虚拟现实在临床医学教育中的应用
1.背景
随着计算机模拟技术的迅猛发展，新的教学方式不断出现，继多媒体、计算机网络之后，出现了一个全新的智能互动方式，它就是虚拟现实技术（Virtual Reality ）。 虚拟现实是在计算机是模拟技术上发展起来的，其基本特征为：沉浸性，交互性，多感知性。虚拟现实技术是运用计算机对现实情景进行全面模拟的技术，由于它能够高度逼真地模拟与现实情景类似的环境，让学员获得身临其境的感觉和体会，从而收到满意的教学效果。目前，虚拟现实技术已在医学教育、航空航天、军事训练等 许多领域得到广泛应用。在国外虚拟现实技术已应用于课堂教学。虚拟现实技术作为新的教学方式，它的出现无疑将对现代教育教学产生深远的影响。
2 .医学模型分类与发展
随着计算机模拟技术的发展和在医学领域里的应用，医学模拟教学由最初使用简单的解剖示教模型逐渐发展为功能复杂的技能培训模型。
2.1示教模型多为解剖模型（Basic AnatomicalModel），用来研究人体各器官组织间的关系，即人体各局部是由哪些骨、肌肉、血管、神经及内脏组成，以及组成该局部的各器官间是以何种方式相互组合的。
2.2培训模型主要包括：局部功能训练模型、计算机 交互式训练模型、虚拟现实和触觉感知系统、生理驱动型模拟系统。
根据医学模型分类和发展可以看出，随着计算机 虚拟现实技术的不断深入应用，各种功能强大的培训模型不断问世并趋于完善。培训模型中计算机虚拟现实技术应用程度由低到高依次为，计算机交互式训练 模型、虚拟现实和触觉感知系统、生理驱动型模拟系统。
3.1 计算机交互式训练模型计算机交互式训练模型综合了一部分单独功能训练，通过简单的编辑各种病例，进行相关内容的教学和测试使学生得到一个完整医学治疗过程的训练，同 时可以随时控制过程进度和速度，并可以反复训练， 是训练学生的实践能力和测试学生处理病例水平的有效途径。
3.1.1 计算机交互式分娩及急救演示系统
包括产妇和新生儿两个模型，产妇可以模拟产科分娩的全过程，可以控制每个产程的速度，模拟各种胎位，并在分娩后有模拟的脐带和胎盘出现，非常真实地模拟生产的全过程。新生儿模型在“出生后”可 模拟各种新生儿常见疾病，如紫绀、黄疸，可以对其进行气管插管，心外按压等操作，并进行血压和血氧的监测。这些操作都是基于计算机软件和周围硬件的巧妙组合而实现的，但计算机本身不能判断学生操作是否正确，只能由操作的老师进行评估。
3.1.2 高级成人护理模型
包括男女模型各一个，可进行常规各种护理模拟，包括各种心音，呻吟，呕吐等，都可以根据Sim 生命模拟器进行情景编写，可进行常规的操作，如口腔护理，导尿，插管，灌肠，引流，伤口护理等，这些操作正确与否，模型本身不能进行判断，需要老师 进行人工控制。以上两种计算机交互式模型可以说是半自动，需要培训老师既要懂专业知识又要懂电脑， 操作起来比较复杂。
3.2虚拟现实和触觉感知系统是培养专科医生的高端技术模型，集先进的计算机技术、传感与测量技术、仿真技术、微电子技术于一体，使学员与计算机模拟 的三维环境进行实时交互。在虚拟的诊疗环境中，通过计算机软件与配套电子硬件载体的结合，模拟出集视觉、听觉和触觉为一体的医学虚拟系统，并配有力 反馈技术（Haptic），更加逼真地模拟了诊疗环境， 加深了使用者对操作感觉的体会，如操作过程的突破 感和落空感。三种模拟器都是通过上述的技术，对各个专科的手术情景进行模拟。
3.2.1 支气管纤维镜模拟器能够模拟真实阻力，手感，各种上下呼吸道的解剖结构，模拟病理状态下的肿瘤，息肉等，可用于耳 鼻喉可，呼吸科等医生培训的首选，此外，还有新生儿困难气道的插管，可用于产科和儿科的急救培训。 北医三院呼吸科已经运用支气管纤维镜模拟器举办了培训班，针对地年住院医师进行培训，模拟器所以操作、 手感都几乎接近真实，图像清晰，让学员深刻体会了镜子操作的动作要领。培训方式：由副高及以上的医生作为培训老师，制定由浅入深的教学计划送报教育处，根据每个人的实际情况，共对5名医生进行培训，采取一对一，手把手教学，练习，对每种操作的重点和难点进行反复练习，如模拟活检取材，麻醉给药，如同在真人身上练习一样，效果非常好。
3.2.2 胃肠道内窥镜诊疗模拟器可以练习使用胃镜、肠镜、乙状结肠镜等器械， 进行上下消化道检查、内窥镜逆行胰胆管造影 （ERCP ）、内镜超声（EUS ）等操作，还可以诊治 息肉、溃疡，处理突发性出血。可以扩展学员的解 剖、生理及病理等医学知识，提高学员的手术技巧和 手术中对病情的判断决策能力，使学员完全达到临床手术要求。
3.2.3 腹腔镜手术模拟器采用了人体解剖视觉重现和力反馈技术，使模拟器的画面清晰、脏器逼真、器械真实，操作手感与临床手术的相同。培训不但可以扩展学员的解剖、生理及病理等医学知识，还可以提高学员的手术技巧和手术中对病情的判断决策能力。
各种模块的主要功能有：基本操作模块，在非解剖学结构设定下进行腹腔镜基本操作训练，练习基本技能，如：手眼协调、双手合作、切割、电凝、钳夹等；缝合模块，可练习连续缝合、间断缝合和不同的打结方法，可进行高难角度的进针和缝合练习；腹腔镜胆囊切除术，解剖学结构设定下进行胆囊手术练 习，学习人体组织的牵扯力和反牵扯力的视觉变化（利用虚拟组织）；胆囊切除全套手术模块，可进行独立完整的胆囊切除手术，病人病例的胆道和动脉解剖位置会随机变化，培养学员判断病情能力，学习出现意外情况（比如换成开腹手术）及并发症的处理方法；切口疝全套手术模块，通过分离粘连组织更深刻了解切口疝的病理特点，选择合适的修补布片， 并运用器械对病理组织进行固定缝合，了解手术中可能出现的并发症及处理方法；训练Roux-en-Y术、空肠吻合术以及胃空肠吻术等专业技术。
3.3 生理驱动型模拟统
3.3.1超级综合模拟系统（Human Patien Simulator HPS）
HPS 集中应用各种高新尖端科学技术，可以真实模拟重症患者各种生命体征，是目前最高端的医学教 学模型，它能够模拟人体真实的病理生理特征，模拟出各种临床病历，表现出符合临床逻辑的体征，并通过模拟监测显示生理参数，对学生的治疗措施做出实 时而真实的反应，从而能够模拟临床疾病演变的过程。因而既可以用于单一的技术操作训练和理论讲述，又可以锻炼学生的综合操作水平以及实际应对能 力。在国外已经有很广泛的应用，用于急救学、麻醉 学、外科学、内科学、药理学的教学与考核等。HPS 可用于评估出医学生理论与临床技能综合素质的高低。
3.3.1.1 HPS 在各个学科中可模拟的情景简介
（1）麻醉学：可以连接真实的麻醉机，可使用氮氧化合物或挥发性麻醉药物，模拟练习插入Swan- Ganz导管，并通过显示器观察对应的波形；拇指的反射性抽动，体现周围神经系统对与神经肌肉类药物的 反应；呼吸自主调节，保持co2的呼出比例 ，BIS监 测系统，监测在麻醉下的意识状态；（2）急救医 学、危重症学：心脏按压、气管插管、呼吸机辅助呼吸；气胸减压、液胸引流治疗并伴随相应的病理生理反应；心包穿刺；张力性气胸的处理，伴有明显的体 征和病理生理性变化；除颤、起搏：可与真实急救设备相连接，并监测相应的病理生理性的变化；可设置各种治疗难度的气道条件，可根据治疗效果伴随相应 的病理生理性变化，对于操作失误，如气管插管进入 左支气管，或食管，模拟人将伴有相应的病理生理变 化；（3）内科学 ：HPS 具有呼吸内科、心内科、消 化内科、肾内科、神经内科及代谢系统的功能，可表现这些系统的常见病、多发病及罕见病 H PS 可对所 给予的治疗做出自发反应；（4）外科学：可模拟脾 破裂伴气胸；胸部刺伤；硬膜下出血伴昏迷等常见外 科疾病；可进行多项外科常用操作练习：胸腔闭式引流，气胸针刺减压，腹腔诊断性穿刺，腹腔冲洗；（5）护理学：可连接真实的心电监护仪器；胸导管留置的护理；运用标准导尿装置，进行导尿；静脉注 射手臂；可监测PAP 、PAWP 、CVP 、心输出量、动脉血压等各种病理生理变化；（6）药理学：H P S 有多种静脉注射药物的药物动力学和药效学的预置程序，可在H PS 身上叠加给药。HPS 可识别操作者给予 的各种药物及其浓度、剂量，对操作者非必须不正确 的给药，HPS 会自动地做出相应的反应，同样对剂量 过量或过低也会做出反应 ；药理学编辑器允许设定 第一、第二、第三级别的药物代谢动力学模式；可根据心血管、呼吸系统、神经系统等反应调整药物代谢动力学参数；可以观察各种监测仪器中的各项指标，如药物的浓度--时间曲线。
3.3.1.2 HPS 病例情景在教学中的应用。例如在北医三院临床技能示教比赛中，编写了急性冠脉综合征和气胸两个病例，先请有丰富临床经验 的专科医生设计病例，然后编写计算机程序并调试，力求最接近真实情景，并配有其它的模拟手段（各种相关的实验室检查结果,X线、闭式引流、静脉点滴 等），并且编写了患者的主诉，通过无线麦克风让专人在后台诉说，与医生进行双向交流，如果患者意识还清醒的时候医生要进行电除颤，患者就会惊叫 “医生，你要干什么？”只有给了足够的镇定剂后， 患者才会安静下来。比赛中，每个科室的两名医生共同抢救模拟的急诊病人。许多临床的抢救操作都能在 H PS 上进行，包括心肺复苏，气管插管，电除颤，气 胸的穿刺和闭式引流等，并且在操作后模拟人会有相 应的变化。在模拟的病例中，我们还注重培养医生其 它的重要素质，包括团队协作精神，和病人沟通的能 力等，如果医生在患者主诉的时候不理会而只是做检查和看报告，我们的患者就会很不满的说一句“大 夫，你怎么不理我啊，我到底哪里有问题？”之类的 话，评委在评分的时候也会有所记录。整个过程都会 有视屏记录，让参赛的医生可以事后观看，了解自己的不足。现场的评委非常认真地评估每组选手的操作，并在抢救结束后给予点评，指出缺点和不足。通过参加模拟病例急救，每位选手都获益非浅，为以后 的临床工作积累了重要的经验。
3.3.2 高级综合模拟训练系统（Emergency Care Simulator，ECS）
ECS 是HPS 的简化版本，除了没有识别呼吸成分气体、麻醉气体、实时给药操作和瞳孔对光发射等功能外，其它功能都大致相同，操作软件平台也是相同 的，ECS 侧重于危重急救病例，模型组装和携带比较便携，可以在野外等地方进行使用，可以说ECS 是 HPS 的简化便携版本。
4.讨论
应用虚拟现实技术的培训模型是一种新颖的教学方 法，能为医学生在校早期接触临床提供机会和条件，可以提高医学生临床技能操作能力，临床综合诊断思维能力，还可以激发医学生的学习热情和潜力，使他们能够 运用临床理论知识较快地掌握临床诊疗实践规律，还有利于学生职业道德和行为规范的养成。近几年，虚拟现实技术在医学教育中的运用受到了广泛的关注，特别是西方各国的医学院校，相继建立了临床技能中心，使用各种模拟设备对学生、专业人员进行培训。随着虚拟现实技术的不断发展以及医学教育环境的不断变化，虚拟现实技术在医学教育中的作用显得越来越重要，尤其在提高病人的安全性、培养学生能力感与自信心、教育标准化与规范化等方面显示出了巨大的优势。我国的医学教育也逐渐向模拟培训发展，取得了明显的效果，国内各大医学院校都纷纷投巨资建设模拟技能培训中心，如北京宣武医院，北大医院，北医三院，中山医科大学，西南医院，华西医科大学等。 模拟医学技术可以解决目前医学教育中存在的一些问题，尤其是虚拟现实技术能显著提高医学教学水平，并可以做到客观化考核，但是模拟技术包括虚拟现实技术永远不可能代替真正的临床实践，它只是医学生接触真实病人之前的过渡性培训。我们应该把虚拟现实技术和其它的教育模式有机结合起来，互相补充，让医学教育模式和方法更加完美。
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