面是近三年的研究熱點。（2）在物理康復方面，生活質量、上下肢康復機器人、平衡訓練、作業療法、與遠程康復是近三年該領域研究的關鍵詞。（3）在認知康復方面，輕度認知障礙、認知功能障礙研究頻率較高。

三、虛擬現實技術于醫療與康復領域實際運用優劣勢分析

（一）虛擬現實運用于醫療產品的技術優勢。

在技術層面上，虛擬現實技術因其存在交互性（interaction）、沉浸性（immersion）、想象性（imagination）的特性，具有信息擬真、可直觀交互、跨空間溝通、高趣味性、交互環境可控、標準化、可重復等特點，多被運用于多媒體教學、工業仿真、軍事航天、社交互娛、應急救災等方面。而這些特點與特性也在醫療領域也能得到充分體現。如在疼痛緩解方面，虛擬現實是一種減輕疼痛的有效方法，東京大學醫學部附屬醫院就將虛擬現實技術替代傳統的鏡像治療技術，并用于病患的幻肢疼痛的治療且取得了實質性的成果[7]。在心理康復方面，虛擬現實技術，被英國國民健康保險委員會（NHS）用于自閉癥兒童克服自身的心理障礙且接受治療的所有病患的病癥都得到了相應改善甚至治愈[8]。

（二）虛擬現實運用于醫療產品的技術缺陷。

在技術層面上，虛擬現實也具有一定的局限性。根據美國邁阿密大學的研究，虛擬現實技術會因運動感失衡、視覺輻輳調節沖突、視覺畫面缺乏深度信息，而讓老年人產生如暈眩、惡心、嘔吐等生理性不適[9]。網絡技術也是制約虛擬現實技術發展的又一因素，網絡信號不穩定、信息的輸入與輸出產生延遲都會導致虛擬現實用戶的體驗感降低。在虛擬現實設備的輸入輸出模塊方面，盡管可通過可穿戴傳感器、生物電信號捕捉貼片等手段較好的捕捉觸覺運動信息，但在觸覺、嗅覺、味覺信息輸出端方面，仍缺乏經濟方便的消費級技術設備。期待虛擬現實產業相應技術的發展。

四、感知可用性與設備可用性

可用性的評價體系主要為感知可用性（主觀維度）和設備可用性（客觀維度）兩大類。將用戶使用產品時的主觀感受作為可用性評價指標、稱之為感知可用性[10]。感知可用性往往用于衡量用戶的主觀體驗和心理感受。設備可用性通常用于評估用戶的任務完成程度和目標達成效果。本文從感知可用性（主觀維度）和設備可用性（客觀維度）對虛擬現實技術于醫療與康復產設計影響因素進行統合分析評價。

五、基于感知可用性與設備可用性的虛擬現實技術于醫療與康復產品交互設計研究

本文利用可用性的評價體系從主客觀維度對在虛擬現實技術于醫療與康復產設計中的復雜設計問題與機遇進行劃分，如表1。

（一）虛擬現實運用于醫療產品設計。

（1）在設備可用性層面上，虛擬現實設備的輸入與輸出模塊作為智能可穿戴產品，不僅需要滿足人體面部的基礎人機尺度、并具有良好的普適性與通用性，而且需符合可穿戴產品輕巧貼身、傳感精確、發放互通、實時鏈接的設計原則[11]。例如虛擬現實眼鏡需考慮人體頭部多方位多維度的旋轉，從而讓用戶面部在六自由度運動的情況下仍能保持良好且舒適的佩戴。此外，虛擬現實可穿戴設備因重量大、透氣性差、自身發熱等特點亦會導致佩戴不適。虛擬現實眼鏡設備因為顯示器工作時自身會散發熱量，并使用戶的面部在較封閉的眼鏡空間中形成儲熱微環境，從而造成主觀熱舒適度的降低[12]。

同時，虛擬現實醫療設備作為醫療產品中的一個分支，也需要考慮設備在醫療產品設計中的安全性、舒適性、有效性設計原則。虛擬現實醫療產品作為面向消費者的產品本身同樣需要對其色彩材質表面（CMF）及情感化體驗考慮。虛擬現實設備在醫療環境下材質的抗菌性、親膚性及柔軟性、結構的易清潔性、以及顏色是否能很好地融入醫療環境之中都是設計之時需要考慮的。

（2）在感知可用性層面，對于兒童等用戶還需特別考慮造型的親和力、功能的趣味性等人性化設計原則與特殊群體在使用設備時是否會有被區別對待的可能等尊嚴性問題。

（二）虛擬現實運用于醫療交互設計。

（1）在設備可用性層面上，設計需要清晰地分類醫療交互系統的文本類、平面類、三維類、交互類信息層級，要充分平衡患者、家屬、醫師、醫院等多個利益相關方對于醫療交互系統的需求，基于數字化信息，塑造良好用戶交互形式，形成更好的醫療康復管理模式，從而心流式沉浸性交互體驗。

從交互行為與任務出發，需要根據用戶的行為模式與心智模型，對用戶的行為通道與感官通道進行分析，通過對感官通道的簡化或補強，消弭虛擬現實技術設備的缺陷，如當觸碰到虛擬現實物體時手柄產生震動，從而進一步增強用戶感官體驗。通過對于用戶交互行為通道的置換、拆分、合并、重映射、重設計，使得交互行為更加自然，甚至達到超自然交互行為的效果[13]。

（2）在感知可用性層面，虛擬現實醫療服務要堅持以用戶為中心（UCD）設計原則，改善用戶在醫療過程中的心理感受，可通過相應的服務流程設計起到激勵用戶主觀能動性的作用。

六、虛擬現實技術于醫療與康復產品設計社會與倫理反思

誠然，虛擬現實技術與醫療設計相結合是一個符合了醫學、護理學、計算機科學、設計學等學科的新興跨學科交叉合作的成果，通過虛擬現實手術模擬等途徑為醫學從業者提供更高效的工作工具、利用虛擬現實能充分調動具身認知的特性為醫學師生提供更優質的教學手段、利用虛擬現實對于緩解疼痛的特性為病患提供更合適的治療方案。但虛擬現實技術仍存在一定的社會倫理問題。如在虛擬現實醫護之中，病患長期面對虛擬的人、事、物、場景，可能導致沉迷或成癮。過度濫用虛擬現實在感官控制上的特性可能會引發個人價值觀的扭曲甚至更大的社會危害性。邁克爾·馬戴（Michael Madary） 和托馬斯·梅森格（Thomas K.Metzinger）學者就曾試提出虛擬世界的倫理準則，即，零傷害、知情許可、媒體倫理與公開透明性、雙重使用、因特網研究、行為準則的局限性等六個部分[14]。在虛擬現實教育之中、長期的虛擬學習空間的主體性異位、教師角色的弱化也會造成適得其反的效果。在設計實踐的過程中還需多方考慮，綜合評判技術的利與弊，從而揚長避短發揮技術真正的優勢。

七、虛擬現實技術于醫療與康復復產品交互設計方式探索

（一）充分發揮虛擬現實技術在可直觀交互、高趣味性方面的技術優勢。提升用戶在醫療與康復過程中的體驗，并能更好地激發患者主動接受醫療與康復的能動性，從而提升醫療與康復效率，達成醫患雙方的共贏。如在內容設計上，可以充分利用虛擬現實能呈現宏大空間感與信息量豐富的優勢，讓用戶沉浸其中，集中注意力進行醫療與康復。

（二）盡量避免虛擬現實技術在運動感失衡、視覺輻輳調節沖突方面的技術劣勢。盡量減少用戶高頻次、多廣度、多深度的運動交互行為，緩解用戶特別是老幼用戶在使用過程中所產生的生理不適感，如惡心、眩暈等。

（三）切實確保用戶使用時的設備可用性，即產品使用時醫療與康復過程中的客觀療效。在虛擬現實醫療產品設計中需要在多次、科學地引用醫療與康復有效性的評估方法，如FMA運動功能評定量表、MBI日常生活活動能力評定量表等，來驗證虛擬現實醫療與康復產品對患者所起到的幫助。

（四）充分考量用戶使用時的感知可用性，即產品使用時醫療與康復過程中的主觀感受。讓患者能在使用虛擬現實醫療產品的過程中，如避免用戶在使用過程中因缺乏必要的正向反饋而導致對虛擬現實醫療與康復產品產生困惑、質疑乃至厭煩的情緒。

（五）辯證看待虛擬現實技術在醫療與康復領域的運用，尤其是在社會與倫理領域，虛擬現實可能會帶來的問題。例如過分依賴虛擬現實技術可能會引發的依賴性、成癮性問題與長期沉溺虛擬空間內引發的虛擬與現實環境感知錯位等問題。

八、虛擬現實技術于醫療與康復復產品應用未來趨勢展望

（一）在虛擬現實醫療與康復復產品的感知可用性層面上，（1）虛擬現實技術將發揮其具身性層面上的優勢，通過立體多元的模型與遠程教育的便利，更人性化地降低醫學生乃至病患對于醫學知識的學習與理解的障礙，繼續深入推動醫療教育的深入發展。（2）激勵用戶的主觀能動性，提升用戶的情感體驗也可通過發揮虛擬現實在遠程康復領域的社交優勢，提供遠程的面對面交流體驗支持，從而更好地形成虛擬康復社區氛圍，形成正向激勵閉環。

（二）在虛擬現實醫療與康復復產品的設備可用性層面上，（1）物理康復方面，上下肢康復機器人、平衡訓練、作業療法、已被學者廣泛深入的研究，并證明其一定的有效性。而如何更好地提升虛擬現實醫療產品在年齡、認知水平、人機工學等方面的的普適性，可能會是需要進一步深入研究的方向。（2）在認知康復方面，在目前虛擬現實主要關注于對認知障礙患者的研究上，而針對普通用戶日常心情壓抑、精神壓力等輕度心理障礙方面，虛擬現實可能可以發揮積極作用。

總結

綜上所述，本文基于虛擬現實技術本身，探討了虛擬現實技術在醫療領域的先行研究與行業發展熱點，并結合虛擬現實技術優劣勢與感知可用性與設備可用性在虛擬現實醫療產品設計與交互設計的多個維度進行整理分析，且提出虛擬現實技術在醫療領域的運用可能存在的風險與虛擬現實技術本身的缺陷。未來需要基于虛擬現實技術的進步，進一步探索我國在虛擬現實醫療產品的可能性。

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