基于虛擬現實技術的心肺復蘇培訓應用進展

吳曉青，張子璇，孟昭剛

數據顯示，全球成年人院外心臟驟停（out-of-hospital cardiac arrest， OHCA）的平均發病率為每年每10 萬人55 人次；在中國有超過2.3 億人患有心血管疾病，每年約有55 萬人發生心臟驟停，而我國OHCA 的生存率不到1%［1］。對于OHCA 患者，及時有效的心肺復蘇（cardiopulmonary resuscitation， CPR）是挽救生命的關鍵。心臟驟停4 min 內實施CPR的患者存活率為50%，4～6 min 實施CPR 的患者存活率則降為10%，超過6 min 實施CPR 的患者存活率僅為4%，超過10 min 實施CPR 的患者存活率接近0［2］。我國第一目擊者的施救率和救治成功率均遠低于發達國家和地區，因此《“健康中國2030”規劃綱要》中明確指出，必須重視對急救知識及技能的培訓，提升國人的急救能力與安全意識［3］。CPR 是應急救護培訓的關鍵環節，作為戰傷救護的重要組成部分，在軍隊衛勤戰救技能培訓中備受重視［4］。傳統CPR培訓模式相對單一枯燥，公眾參與意愿低，因此《2020 年美國心臟協會心肺復蘇及心血管急救指南》建議，引入全新的技術手段來開展基礎或高級生命支持培訓［5］。虛擬現實（virtual reality， VR）技術具有交互性、仿真性和沉浸性的特點，其在CPR 培訓中的巨大潛力和獨特優勢，逐漸獲得了學術界的共同認可。

1 VR 技術在心肺復蘇領域的技術支撐

VR 是一種可創建和體驗虛擬世界的計算機系統，用戶可通過穿戴設備與模擬的環境進行人機交互，這一技術具有沉浸感和交互性，有效克服了傳統計算機技術僅以視覺或聽覺為主要感知方式的缺陷，能夠讓用戶獲得身臨其境的感受［6］。目前，基于VR 技術在CPR 領域的發展主要從2 個方面出發。一是基于視頻訓練下的桌面VR 系統，主要應用于對CPR 的理論知識進行學習與考核。First-Aid［7］和Heart Run［8］是目前應用率較高的2 種桌面VR 系統，是經由動態建模技術打造人物模型、虛擬環境和對應的交互模型等，隨后經由網絡終端技術構建全新的VR 漫游，用戶能夠利用系統查看應急救護視頻，參與試題考核及漫游虛擬場景任務。Fossl 等［9］設計了一套交互式視頻模擬應用，用戶能夠通過模塊對相關急救理論知識進行了解，早期的CPR 訓練是基于VR 游戲來呈現，游戲中擁有以iOS 為平臺的心臟驟停模擬器，讓游戲體驗者感觸CPR 相關知識和具體操作要點。隨著該類型應用的發展，針對CPR 指導的應用程序逐步增多，如i Resus 是一種模擬緊急情況CPR 訓練的應用程序，主要是為戶外醫療保健人員提供快捷指導，同時配合進行胸外按壓頻率檢測［10］；M-AID 急救應用程序也是一種結合現實來進行CPR 指導的VR 模型，用戶能夠通過VR 模型對CPR 進行有效識別和在不同場景下處理方式的選擇學習［11］。二是基于手持設備下的沉浸式VR 培訓系統，其更加強調實踐操作和動作規范性的學習。Mini-VREM［12］和 JUST VR System［13］是2 種應用較廣的沉浸式VR 系統，其主要是經由客戶機、服務器及多個傳感器，在無線通信技術的引導下，將用戶的操作信息迅速傳輸到VR 系統中，達到人機交互的目的。用戶能夠經由系統設定的場景模擬急救情況和進行場景漫游，并按照場景要求完成CPR 培訓、檢測等相關操作。同時，用戶按壓嵌入多種不同傳感器的模擬人，系統就能夠快速實現對按壓數據的測定，隨后與標準按壓數據對比，評價用戶的實際操作分數。

2 VR 技術在CPR 培訓中的應用領域

2.1 VR 技術應用于CPR 技能培訓 美國心臟協會（AHA）［14］和英國復蘇協會（UK）［15］均推薦在CRP 培訓中充分發揮VR 技術的趣味性、專業性，推進急救知識的普及與培訓。根據多項指南內容來看，CPR 的培訓重點在于使培訓對象能夠掌握高質量的CPR 技能，不僅需要確保有足夠的按壓速率、深度和胸廓充分回彈，還需要避免出現按壓中斷和過度通氣［16-17］。Cerezo Espinosa 等［18］通過運用VR 技術與傳統培訓模式進行對比，發現前者可有效提升學員對CPR必要性的認識和緊張感，激發學員對緊急情況的應對能力，提升CPR 培訓質量。Nas 等［19］基于“拯救生命”主題設計了針對320 名參與者的隨機臨床試驗，將入組對象分為2 組，開展為期6 個月的專業培訓，其中一組進行持續20 min 的面對面指導、講師指導和CPR 復蘇訓練，另一組則引入VR技術下的CPR 培訓模式，即運用復蘇委員會認可的Lifesaver VR 智能手機應用程序和枕頭開展VR 培訓，根據設定場景進行相關知識獲取和按壓練習，結果發現VR 技術下的培訓群體能夠更好地掌握理論知識，且有著較高的知識傳播意愿，研究認為在公共活動中可以通過這種全新的方式來開展CPR 培訓，更有利于技能和知識的傳播。Liu 等［20］認為通過構建高壓訓練環境與高認知負荷狀態的預備信息場景，更有利于CPR 培訓效果的提升，為此進行了一項受試者隨機試驗研究，引入沉浸式VR 技術，通過佩戴VR 眼鏡進入到設定的“VR 心肺復蘇科普模型”場景中，根據場景轉換在虛擬環境中完成CPR 操作，同時在虛擬環境下完成其他配套演練方案，并分析各種可能的事故。Barsom 等［21］開發出一套沉浸式VR 心肺復蘇訓練，通過對沒有任何CPR 培訓背景的高中生進行相關知識指導和技能強化，使其能夠根據系統提示完成CPR 操作，并可反復數次進入到不同場景進行學習，結果認為基于VR 技術的CPR 培訓是針對非醫學學生最有效的培訓模式。Sadeghi 等［22］認為心臟術后心臟驟停具有可逆性，必須提供緊急而準確的CPR 干預，對外科醫生的CPR 識別和操作有很高要求，因此在培訓中設計了一套應用于CPR 聯合心臟術后緊急復蘇的VR 模擬場景，即基于心肺復蘇虛擬模擬器（CPVRsim），設定了2 個場景：無脈電活動合并心室顫動和無脈電活動，要求心胸外科所有醫生、護士、醫學生均需參與培訓，更為深入直觀地掌握心臟外科術后CPR 的識別與操作，提高救治水平。高原［23］基于3D 建模技術打造了全新的人體心臟虛擬仿真模型，讓學員能夠直觀、真實、全面地掌握人體心臟的構造，為CPR 培訓奠定了基礎。華中科技大學設計了一套CPRVR 系統［24］，用戶在進入系統后，可以根據個人所需選取相應的培訓內容，開展自主全真模擬培訓。培訓過程中不僅有詳細的仿真視頻圖像、配套培訓語音提示等，還具備標準的按壓器、語音庫、光學傳感器，對操作數據能夠實時傳輸反饋，對錯誤給予語音警告。見圖1。

圖1 虛擬現實技術下心肺復蘇培訓場景

2.2 VR 技術應用于CPR 模擬考核 VR 技術能夠進行考核場景的設定模擬，從而提升操作的真實性，讓考核具有更強的互動性、客觀性。Rodríguez-Matestanz 等［25］在對CPR 培訓成果進行考核時，基于客觀結構化臨床考試（OSCE）評估工具融合VR 技術，打造了全新的沉浸式VR 工作站，在正確協議下對學生沉浸式環境中的操作情況進行評估，尤其將CPR 程序設定為生存鏈發展的重要操作點，通過對33 名醫生和安保人員評估，證實了該系統的可靠性，提升了CPR 培訓性能和OSCE 評估客觀性。Hubail 等［26］通過模擬獨特的安全環境構建沉浸式VR 訓練模式，并選取26 名參與者進行了隨機單盲模擬試驗研究，對VR 場景和傳統培訓模式進行對比，發現在VR 教學模式下參與者能夠有效提升CPR操作技能和專業知識，同時在VR 場景下的考核結果客觀反映出CPR 培訓方面存在的缺陷，建議在課程中補充通氣和制動體外除顫器（AED）操作技能，后續持續隨訪，3～6 個月后明確該技能可以作為保留項目。研究認為VR 技術不僅能夠推動醫學教育改革，還能夠結合場景完成對教育內容優化的客觀評價和指導。黃翠青等［27］對臨床護士采用挪度（Laerdal）復蘇模擬人QCPR Annie，通過藍牙智能連接CPR培訓新模式，該系統能夠迅速、客觀地反饋操作者實施胸廓回彈、按壓深度、人工通氣潮氣量、按壓頻率等情況，同時還能夠自動生成各操作要點的單項分與總分，通過考核發現部分人員在2 次人工通氣時并未觀察胸廓起伏情況、CPR 期間人工通氣潮氣量不足400 ml、未成功開放氣道造成無效通氣、人工通氣潮氣量達到了600 ml 以上等一系列問題，為CPR 培訓考核提供了客觀依據。林潔等［28］在對高職護生進行CPR 教學中，采取了基于姿勢識別技術的CPR 培訓模式，見圖2，學生在操作中能夠根據Kinect 姿勢識別技術給予動作指導，教師則能夠基于總權限評估了解學生的按壓深度、頻率、姿勢等情況，及時給予相應的評定。除此之外，該系統還可作為學生課外練習的首選。

圖2 基于姿勢識別技術的心肺復蘇培訓模式

3 VR 技術用于心肺復蘇培訓的實踐成效

AHA 最新的指南［29］和中國心肺復蘇培訓專家共識［30］中相繼支持引入VR 技術，發揮虛擬沉浸和交互仿真等優勢，以達到提升培訓效果的目的。這也證實了近年來VR 應用于CPR 培訓考核中的有效性和適用性。

3.1 提升培訓意愿 相較于傳統培訓模式機械、枯燥、單一等不足，VR 技術的引入，調動了受訓者的注意力和學習積極性，提高了受訓者的參與度［31］。調查顯示，受訓者普遍認為這一新型訓練模式可有效提高注意力、記憶力和學習動機［32］。李娜［33］對3 345 名大學新生調查發現，97.90% 學生認為掌握急救知識和技能是全民必備的技能，在選擇培訓模式時，74.30%的學生選擇虛擬急救場景，87.80%的學生希望通過VR 學習CPR 技術。

3.2 提高培訓效果 VR-CPR 游戲化、沉浸式、高仿真且靈活的教學模式可提高學習效果。彭劍飛等［34］采用范圍綜述的研究范式，系統總結了28 項VR 在CPR 教學中的干預效果研究，結果顯示，VR 技術在CPR 培訓中具有普適性，在不同干預對象中均取得良好效果，VR 培訓組學生的考核成績更高，效果更好。

3.3 強化培訓記憶 研究顯示，基于遺忘曲線，CPR 培訓的持續性有限，尤其是相關操作要點易被遺忘［35］。一項大樣本量的研究報道，35 421 名志愿者在參與CPR 培訓之后3～6 個月必須參加復訓，才能夠避免技能的遺忘［36］。為充分了解VR 技術對CPR 培訓持續性的影響，王思瑤［37］采用LifesaverVR 軟件對醫學生進行CPR 培訓，結果發現，VR 組學生在培訓后立即、1 個月后、6 個月后理論知識及技能得分均高于對照組，這說明基于VR 開展CPR 培訓可延緩培訓記憶的減退，延長知識和技能的維持時間，實現對培訓記憶衰減的控制，具體機制尚不明確，可能與VR 技術形成腦神經刺激，強化顳葉內側海馬區及周圍結構對情景式記憶的強化與編碼，從而有效提升CPR 知識和技能的記憶時間有關。

3.4 豐富培訓形式 借助VR 實施遠程培訓可以克服場地、距離和時間限制，具有更好的靈活性。研究發現，通過VR 眼鏡接受專業人員遠程急救培訓的護士在模擬臨床情境下實施CPR 具有更高的成功率和更短的完成時間，并且開展遠程培訓可共享優質培訓師資，節約人力成本［38］。Beom等［39］研發了包含救護車、移動平臺和VR 駕駛系統的救護車模擬器，在實驗室中模擬出救護車行駛的情境，包括各種路況與駕駛模式，使得一些難以開展的CPR 培訓成為可能。

4 存在問題與優化方向

雖然近年來多項研究已證實了VR 技術在彌補傳統培訓方式缺陷和創新CPR 培訓模式中的優勢與前景，但在大規模推廣應用中仍存在較多問題亟待解決。一是VR 技術的投入成本遠高于傳統模式，無論是相關軟件開發還是設備購置都是一項不小的耗資，很難在基層機構普及，而基于VR技術的應用程序具有更高性價比，未來可作為發展重點。二是VR 技術與設備存在短板，軟件的開發有技術難度，設備的穿戴可能導致受訓者視覺和前庭系統的不匹配，出現眩暈和疲勞。未來，需加大跨學科人才的培養及資金支持，致力于VR 關鍵技術的改進和突破，在5G 網絡背景下，給用戶提供更加立體化、高清化的VR 視頻和高分辨率的VR 眼鏡，從而給學員帶來更好的體驗［34］。三是VR 技術下的CPR 培訓尚無明確的培訓標準和技術要求，關于VR 技術使用時長、VR 技術師資力量、復訓時間等各方面均未明確，故下一步需盡快制定、完善和更新相關法律、標準和協議，促進VR技術在CPR 領域的有效應用。