基于VR的战创伤麻醉技能训练教学平台的构建与应用探讨
时间：2023-06-24 22:25:02 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
鲁晋方，马 鹏，张艺璇，郑 奋，李永华，袁红斌
海军军医大学：1.第二附属医院麻醉科， 上海 200003；
2.卫勤系计算机与仿真技术教研室， 上海 200433
虚拟现实(virtual reality,VR)技术是通过计算机硬件和软件协同，为用户创建外观和感觉类似于现实世界的虚拟环境[1]。目前，虚拟现实技术已被应用于手术技能培训[2-4]、紧急胸腔穿刺减压操作训练[5]、大批量伤员的检伤分类训练[6]、眼科眼底镜检查培训[7]、口腔植入体放置[8]、导尿术培训[9]、解剖知识学习[10]、血管造影学习[11]、病理读片训练[12]等医学教学场景中，并取得了良好的教学效果。Barteit等[13]对2014—2019年间发表的相关文献进行了汇总分析，认为同传统教学方式相比，虚拟现实技术不仅可获得同等或更好的学习效果，而且能激发学员学习热情，而不会对真实患者造成伤害。虚拟现实技术辅助教学的这些优势表明，虚拟现实技术是一种有效的医学教学工具，为解决当前战创伤麻醉教学面临的实际问题提供了新的思路。
战创伤麻醉学是一门理论与实践并重的临床学科，然而受多种因素制约，当前战创伤麻醉实践教学容量难以满足学员的学习需求，具体表现为：①战创伤麻醉技能教学中基础理论学习与实践技能训练之间尚缺乏有效的衔接手段。②实践课的教学资源有限，学员课后巩固困难。③临床实践机会相对不足。临床教学中可用于学员实践的机会十分有限[14]，同时部分战创伤麻醉场景难以在教学中模拟复现、急危重症麻醉病例罕见且紧急，难以用于开展临床教学。④优质师资地域分布不均。这些问题的存在显著制约了麻醉军医岗位胜任力的提升。因此，探索构建新型战创伤麻醉技能训练教学平台具有重要的现实意义。
1.1 VR的呈现形式与硬件选择
VR技术具有多样化的呈现形式和种类丰富的硬件资源，VR的呈现形式与VR硬件的选择息息相关。例如，普通的手机屏幕或显示器即可作为呈现虚拟现实技术的显示媒介；
但其显示效果与VR头盔呈现的效果相差甚远，给使用者带来的使用体验也截然不同。研究表明，与非沉浸式VR系统相比，沉浸式VR系统能对使用者施加更强的干预效果[15]，能更有效地吸引学员的注意力，因此该研究选用沉浸式虚拟现实技术构建平台功能，其对应设备为VR头盔、定位器和手持控制器。基于沉浸式虚拟现实技术，虚拟教学场景可以逼真地呈现在学员面前，学员不仅可以全景视角在虚拟手术室内自由转动，并能以同现实世界相近的逻辑与手术室内的物品交互，仿佛亲身来到手术室。
1.2 软件开发平台
Unity 3D是由Unity Technologies公司开发的一款支持多平台的应用开发的开发工具，其提供一套完善的软件解决方案，是当前应用最为广泛的3D开发工具之一。该研究以Unity软件作为主要开发平台，使用C#语言编写逻辑代码，实现平台功能，使用SteamVR Plugin开发包实现平台对VR硬件的调用。
1.3 场景构想和搭建
在教学实践中，学员进入手术室内见习往往因环境陌生而感到紧张，影响学习效率，浪费了宝贵的临床见习机会。研究表明，基于虚拟现实技术的暴露疗法可明显缓解这种紧张焦虑情绪[16]，因此将教学平台的场景设定为某医院的手术室内。手术室具备完备的基础设施，包括麻醉机、麻醉操作台、治疗托盘、办公电脑、手术床、无影灯等手术室常见设备设施，且依照临床实际物体比例调整模型尺寸，为用户提供与真实手术室尽可能接近的沉浸体验。虚拟手术室还具备各类无菌包、器械、药品等物品和相应的模拟人，用于学员麻醉操作技能练习。根据场景需求，使用3D Max和Maya等软件建立三维模型并导出，将导出的模型文件导入Unity 3D布置场景，继而通过绑定各类功能组件、设置光照和贴图等步骤实现虚拟手术室场景的搭建(如图1所示)。
图1 战创伤麻醉技能VR教学平台场景
1.4 教学平台设计
战创伤麻醉技能VR训练教学平台总体功能设计(如图2所示)包括《海域环境战创伤麻醉指南》培训、战创伤麻醉技能训练两大功能模块，以及精细操作检测模块、实时操作反馈模块、提示模块、训练总结模块四个支撑服务模块。
图2 战创伤麻醉技能VR教学平台总体功能设计
1.4.1《海域环境战创伤麻醉指南》培训模块
为帮助学员掌握海域环境下战创伤麻醉和救治的基本原则，教学平台专门设立了《海域环境战创伤麻醉指南》培训模块。在此模块内，学员以全景视角进入《海域环境战创伤麻醉指南》的培训课堂，跟随专家教授深入学习《海域环境战创伤麻醉指南》，培训提纲如图3所示。
图3 《海域环境战创伤麻醉指南》培训提纲
1.4.2战创伤麻醉技能训练模块
为应对复杂多变的海上卫勤保障需求，麻醉军医需要掌握多种关键救治技能，而随着战创伤救治研究的不断深入，这些救治技能必然需要不断地增加和完善。这对该模块开发的灵活性和可拓展性提出了更高的要求。因此，在开发过程中以模块化的思维指导代码编写，根据代码功能区分共享类和私有类，并为每一项技能单独设立子模块，各个子模块之间相对独立，为后期添加和完善子模块提供较大的灵活性。最终实现该模块的逻辑流程如图4所示。
图4 战创伤麻醉技能训练流程图
1.4.3提示模块
VR教学平台内的提示模块预先储存了战创伤麻醉技能的标准操作步骤，当学员操作到相应步骤时，系统以语音、文字、图标等多种形式提示后续操作步骤，帮助尚不熟悉操作步骤的学员完成操作流程，从而实现以VR教学平台代替教员指导学员练习操作技能的目的。此外，提示模块还可帮助学员在初次使用时尽快熟悉平台功能，掌握VR教学平台的使用要领，减少不必要的时间浪费。
1.4.4精细操作检测模块
战创伤麻醉救治操作的成功与否，同操作实施的精度密切相关，因此在战创伤麻醉技能的训练阶段实时高精度检测用户操作对学员的技能学习具有重要意义。平台内部专门设定了不同形式和功能的触发器，实时获取触发器的响应状态，并通过软件内部逻辑代码对不同的触发器响应组合进行汇总分析，实现对学员动作的精细检测，以满足战创伤麻醉技能操作对关键动作细节的精度要求。例如，在蛛网膜下腔麻醉的穿刺模拟中，根据需要设定碰撞体，可实现对穿刺针进针点和进针深度的检测；
通过穿刺针在三维方向上的旋转属性，经坐标系变换可推算出穿刺针的进针角度，最终实现对穿刺过程的实时精细检测。
1.4.5实时操作反馈模块
教学反馈既是教学过程的必要环节,也是实施教学活动和完成教学任务的基本方式与重要手段[17]，尤其在技能教学中，教员即时的指导反馈对学员学习操作技能具有重要意义。为避免学员在反复练习中积累错误经验，并真实地模拟技能教学中教员与学员的互动反馈，平台在实现对学员操作动作精细检测的基础上，依据当前步骤的操作要求判断学员操作是否正确，进而根据判定结果做出不同的反馈。例如，当判定结果正确时，系统会自动进入下一步操作；
当判定结果错误时，系统提示操作错误，并以语音和文字的形式说明错误原因和处理方法。
1.4.6训练总结模块
当完成麻醉技能的操作步骤后平台将自动弹出总结分析面版，对学员在该次练习中的表现进行评价，以“遗漏步骤XXX”“XXX步骤错误”的形式指出遗漏或错误的步骤，同时显示正确的操作步骤。设定练习操作的满分为100分，根据练习操作中错误问题的数量和严重性扣除相应的分数，最终分数作为此次学员练习操作的总分。
2.1 VR教学平台的初步应用
战创伤麻醉技能训练VR教学平台构建完成后，在麻醉专业学员中进行了初步应用，参与试用的学员由在海军军医大学第二附属医院麻醉科的实习学员和规培学员组成，共计26人。此次试用特别设置了由3名高级职称教员组成的观察组，在学员自主体验过程中，观察员仅观察学员在使用VR教学平台时的表现，不干预学员的自主操作，在学员体验结束后由学员完成调查问卷，并允许观察员与学员沟通(如图5所示)。
图5 学员试用战创伤麻醉技能VR教学平台
2.2 初步应用结果
调查结果显示，所有参与VR教学平台试用的学员均认为VR教学平台有助于麻醉临床技能的学习，可以帮助其在临床阶段更快地掌握操作技能。就学习兴趣而言，在理论课学习、通过书本或视频学习、在模型上练习麻醉操作、临床上教员带教、使用VR学习麻醉操作技能等常见学习方式中，53.85%(n=14)的学员认为使用VR教学平台时的学习兴趣更高，认为临床上教员带教时学习兴趣最高的学员占34.62%(n=9)，认为在模型上练习时学习兴趣最高的仅占11.54%(n=3)，没有学员认为理论课学习和通过书本视频学习的学习兴趣最高。
就学习效果而言，认为临床教员带教最有助于学习操作技能的学员最多，占全部学员的80.77%(n=21)，另有19.23%(n=5)的学员认为VR教学平台比其他学习方式更有助于学习操作技能。
在有教员指导时，53.85%(n=14)的学员认为在实体模型上练习操作技能的学习效果优于VR教学平台，34.62%(n=9)的学员认为二者学习效果相差不多，11.54%(n=3)的学员认为VR教学平台的学习效果更好。在没有教员指导时，53.85%(n=14)的学员认为在VR教学平台上练习操作技能的学习效果优于实体模型，30.77%(n=8)的学员认为二者学习效果相差不多，15.38%(n=4)的学员认为在实体模型上练习的学习效果更好。
2.3 VR教学平台的优势
前述数据表明，临床教员带教是学习麻醉操作技能最有效的学习方式，然而在教学实践中临床带教的人均课时容量有限，且教学内容随机性极大，这些问题难以在短时间内得到改善。因此，为解决临床技能教学资源短缺问题，部分教学资源丰富的院校建立了专门的临床技能教学中心。这种临床技能教学中心多数基于实体模型，可在一定程度上缓解临床实践资源匮乏的问题，但其建设和使用仍然存在诸多限制和不足：①建设和维护成本高[18]。仅适用于部分建设资源丰富的院校，多数院校难以复制。②临床技能教学中心课时容量一定，学员的人均实践时间仍然有限。③学员使用不便。技能教室的使用由院校统一规划，因而技能练习时间相对集中，内容单一且固定，难以在课后有选择性地自主强化巩固。④师资依赖明显。学员操作技能的提高离不开技能教学中心教师的亲身指导，临床技能教学中心需要配备相应的师资队伍。这种实体模型教学对师资的依赖在前述问卷调查结果中得到了印证。以上问题的存在极大地限制了基于实体模型的教学中心在院校间的推广，也不便于学员使用。
根据学员的试用表现和观察组反馈，与传统的基于实体模型的战创伤麻醉技能实践教学相比，该研究构建的基于VR的战创伤麻醉技能训练教学平台具有以下优势：①资源占用少。基于实体模型的传统技能教学依赖各类模拟人、专用模型器材的配备，不仅资金投入高，占地面积大，而且专门的维护和管理的资源投入高。而VR教学平台仅须消费级电子设备，同专业医疗教学仪器相比，价格低廉且无须建设专用场地，运行维护成本低。②学员使用灵活便捷。基于实体模型的教学限定了学习的时间和地点，而使用VR教学平台无此限制，可更好地满足学员的多样化需求。③可拓展性强。VR的教学可通过软件更新不断添加最前沿的战创伤麻醉技能。④有利于弥补各基层单位间战创伤麻醉技能训练水平的差异。
2.4 VR教学平台的问题
受技术、人才等多种因素的制约，目前基于VR的教学平台建设仍然存在如下问题：①软件工程师和医学教育专家深度融合不够，导致高质量医学VR资源库缺乏；
②VR控制方式相对单一，不便于完成复杂动作，如外科打结手法的练习难以由VR实现；
③VR呈现效果精细化与VR设备的轻量化之间存在矛盾。这些问题的解决一方面依赖于整个VR产业的进步，另一方面也需要医学教育工作者更多、更早地参与到VR教学平台各要素的开发中。
该研究成功构建了战创伤麻醉技能VR训练教学平台，是将VR用于战创伤麻醉技能训练教学的一次探索，可用于军医大学麻醉学本科生战创伤技能训练实践教学，麻醉军医任职教育培训，以及基层一线军医战创伤麻醉技能训练与考核。该平台作为一种新型教学手段同基于实体模型的教学中心相比具有诸多优势，对军队院校教育、部队训练实践、军事职业教育“三位一体”新型麻醉军医的培养具有重要意义。该平台的构建证明VR在战创伤麻醉教学领域潜力巨大，并有望随着技术、人才等要素的不断发展，在战创伤麻醉学教学改革和人才培养中发挥出更大的作用。
猜你喜欢实体模型操作技能虚拟现实机械装配中钳工的操作技能分析内燃机与配件(2022年2期)2022-01-17作战想定仿真实体模型构建方法研究科教导刊·电子版(2020年24期)2020-10-21关于学生实验操作技能省级测试的思考——以高中生物学为例生物学通报(2020年10期)2020-08-13REALITY BITES汉语世界(2017年3期)2017-06-05风口上的虚拟现实商周刊(2017年24期)2017-02-02虚拟现实技术向科幻小说借灵感海外星云(2016年7期)2016-12-01建筑设计中的实体模型中国房地产业(2016年20期)2016-04-12PDCA循环在护生中医操作技能培训中的应用研究中国中医药现代远程教育(2014年15期)2014-03-01职业教育操作技能形成的心理学解析太原城市职业技术学院学报(2014年11期)2014-02-27浅谈虚拟现实中国科技术语(2012年3期)2012-03-20
