虚拟现实技术在临床内科学实践中的应用进展

　　Department of Cardiology, The First Affiliated Hospital of Harbin Medical University;

　　

　　Abstract：Virtual reality(VR) is a computer-generated three-dimensional environmental simulation with which one can interact in a seemingly real way. In recent years, with the booming development of VR industry, more and more VR technologies have been applied in the medical field,especially in clinical medical practice. The wide application of technology in clinical internal medicine practice can not only increase the realism of medical students for surgical operation, greatly improve learning interest and operating skills, but also reduce the harm to clinical patients. This article mainly expounds the application status and progress of virtual reality technology in clinical internal medicine practice, and more and more applications of VR technology in clinical internal medicine physical examination improve the teaching effect of clinical skills of medical students. With the promotion of hardware and software developed based on VR technology, it is also widely used in medical clinical operations such as endoscopic procedures, interpretation of imaging results, and minimally invasive interventional training. At the same time, VR technology can also carry out cooperation drills through role modeling while operating training to improve the doctor-patient communication of medical students during the examination and cooperation with other operators. The application of VR technology in clinical internal medicine practice greatly improves the effect of clinical internal medicine practice and the learning interest of medical students, which is conducive to the improvement of the overall level of internal medicine teaching.

　　

　　Keyword：virtual reality technology; clinical medicine teaching; practical operation; minimally invasive intervention; endoscopic procedures; physical examination; education;

　　

　　虚拟现实（virtual reality,VR）是计算机生成的三维环境模拟，人们可以用它以看似真实的方式进行交互[1]。目前的标准VR系统使用具有头戴式显示器的VR耳机或多投影环境，在虚拟环境中生成真实的图像、声音和其他感觉。更具体地说，VR是一种用户通过人机界面“沉浸”在计算机生成的环境中的现象，用户可以自然地与虚拟功能或项目“互动”。VR提供丰富的视觉和听觉刺激，以及外周触觉和嗅觉刺激。这些感觉帮助用户以现实的方式感受和记住VR。尽管用户意识到VR并不真实，但他们可能会被误认为模拟是真实的实例，并感觉他们在现实中经历了VR中发生的事件。在VR的受控安全环境内，实验者可以根据需要操纵VR环境，检验关于人类行为的不同假设。同时，用户可以反复体验一种情况并自己控制环境，VR被积极用于游戏、教育和商业领域。

　　

　　1 虚拟现实在医学实践的应用

　　

　　近年随着VR产业的蓬勃发展，越来越多VR技术被应用医学领域，特别是临床医学实践[2]。由于VR具有可以最大程度的模拟真实世界环境这一优势，医学临床实践操作如体格检查、内镜、介入手术等纷纷引入基于VR技术的培训软件作为医学生以及低年资住院医师进入临床前的操作训练。这一技术即可以增加医学生对于手术操作的真实感，极大的提高学习兴趣和操作技能，又可以减少对临床患者的伤害[3]。

　　

　　2 利用VR进行内科学体格检查操作

　　

　　体格检查是内科医学生以及内科医生必须掌握的临床重要技能。头颈部、胸部、腹部、神经系统与四肢的视、触、叩、听诊在临床中常常带来很多初步诊断的信息和依据。然而近年来由于医患关系的紧张、对于其他物理检查的过于依赖等原因，内科医学生对于体格检查的训练越来越忽视，检查的规范程度、熟练程度在执业医师考核、住院医师规范化培训、专科医师规范化培训等考核中掌握并不理想。随着VR在临床教学中的推广，基于VR、3D等技术开发的相关体格检查软件极大的提高了内科医学生对于基本技能操作的训练兴趣和教学效果[4]。

　　

　　将VR技术应用与内科体格检查的最主要的优势在于医学生在进行体格检查训练的同时可以掌握检查脏器在人体中的三维空间位置，增强学习操作者的视觉空间能力[5]。这一优越性极大的改善了医学生在检查中的“知其然而不知其所以然”的困境。VR可以帮助学习者完全沉浸在虚拟空间中，描绘人体解剖结构或病理生理过程。另外由于VR操作过程中能够阻断所有外界的干扰，因此，VR技能训练不受班级学生数量、周围学习环境的干预。

　　

　　医学生在体格检查训练时不仅仅是了解视、触、叩、听的过程，而更应该熟悉检查过程对应与被检查器官的解剖结构和周围组织的关系。这是学生使用解剖学教科书和文章的二维图片作为参考的传统课程中的一个挑战。相比之下，VR技术为医学生提供了在模拟真实人体框架的基础上建立强大三维构架的潜力，因为它促进了空间可视化。例如在心脏的体格检查的叩诊过程中，主要在各个肋间叩诊心脏边界，而心脏左右缘均被部分肺脏遮挡，下缘与肝脏上界毗邻，因此叩诊出的界限是心脏的相对浊音界。刚刚步入临床的医学生对于这一部分空间解剖构成往往存在理解困难，并不能很好的了解各个肋间水平心脏叩诊边界的真实情况。而VR技术可以在学生检查训练时提供三维解剖构象，培养学生以各种方式操纵结构的能力，以更好地理解解剖学概念、增强学习者的视觉空间能力。

　　

　　3 利用VR进行影像学检查判读

　　

　　在内科教学过程中，影像学检查图像的结果判读能力训练是医学生需掌握的重要技能之一。对于CT、MRI的检查图像的正确识别是临床确定诊断的重要依据。而很多初入临床的医学生，对于CT、MRI的二维图像理解有限，无法将其与书本上的基础解剖知识有效的结合掌握。而VR技术可以有效的解决这一问题，帮助临床医学生更好的进行影像学检查学习。国外的一项研究应用Echopixel系统观察心内科实习医生对于冠脉CTA结果的判读能力的改进效果。结果发现在经过4周的培训，与应用传统CT阅片训练的医生相比，应用VR技术对CTA结果呈现进行训练组的医生阅片速度和准确度显著提高，其结果判读的准确性与冠状动脉造影术的结果相似。

　　

　　VR技术在超声检查培训与考核中与传统教学模式相比有着更显著的优势。基于VR的超声培训能够为实习医生模拟提供了一个安全、受控和以学习者为中心的环境，并且允许医学生重复练习而不会造成患者不适或其他伤害。在这一培训过程中可以使学员熟悉图像优化和探头定向，并且结合VR构建的三维空间图像，更好的理解检查器官的解剖结构[6]。随着VR技术的迅速发展，近年来超声培训过程中增加了实时视觉反馈的功能，进一步提高了其实用性。这一功能可以在初学医学生使用超声探头时跟踪帮助其理解探头方向和心脏等器官成像平面之间的关系并且可以通过跟踪解剖标志以及超声探头的位置和方向，构建出三维立体的可视化图像。这些VR技术的发展与应用可以协助实习医生在临床实践前得到有效、充分的操作训练与考核，获得明确的操作能力认证后进入临床，在真实世界进行操作，增加了结果判读的效率以及准确性，减少反复操作对于患者造成的额外不适和伤害。

　　

　　4 利用VR技术进行内镜操作培训

　　

　　内镜检查是消化内科重要的检查项目，近年来越来越多的内科培训基地将基于VR建立的模拟培训纳入内镜检查课程中[7]鉴于内镜操作的复杂性，这一软件表现为多种模型系统，包括机械模型、动物模型、活体离体模型和VR的联合应用[8]。这一训练过程可以帮助低年资实习医生在以操作者为中心的环境中，不用过于担心出错或伤害患者的情况下进行进行实践训练。在内镜模拟培训中，虚拟现实模拟器可以通过使用基于计算机的模块（在屏幕上显示胃肠道腔）的内窥镜来模拟内窥镜，并提供与手术相关的视觉和触觉反馈[9]。

　　

　　VR技术还可以模拟内镜检查过程中发生的紧急情况，训练临床医生的随机应变能力。目前越来越多的软件除常规的内镜检查、息肉切除术等常规程序外，均加入了各种发病背景下的急诊病例。另外VR技术的培训还可以规范内镜操作者的动作幅度。有研究表明内镜医师中肌肉、骨骼疾病的患病率高达37%～89%，这些损伤主要是由于在检查过程中以某些不规范的姿势反复挤压、推动、拉动和扭转所致。目前有少数VR软件将操作者的标准姿势和测量系数进行了设置，例如在进行检查时的姿势应保持中立，不得过度弯曲，超过设置参数时系统会出现提示。

　　

　　内镜手术的非技术组成部分包括沟通和团队合作、判断和决策、领导力和态势感知。非技术技能很难进行教学，尤其是在患者可能部分镇静甚至清醒的环境中。VR内镜软技能通常通过角色建模来进行配合演练，例如通过系统进行标准化患者和扮演护理人员角色的参与者模拟整合情境，可以提高医学生在检查过程中的医患沟通以及与其他手术操作人员的配合[10]。

　　

　　5 利用VR技术进行内科微创介入训练

　　

　　内科具有较多的微创介入操作，如心血管内科的经皮冠状动脉造影、冠脉支架、射频消融等。这些操作中由于部分过程具有放射性、或者操作复杂风险较高等原因，常常需高年资临床医生进行亲自操作。而医学生以及低年资医生无法获得实践训练的机会。针对这一弊端，近年许多临床院校引进了VR技术制作的相关操作软件以及硬件，帮助临床医生通过视、听、触觉等全方位的进行各个操作的模拟[11]。戴红芬等[12]在2016年采用3D max等技术构建的心血管模型系统可以模拟真实环境下进行的冠脉造影以及支架植入术的手术过程，并且这一系统可以还原手术中术者操作导丝等的触感。赵全等[13]创建的模拟冠脉造影以及支架植入术的显示技术可以模拟手术医生头位姿势的显示画面，更加模拟真实的手术过程。VR技术与目前心血管介入相比，主要优势是在手术过程中为医学生显示解剖结构、并且在操作过程中不会遮挡医生的视野。

　　

　　近年随着VR在微创介入软件的更新，少数软件能够应用于更为复杂的心内科射频消融术的操作培训中。在动物射频消融的实验中，VR联合3D重建的三维图像可以帮助医生观察消融后心肌瘢痕的位置和范围，更有效的精确消融位置。这一操作的另一优势在于可以减少手术期间患者和临床医生的术中辐射暴露。VR技术可以使高辐射强度区域可视化，避免过度辐射暴露。国外有研究者开发了电生理手术的Holo Lens系统，这一系统能够在手术期间帮助医生可视化患者特定3D心脏解剖结构、实时导管位置和电解剖图，更重要的是该系统能够使用无菌的语音、凝视和手势接口直接控制软件，允许其他术者或指导教师根据需要协助临床医生进行软件控制，并在需要时将控制交还给医生[14]。

　　

　　6 结语

　　

　　随着VR以及5G等技术手段的提升，医学教育、医疗与互联网技术结合是未来科技发展的必然趋势。VR、3D和AR显示等一系列新技术、新设备、新软件的引入为临床医学实践注入了新的动力[15-16]。医学、教育、VR的结合与发展将极大的提高医学教育的师生互动与体验，大大的提高临床医学生内科教学、住院医师培训以及专科医师培训的教学效果和水平。

　　

　　参考文献

　　

　　[1] Zhan T,Yin K,Xiong J,et al. Augmented Reality and Virtual Reality Displays:Perspectives and Challenges[J]. iScience,2020,23(8):101397.

　　

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　　[3]曹红.虚拟现实与医学交互及前景[J].中国继续医学教育，2017,9(28):9-10

　　

　　[4]刘振宁，杨贺，魏贵贵，等.虚拟现实技术在临床实践教学的应用探讨[J].卫生职业教育，2020,38(4):18-20.

　　

　　[5] Maresky H,Oikonomou A,Ali I,et al. Virtual reality and cardiac anatomy:exploring immersive three-dimensional cardiac imaging,a pilot study in undergraduate medical anatomy education[J]. Clin Anat,2019,32(2):238–43.

　　

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　　[9] Mahmood T,Scaffidi MA,Khan RT,et al. Virtual reality simulation in endoscopy training:Current evidence and future directions[J]. World Journal of Gastroenterology,2018,24(48):5439-5445.

　　

　　[10] Lingyu Ding,Hongxia Hua,Hanfei Zhu,et al.Effects of virtual reality on relieving postoperative pain in surgical patients:A systematic review and metaanalysis[J]. Int J Surg,2020,82:87-94.

　　

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　　[12]戴红芬，吴斌，金伟伟.基于Unity3D虚拟现实技术的心血管介入仿真模拟系统[J].中国胸心血管外科临床杂志，2016,23(11):1092-1098.

　　

　　[13]赵全，冯乔生，张亚萍.基于手术医生头位姿的三维人体部位显示技术[J].软件，2018,39(9):58-63.

　　

　　[14] Villanueva C,Xiong J,Rajput S. Simulation-based surgical education in cardiothoracic training[J]. ANZ J Surg,2020,90(6):978-983

　　

　　[15]丁晶，曾超美.虚拟现实技术在临床医学教育中的应用及思考[J].中国高等医学教育，2019(7):27-28.

　　

　　[16]刘筱，张铮铮，朱锋辉，等.虚拟现实技术在急诊医学教育中的探索与实践[J].中国继续医学教育，2020,12(8):43-45.

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