發布時間：2021-03-16所屬分類：醫學職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 【摘要】健康中國國家戰略對高質量醫學教育、高水平手術研究、精準臨床診療提出了新的要求。面向國家新醫科戰略發展布局，本文在概述虛擬現實概念、核心價值及其對行業支撐作用的基礎上，對虛擬現實技術在新醫科人才培養中的作用進行了探討，并以典型案例的
【摘要】“健康中國”國家戰略對高質量醫學教育、高水平手術研究、精準臨床診療提出了新的要求。面向國家新醫科戰略發展布局，本文在概述虛擬現實概念、核心價值及其對行業支撐作用的基礎上，對虛擬現實技術在新醫科人才培養中的作用進行了探討，并以典型案例的形式，詳細剖析了虛擬現實技術在口腔醫學和臨床醫學相關的實操教學、技能考核、在線自主訓練、臨床思維實訓等方面所發揮的重要作用，以期為新醫科人才培養的模式創新提供有益經驗借鑒。
【關鍵詞】 新醫科 醫學人才培養 虛擬現實技術 虛擬人體 虛擬手術
“健康中國2030”國家戰略對新時代醫學人才培養提出了新要求。虛擬現實、人工智能、大數據、5G等新一代信息技術與現代醫學技術交叉融合并創新發展，是提高醫學人才培養質量和規模的有效路徑，也是信息文明社會背景下新型醫學人才培養體系建設的重要支撐。
1新醫科戰略概況
1.1新醫科的背景和內涵
2019年，教育部、科技部等13個部委聯合啟動的“六卓越一拔尖”計劃2.0中明確指出，要全面推進新工科、新醫科、新文科、新農科的“四新”建設[1]。2020年9月，國務院辦公廳印發了《關于加快醫學教育創新發展的指導意見》，確立了“以新醫科統領醫學教育創新”的基本原則[2]。
新醫科是在新時代科技進步、產業變革和高等教育改革發展背景下，以培養符合時代需求的卓越醫學人才為導向，通過改造升級已有醫學專業、新建醫學相關專業，以及加強醫科內部和醫文、醫理、醫工等多學科深度交叉融合等方式，將人才培養的重點從臨床診療擴展到預防、診療、康養，使得醫學人才具備服務于“生命全周期、健康全過程”的能力和水平。
1.2醫學類虛擬仿真一流課程概況
2019年至2021年，教育部全面推動實施新醫科建設計劃，在一流專業“雙萬計劃”、一流課程“雙萬計劃”、基礎學科拔尖學生培養一流基地建設計劃中，布局新醫科相關的“金專”“金課”和“高地”。其中，一流課程要求建設10000門左右國家級一流課程和10000門左右省級一流課程，包括具有高階性、創新性、挑戰度的線下、線上、線上線下混合式、虛擬仿真和社會實踐五大類一流課程[3]。
一流課程“雙萬計劃”中的虛擬仿真一流課程建設，是推動計算機、仿真、基礎醫學、臨床醫學等學科深度交叉融合創新的重要舉措。2019年，教育部發布《關于一流本科課程建設的實施意見》，將國家虛擬仿真實驗教學項目納入一流本科課程建設，計劃到2021年建成1500門左右國家虛擬仿真實驗教學一流課程[4]。2020年11月，根據教育部公布的首批國家級一流本科課程認定結果[5]，認定國家虛擬仿真實驗教學項目728個，覆蓋41個專業類，168個專業，732門課程[6]。在新冠疫情期間，基于互聯網、虛擬現實、先進仿真技術的線上虛擬仿真實驗，為遠程實驗教學、訓練、考核提供了先進技術手段，降低了疫情對人才培養過程和質量的影響，也有力地證明了新一代信息技術對新醫科的支撐作用。
2虛擬現實(virtualreality，VR)技術
2.1VR技術
VR技術是計算機技術與應用銜接，向不同領域輻射，影響各行業運行質量和效率的基礎研究方向，包括人機界面、人機交互、人機環境和增強現實等，具有較強的學科綜合性和交叉性。目前已成為一個可以拉動多學科科學技術發展，不斷產生新思想、新技術和新經濟生長點的重要科學技術領域[7]。虛擬現實在其產生和長期發展的過程中，內涵和外延不斷演化，有專家認為，虛擬現實對于其他應用領域的作用，類似于數學對其他學科的作用[8]。
趙沁平院士在2009年提出的虛擬現實概念在學術界和產業界均得到了廣泛認可。多學科交叉融合，并以信息技術為核心生成和真實環境在視覺、聽覺、觸力覺等方面高度相似的數字虛擬環境，用戶可通過顯示設備與交互裝備與虛擬環境中的物體進行溝通、交互，進而獲得虛實難辨、身臨其境的擬真感受和體驗。虛擬現實作為新興技術和產業發展方向，也是信息技術領域的重要科學問題[9]。
2.2VR技術的核心價值
VR技術的核心價值可以從其系統形態、應用方向和主要特點等方面加以概括，可概括為沉浸性、桌面型、增強型和分布型4類系統形態。
沉浸型VR系統主要面向高端應用，其典型特點是使用高端圖形工作站(群)和高逼真感的視聽觸設備，以獲得更好的沉浸感;桌面型系統主要面向普及型應用，其典型特點是基于個人計算機和常規交互設備，在通用硬件上構造簡易型的系統，為了使交互更為自然，一般會利用Kinect、Wiimote等便攜裝置獲取用戶的身體姿態和操控信息[10];增強型主要面向增強現實類型的應用，其典型特點是在獲取三維姿態基礎上，進行三維注冊，并利用視頻透射或光學透射頭盔顯示器，在現實場景疊加虛擬物體，增加虛實融合的內容;分布型主要面向虛擬現實網絡應用，構建共享一致的虛擬環境，進行協同交互、完成更復雜的功能。目前，基于5G移動互聯網的分布型系統是研究和應用的重點[11]。
上述4類系統也并非彼此獨立，例如，沉浸型、桌面型和增強型系統都可以作為分布型系統的節點，通過網絡互聯;沉浸型或桌面型系統也可借鑒增強型系統的概念，增加虛實融合的功能。
2.3VR技術對各行業的支撐作用
經過三十多年的發展，VR在許多行業領域取得了成功應用，已成為各行業發展的新的信息技術支撐平臺[12]。近年來，隨著人工智能、大數據、云計算、物聯網、傳感器等信息技術的快速發展，各發達國家政府和各大行業巨頭普遍開始結合“VR+”展開創新應用布局，對VR技術發展提出了新型應用需求[13]，下面重點對“VR+醫療”的應用支撐進行介紹。
世界衛生組織等權威機構發布的數據顯示，不安全治療導致的不良事件是全世界十大死亡和殘疾的原因之一[14]，醫療過失在醫療水平很高的美國也已經成為第三大致死原因[15]。因而，探究人體自身的奧秘，解密人體疾病的產生與演化，進而對人體疾病進行精準治療，是關系人類生命與健康的重大問題，也是人類科學研究的一個終極目標[16]。隨著虛擬現實、醫學、生命科學、高性能計算以及人工智能等技術的快速發展，如何利用信息技術賦能人體生命研究與疾病治療，是21世紀的一項重大科學技術問題。2020年11月10日，世界經濟論壇和《科學美國人》共同發布了“2020年十大新興技術”報告，其中3項與虛擬人體孿生密切相關，包括：虛擬病人—代替真人臨床試驗，空間計算—下一代的“大事件”，數字醫學—更好地診斷和治療疾病[7]。
相關期刊推薦：《四川大學學報(醫學版)》雜志創刊于1959年,是經國家新聞出版署批準,由教育部主管,華西醫科大學主辦的綜合性醫藥學學術刊物。本刊為雙月刊。設有：論著、技術與方法、述評、臨床醫學、實驗研究、論著摘要、短篇報道、研究簡報及個案報道等欄目。主要閱讀對象為從事醫藥衛生工作的高、中級科研、醫療、教學、預防機構人員和高等醫藥院校的師生。
現階段，在健康中國建設戰略背景和信息化、數字化技術高速發展的時代背景下，VR將成為醫療行業不可或缺的教學和培訓手段，在新醫科人才培養中必將發揮更廣泛的應用。在醫學教學、手術技能訓練、個性化手術方案規劃預演、康復治療、遠程診療等過程中，引入VR技術，可以顯著提升醫療健康服務水平，提高疾病診療效率[17]。
3VR技術在新醫科人才培養中的作用與應用實例
3.1VR在新醫科人才培養中的作用
醫科人才培養的方式隨著時代的發展也在不斷改進和創新。以動物標本、尸體和教學輔助器具為主的傳統醫科教育體系，在醫科人才的培養過程中存在資源不足，對患者造成損害的風險較高等問題[18]。VR技術能夠替代傳統的教學模式進行低成本、可重復、可量化評估的數字化教學，允許學員在可重復練習的環境中學習成長，提供案例豐富、科學規范的仿真素材，能夠有效改善教學資源不足和考核難以量化評估的難題。模擬教學的新方式可以縮短學員臨床實踐學習曲線，同時可以保證學員在學習過程中的醫療安全性。通過VR技術可以拓展醫療教育信息化的維度，不斷深化醫療教學內容，有助于催生新的人才培養模式和醫科教學方法。具體來說，VR技術通過與3D建模、人機交互、大數據管理、物聯網、云計算、人工智能等技術結合運用，可以在新醫科人才培養中可發揮如下幾方面重要作用[19]。
3.1.1推進以自主學習為導向的教學方式改革 傳統醫學授課以知識傳授型為主，學生被動接受新知識，不利于發揮學生的主觀能動性。隨著5G技術、人工智能、云計算等技術的發展，VR將成為新醫科教學的重要切入點，推進以自主學習為導向的醫學教學方式改革。VR技術通過高沉浸感和交互特性強化用戶體驗，以多感知通道協同刺激和人機交互的方式增強用戶記憶、提升用戶學習體驗[20]。通過VR技術構建的智慧學習環境，學習者可以發揮主體作用，充分理解教學內容，體驗交互環境，進而提高主觀能動性和自主學習能力。
3.1.2增加學生知識的深度和廣度，激發創新思維 醫學技能訓練方式耗材損耗大、成本高，研究發現在臨床實踐教學中，57.38%的病種教學資源不足或缺乏，僅部分學生或極少學生有機會掌握[21]。VR技術促使教學內容由傳統靜態、二維展示轉變為互動、三維立體展示，評價方法也由主觀觀察轉變為客觀的數據參考，有助于加深學生的理解，拓寬認知范圍;培養環境由傳統單個實訓樣本對多個學習對象轉變為多對多的互動式虛擬場景，培養方法由傳統“以教促學”線性方法轉變為情景探究式學習的非線性方法，激發學生的創造力和創新思維。
3.1.3助力新醫科終身學習體系和環境建設 建設終身學習體系和環境是我國的重大戰略舉措[22]，構建服務全民終身學習的現代化教育體系，加快建設學習型社會，已成為服務終身學習、建設學習大國的迫切需要。VR虛擬仿真實驗教學系統，可以打破時空限制，在任何時間和地點獲取教學資源、觀看教師授課視頻，實現即時交流、互動以及數據共享[23]。同時，學生還可以隨時在線訪問虛擬教學資源，進行虛擬實驗操作，對促進高階的探究式、自適應學習具有重要作用，有助于構建方式更加靈活、資源更加豐富、學習更加便捷的新醫科終身學習體系。
3.1.4有助于完善教學實踐過程中監測、評估與反饋機制 在教學實踐過程中，硬件環境建設，教學軟件建設，質量監控與反饋改進應該形成一個閉環。其中，教學質量監控與反饋是重中之重，也是VR技術能夠在新醫科人才培養過程中扮演重要角色的關鍵核心。VR技術作為一種現代信息化手段，對教學過程指標可進行實時數據監測、圖形化示教、量化指標評估。VR技術能夠量化指標和客觀數據，模擬培訓學員的臨床能力，促使學院發現問題并探索改進方案，從而提升教學質量，這也是目前國際上醫學模擬教學研究的重點和熱點。加強模擬教學質量評價體系建設，完善教育培訓方法和評估反饋機制，對醫學人才培養服務具有重要意義。
3.1.5促進醫學與理科、工科等多學科交叉共融 傳統醫科人才培養模式往往只關注于醫科專業理論修養與技能訓練。新醫科建設立足于醫學領域，強調理、工、醫、用結合的高層次、全方位人才培養模式[24]。虛擬手術教學和VR醫學教育環節中，打通了信息平臺、VR技術、醫科人才多學科融合的培養鏈條，集成了多種信息化技術、傳感器設備、力反饋技術，整合了信息科學、生物醫學工程、機械工程等優質資源在醫學教育培訓領域的應用[25-26]。虛擬手術和虛擬醫療的發展必將帶動新醫科人才培養模式的發展，有利于促進醫學與理科、工科等多學科交叉融通，是我國搶占醫工交叉技術制高點的新突破口之一。
3.2VR對醫學人才崗位勝任力的作用人才崗位勝任力是人才培養質量的最直接體現。VR對醫學人才崗位勝任力的作用主要體現在對醫學理論和臨床實踐教學模式的迭代、更新和優化，強化醫學生基本理論、基本知識、基本技能的培養。在醫學理論理解深刻度、技能掌握熟練度及臨床思維訓練方面發揮有效作用。
3.2.1提高醫學理論理解深刻度 由于人體各部位結構層次不一、形態多樣、毗鄰關系復雜等特點，醫學教學環節要占用大量的課上時間來灌輸課本內容。但是，僅憑抽象文字內容和簡單模型，難以在頭腦中建立系統性的人體結構框架，授課達不到預期的效果[27]。將VR技術應用到解剖知識教學中，可以將其復雜的解剖結構生動立體地表現出來，使理論概念變得具象化、直觀化、立體化。在大幅度降低教學成本、彌補了教學資源的不足的同時，給醫學教學和研究帶來了很大的靈活性，增加了趣味性和實用性，使學生的理解和記憶更為深刻。
3.2.2增進醫學生技能掌握熟練度 傳統的醫學臨床操作技能訓練模式，嚴重依賴動物、尸體以及物理模擬器械，存在成本高、風險大、針對性差、難以定量評價、效率低等問題。VR仿真醫學實驗通過構建虛實融合的實驗環境和實物對象，可以使實驗者像在真實的環境中一樣運用各種手術器械和設備，對實驗對象進行虛擬操作，完成各種預定的實驗項目，起到學習訓練的作用。該系統不受試驗標本、試劑的制約，突破了傳統實驗教學模式的時空限制，提高了學生學習的積極性和主動性[28]。虛擬手術通過即時交互、反復訓練，過程監控的手段增進技巧和技能熟練度。
3.2.3培養醫學生臨床思維能力 臨床思維是醫療工作者在復雜的臨床場景中，面對突發或緊急癥狀時進行診療處置和臨床判斷的思維過程。臨床思維能力是醫學生培養臨床素質的重中之重，臨床思維的培養目標是通過醫學理論和臨床實踐有機結合，在大量的病史采集、動手實踐和實驗室檢查得到初步臨床資料的基礎上，能夠根據患者的癥狀等多方面信息進行綜合分析和精準鑒別[28]。利用虛擬現實技術構建的診療場景和標準化病人(standardizedpatients，SP)，可以逼真還原患者病變情況，模擬臨床檢查陽性癥狀，學生可以在虛擬環境中通過人機交互進行全面病史采集、臨床檢查及各種實驗室檢查等診療全程關鍵環節練習。南京大學醫學院附屬口腔醫院(南京市口腔醫院)在2020年7月舉行的江蘇省住院醫師規范化培訓(口腔)臨床技能考試中，首次采用了虛擬仿真SP并取得了良好的效果[34]，證明VR技術對于培養醫學生臨床思維能力具有顯著促進作用。
3.3VR在國內醫學教育中的典型應用
VR技術與醫療融合的應用方向十分廣闊，在模擬手術領域，經驗豐富的外科醫生可以利用虛擬手術室學習和探索新技術，或者進一步深化掌握具體手術操作步驟。在培訓領域，學生能夠以身臨其境的方式學習人體解剖、臨床等相關知識[13]。具體到虛擬手術培訓、強化臨床診斷、遠程醫療、心理疾病治療、護理學和康復訓練、產品研發等等方面，VR技術已經取得了廣泛應用，并收獲了良好的實踐效果[29]。
3.3.1口腔醫學牙周操作實驗教學系統 北京大學口腔醫學院根據學生牙周臨床技能訓練的需求，以自主研究帶動教學方式的創新，將基于VR技術的口腔醫學牙周操作實驗教學系統用于牙周操作技能的教學培訓和考核。系統通過建立一個虛擬仿真的牙周基本技能操作環境，進行牙周診療全程關鍵操作步驟的練習，包含牙周探診、齦上潔治、齦下刮治3個訓練單元。使受訓人員通過力反饋設備體驗牙周操作所需的力量、方向、幅度、角度和運動軌跡等精細的動作技能，同時系統可對操作數據進行記錄和分析，實現客觀量化的培訓和考核。系統突出多學科交叉的前沿引領特色，具有較高的先進性和實用性，開創了口腔操作教學量化和規范化的新途徑[30]。
3.3.2醫學技術專業客觀結構化實踐技能教考系統 重慶醫科大學口腔醫學院緊密結合口腔醫學技術專業教學中的實驗需求，詳細分析了口腔醫學技術專業實驗教學中材料準備困難、技能教學/考核困難、無法進行單一流程考核等教學痛點，應用虛擬仿真技術進行實驗教學設計，將口腔醫學技術實驗室模擬搬到線上，通過醫學技術專業客觀結構化實踐技能教考系統對設計類、流程類、判定類實驗項目都進行了深入細致的仿真。系統包含鑄造工藝、可摘局部義齒設計、口腔素描、口腔攝影、牙體雕刻、模型檢查等仿真實驗模塊。通過將信息技術、智能技術與口腔醫學專業技術的實驗教學深度融合，破解高等學�？谇会t學技術專業在原有實驗、實習、實訓中的難題，為我國口腔醫學技術專業提供了寶貴的優質教學資源。同時項目為師生共建，學生直接參與系統設計，對系統提出創新性的構思和設想，與教師多年豐富的教學經驗相結合，極大地提升了學生的創新能力，拓展了學生的眼界和思維[31]。
3.3.3口腔醫學種植操作實驗教學虛擬現實仿真項目四川大學華西口腔醫學院與北京航空航天大學、北京眾繪虛擬現實研究院有限公司聯合研制了我國首款視力覺融合的多功能口腔種植手術模擬器，模擬器主要用于口腔基礎教學、手術技能訓練、手術操作考核。研究團隊在手術三維場景實時逼真繪制，實時交互(刷新頻率1000Hz)、精細力覺反饋(準確區分皮膚、舌頭、牙齒剛度)等關鍵算法上掌握自主知識產權，并具有顯著技術優勢。項目團隊利用虛擬現實仿真手術系統進行口腔種植基礎理論和臨床操作技能培訓，開創并探索口腔種植學教學規范化和可量化新途徑，為系統性造就素質優良，能適應當前臨床需要，并可承擔我國口腔種植學可持續發展的后繼人才奠定重要基礎，為我國其他院校及培訓機構建設數字化口腔種植操作教學體系提供重要參考[32]。
3.3.4牙拔除術虛擬仿真-觸反饋-多媒體實驗教學系統重慶醫科大學口腔醫學院通過建立口腔牙拔除術培訓用虛擬仿真系統，模擬真實感的牙拔除術技能操作環境，進行診療全程關鍵操作步驟真實感操作。通過身臨其境的牙拔除術操作練習，使學生能夠更加真實的進行操作訓練。虛擬仿真系統具有逼真的力反饋手感、實時人機交互、標準規范流程、無耗材反復練習、自我評價和教師監控的優勢。系統極大的調動了學生參與實驗教學的積極性和主動性，從而提高教學效率，提升了教學效果[33]。
3.3.5虛擬仿真標準化病人(VSP) 南京大學醫學院附屬口腔醫院2020年在江蘇省住院醫師規范化培訓(口腔)臨床技能考試中首次將VSP應用到考試當中。在醫患溝通和臨床檢查考站中，首先由真人SP模擬典型癥狀、主訴，考生與SP演員進行對話，完成病史采集，考察學生在臨床接診、問診時的儀容、態度、語言等醫患溝通技巧。然后，在臨床檢查環節應用VSP，由學生進行自主口腔檢查，識別疾病陽性癥狀。最后，由考生根據主訴，病史資料收集，結合自己的臨床檢查，提出可能的診斷、進一步的檢查和治療計劃。與傳統真人扮演的標準化病人相比，VSP可以逼真還原口腔病變，模擬臨床檢查陽性癥狀，學生可以在虛擬環境中通過鼠標交互進行全面口腔檢查操作，包括視診、探診、叩診、捫診、松動度檢查以及各種特殊檢查等，自主收集臨床資料。系統同時對學生操作過程進行實時記錄，并對記錄的信息進行分類統計[34]。
3.3.6智能多模態臨床綜合技能虛擬在線自主訓練課程四川大學華西臨床醫學院利用3D人體建模、情景化虛擬場景構建的在線虛擬訓練軟件結合翻轉課堂教學方法，開展了智能多模態臨床綜合技能虛擬在線自主訓練課程。課程以虛擬病人為操作對象進行自主在線虛擬訓練，教師可針對學生課前自主練習暴露的問題開展針對性教學。實現了“學生自主學習”“以學生為中心”的實驗教學方法的改革與創新，旨在培養醫學生腰椎穿刺、胸腔穿刺、骨髓穿刺等20項臨床基本技能操作能力，提高醫學生崗位勝任力[35]。
3.3.7基于癥狀學的臨床技能和臨床思維虛擬實訓教程中南大學以常見癥狀為切入點，基于臨床收集的典型病例，通過運用虛擬仿真技術構建臨床情景，以及獨特的臨床鑒別診斷專家對比教學方法，將每個案例分為病史采集、體格檢查、輔助檢查、檢查結果、鑒別診斷、治療計劃等多個功能模塊，并通過大量的臨床數據采集，將診療過程的資料以文字、聲音、影像等多媒體互動的形式展示給學習者，并將虛擬的臨床操作技術融合到案例中，進一步通過運用系統中在線考核和評價對比功能，綜合提高醫學生的臨床技能和臨床思維能力[36]。
3.3.8腹腔鏡手術模擬系統在外科手術教學中的應用哈爾濱醫科大學采用基于虛擬手術的教學方式，有助于學生在腹腔鏡下多種術式的學習及操作能力的培養。通過人體解剖視覺重現和力反饋技術，通過虛擬手術可模擬清晰逼真的臟器畫面及真實器械操作手感，可按要求設置不同腹腔鏡下手術術式。系統包括腹腔鏡手術基本理論、基本功訓練、分布操作、綜合訓練等模塊，使學生通過模擬訓練系統來學習腹腔鏡下多種手術術式的操作流程，并進行臨床手術技能訓練，從而達到快速提高學生臨床手術操作技能的實驗目的[37]。
在上述應用實例中，通過建立虛擬人體模型并開展虛擬手術、醫療仿真和虛擬教學研究，可實現人體從微觀到宏觀的結構和功能的數字化仿真，有效輔助手術方案的制定和復雜手術的模擬，提升新醫科教學成效，VR技術已經成為理工醫用交叉的新一代醫學研究、臨床治療和醫療人才培養的先進技術支撐。——論文作者：高陽1，趙沁平1△，周學東2，郭全民3，席濤4
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