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    醫學論文

    虛擬現實技術在新醫科人才培養中的作用及應用現狀

    時間:2021年03月12日 所屬分類:醫學論文 點擊次數:

    【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

    醫學教育

      “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。

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      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

      2.1 VR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]。

      2.2 VR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。

      2.3 VR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]。

      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]。

      3 VR技術在新醫科人才培養中的作用與應用實例

      3.1 VR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。

      3.2 VR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。

      3.3 VR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]。

      4 總結

      醫學教育是衛生健康事業發展的重要基石[2]。隨著第四次工業革命的興起,特別是新一代信息技術如虛擬現實、人工智能、大數據、云計算、5G、互聯網等的快速發展,醫學研究、醫學教育和醫學實踐的改革發展將面臨重大機遇和挑戰。在新醫科總體戰略部署下,每一所醫學院校、每一個醫科專業、每一門醫學課程和每一位醫學教師都要肩負起推動醫學教育創新發展的責任和義務,主動掌握和有效運用虛擬現實等新技術,為醫學人才培養增加或升級新手段、新路徑、新工具和新方法,共同推動醫學人才培養“上水平、提質量”,為推進健康中國建設、保障人民健康提供強有力的人才保障。

      參考文獻:

      中國青年報.教育部等13單位聯合啟動“六卓越一拔尖”計劃2.0.(2019-04-29)[2020-12-04].http://www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/xw_zt/moe_357/jyzt_2019n/2019_zt4/tjx/mtjj/201906/t20190619_386454.html.[1]

      國務院辦公廳.關于加快醫學教育創新發展的指導意見(國辦發[2020]34號).2020-09–23.

      作者:高 陽1,趙沁平1△,周學東2,郭全民3,席 濤4

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