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虚拟现实在心肺复苏培训中的应用进展

来源:搜集整理   日期:2021-08-05   点击数:

  摘    要:虚拟现实以其真实感、沉浸感与交互性的特点,在推动医学专业技能培训的发展中显示出了巨大潜力。而心脏骤停是目前全世界范围内一项重大的公共卫生问题,进行及时有效的心肺复苏是挽救心脏骤停患者的关键;但是,在传统应用心肺复苏模拟人进行心肺复苏教学的模式下,受训者的学习效果总是受限于有限的练习及较低仿真的情景模拟,而基于虚拟现实的心肺复苏培训有望改善传统心肺复苏教学中人力、时间、地点的资源限制,强力地推动心肺复苏的优化和普及,并带来潜在的社会效益:因此,基于虚拟现实的心肺复苏培训可能是未来心肺复苏培训的一大趋势。
  
  关键词:虚拟现实技术 心肺复苏 培训 应用
  
  Progress in the application of virtual reality in cardiopulmonary resuscitation training
  
  Xu Xinjie Huo Zhaochang Zhao Zijing Qian Dandan
  
  Southern Medical University The Second Medical School; Southern Medical University The Clinical Skill Training Center,Zhujiang Hospital;
  
  Abstract:Virtual Reality(VR), with its sense of reality, immersion and interactivity, has shown great potential in promoting the development of medical professional skills training. Cardiac arrest(CA) is a major public health problem in the world, and timely and effective cardiopulmonary resuscitation(CPR) is the key to save patients with cardiac arrest. However, under the traditional CPR teaching mode with cardiopulmonary resuscitation simulator, the effect of training is always restricted by limited practice and relatively low simulation. The VR based cardiopulmonary resuscitation(VR-CPR) is expected to improve the manpower, time and location resource limitations in traditional CPR teaching, strongly promote the optimization and popularization of CPR, and bring potential social benefits. Therefore, VR-CPR may become a trend of CPR training in the future.
  
  Keyword:Virtual reality; Cardiopulmonary resuscitation; Training; Application;
  
  虚拟现实(virtual reality, VR)是一种可创建和体验虚拟世界的计算机系统,用户可通过穿戴设备与模拟的环境进行人机交互,这一技术的沉浸感和交互性,有效克服了传统计算机技术仅以视觉或听觉为主要感知方式的缺陷,能够让用户获得身临其境的感受。目前,虚拟现实已经涉足多个领域,如娱乐、航天、教育、医疗等[1]。在临床医学方面,已有许多研究证明了虚拟现实在身体康复、疼痛管理、手术训练、解剖教育和精神疾病治疗方面的优势[2-5]。可见,虚拟现实在无风险的临床培训中具有巨大的教育潜力。
  
  心肺复苏(cardiopulmonary resuscitation, CPR)包括人工呼吸和胸外按压,是抢救心脏停搏(cardiac arr- est, CA)的主要手段。对于CA患者,救治成败的关键在于最初的4~6 min的现场CPR;但是,由于CA多数发生于院外,急救人员到达现场时,往往已经超过了挽救患者生命的“黄金时间”[6],因此,院外第一目击者能够迅速采取CPR尤为关键。调查显示,我国院外第一目击者CPR实施率仅为4.48%[7],CPR 成功率更是远低于发达国家和地区[8-9],其原因主要在于CPR培训普及程度不够,我国CPR培训的普及率尚不足1%[10],以及缺乏高质量的CPR培训[11]。自2016 年“全国CPR普及进亿家精准健康工程”启动,国家已经将CPR作为公民必备的急救技能[12],在这个背景下,如何加大对公众CPR培训的普及力度,以及如何提供高质量CPR培训是值得探索的。
  
  美国心脏协会(American Heart Association, AHA)建议使用与计算机科学相联系的方式来提高CPR质量和普及率[13]。2020年AHA心肺复苏指南推荐,在进行CPR培训时,可考虑虚拟现实技术[14]。目前,CPR的培训方式日渐多元化。传统CPR认证课程的主要教学形式依靠CPR指导员操作,与学员进行面对面授课。如今,课程更多地采取以视频为主、小班教学的标准化教学模式,是目前国际上大规模标准化认证培训的首选方式[15];此外,应用具有实时反馈功能的高仿真模拟人的情景教学模式,更强化了受训者理论与实践的联系[16]。但是,因人力、时间、地点等资源限制,受训者常常难以得到充分的练习,CPR普及率亦无法充分扩大;更重要的是,模拟复杂情景是十分困难的,即便是采取情景教学,由于CA发生的情况复杂多样,情景模拟并不能包含所有事件。高仿真模拟人亦不能准确、及时、动态地反映患者的病情变化,如发绀、腹胀等[17]。受训人员很大程度上会因为机械练习(即缺乏紧迫感、代入感),在实际情况下因心理因素而无法执行正确的CPR操作[18];而依靠VR技术所具备的交互性、沉浸感、高仿真性等特性能够给以上困境带来创新的解决方案[19-20]。基于此,文章从形式、优点、培训结果、VR面临的问题等方面,对基于VR的CPR培训(virtual reality based cardiopulmonary resu- scitation, VR-CPR)模式进行综述。
  
  1 VR-CPR的形式
  
  VR-CPR的形式大体可分为两种:一是建立VR指导的新型培训模式,通过VR交互设备、模拟人以及实时反馈系统,受训者可以独立进行CPR技能学习。这种形式的建立基于用户本身,用户从第一人称视角使用控制器和附件与一个可以动态变化的三维立体场景进行交互[21]。VR系统可以在一个有六自由度的三维空间中跟踪运动,这一装置能够持续捕捉参与者头部的位置、眼睛的注视方向以及身体动作,并将这些数据信息流入计算机中,可有效地创造出一个具有与参与者动作完全一致的虚拟人。二是环境虚拟现实,这种形式是从改变环境的角度,在虚拟现实空间内模拟出某些特定情境,使一些特殊场合CPR培训和研究变成现实。通过模拟现实生活中难以复制的场景,进而达到练习或评估CPR的目的[22]。
  
  2 VR-CPR特点
  
  2.1 高参与度
  
  “VR-CPR”隶属于严肃游戏,以教授知识技巧、提供专业训练和模拟为主要内容[23],这一游戏化的培训模式可以大大调动受训者的注意力和学习积极性,从而提高受训者的参与度[24]。由于传统CPR教学中采取的面对面授课或视频授课的形式较为枯燥,削弱了受训者的学习动机,进而影响CPR质量。积极的学习方法可以有效提高学员对内容的理解力和记忆能力[25-26]。一项研究探究了使用VR系统进行CPR的教学效果,22人采取了VR-CPR教学模式。调查表明[27],受训者均表示他们沉浸于这种游戏化的培训模式中,认为这一新型训练模式可有效提高注意力、记忆力以及学习动机。此外,VR 作为一项新兴技术能够充分满足受训者的猎奇心理,提升其学习兴趣;并且在操作的同时,受训者甚至可以在透视的视角下观察患者身体内部器官的运动变化,从而更好地了解操作的机理,进而提高对 CPR 的感性和理性认识[28]。
  
  2.2 仿真性
  
  基于VR创造的可交互数字世界,CPR受训者可在其中产生真实的感官知觉,这在目前的传统培训中是无法做到的[29-30]。研究表明,自信心影响院外CPR施救率,训练场景越逼真,对技能掌握能力越强,操作者的自信心也越强[31-33]。接受传统CPR培训的受训者在现实生活中遇到CA患者时,很可能会因为心理受阻而无法执行正确的CPR操作,从而影响抢救质量[34];而VR的高度仿真性能最大限度地模拟受训者现实情况下的体验,结合使用增强现实人体模型[35],可以让受试者真实地体验心脏骤停患者的典型症状,例如进展性皮肤颜色变化和瞳孔散大等,当受训者完成符合质量的CPR操作,病理体征就会恢复正常。一项对CPR培训的调查研究中[34],以认可等级评分(1~7分,1分为强烈不认同,7分为强烈认同)为调查方式,训练组10名志愿者之前接受过传统CPR培训,未训练组13名志愿者之前未接受过传统CPR培训。训练组志愿者对是否有自信在现实情况下实施CPR进行评分,仍有部分受试者表示无法施展(2分/7分)。在接受VR-CPR后,10人均在自信心一项给出了7分的成绩,并且大多数参与者(n=18,78%)强烈同意这一训练模式有助于自信心和能力的提高;另一项调查中[35],招募了39名志愿者(其中67%为CPR指导员)体验VR-CPR这一新型教学模式,受训者均表示VR-CPR的仿真性很高,能够感受到进行CPR时由于时间紧张和心理负担所带来的紧迫感:可见,基于VR高度模拟现实情境的特点,能够激发参与者做出类似于现实世界中的生理反应和社会反应[36]。
  
  2.3 其他特点
  
  VR-CPR能够提供实时反馈和充足的训练机会。CPR作为一项操作技术,除了需要反复的实操外,对于操作不足之处的及时纠错以及针对性的练习更为重要[37]。一项对加拿大居民的调查研究显示[38],约半数接受调查的居民认为心脏骤停训练不足,并且有超过半数的居民认为标准的心脏骤停训练课程没有提供足够的训练。由于在传统CPR教学课堂中,受限于资源、人力等因素,受训者并不能够获得足够的练习时间,并且有限的指导员无法针对每名受训者细节的不足之处及不规范操作进行个体化指导,使得受训者的操作质量达不到理想效果[39];此外,CPR培训机构的培训水平参差不齐,即使是获得了基础生命支持(basic life support, BLS)和高级心脏生命支持(adv- anced cardiac life support, ACLS)认证的人员,也无法确保能够将所掌握的CPR技能在心脏骤停患者身上充分使用[40]。VR-CPR这一新型训练模式给这一困境带来转机,受训者只需简单了解这一系统的操作模式,便可根据系统的提示,更正错误的按压位置、按压深度与频率,进而提高现实操作中的CPR质量;并且受训者可依靠这一系统在无需指导员指导与评估的情况下进行CPR个体化的学习,增加了受训者获得充足且高效的CPR训练时间,同时,也节省了人力资源与时间成本,有助于CPR普及率的提升;此外,通过大量受训数据,可分析出CPR培训过程中受训者存在的共性问题,从而进一步优化VR-CPR培训模式。
  
  3 VR-CPR在心肺复苏培训和考核评估中的优势
  
  3.1 VR-CPR有助于高质量CPR操作
  
  对CA患者提供高质量的CPR是改善患者生存的关键[41]。高质量的CPR包括合适的胸部压缩率,胸部按压深度,按压后胸廓充分回弹,按压过程中尽可能减少中断和避免过度通气[42]。VR-CPR游戏化、沉浸式、高仿真且灵活的教学模式可显著提高学习效果[43]。有研究[27]对比了2D模式的平板电脑和3D模式可交互的VR系统之间的CPR教学质量。其中,VR组22人,平板电脑组18人,心肺复苏质量量化评分细则满分为70分。训练前VR组的测试平均分劣于平板电脑组(47.4/70 vs 53.2/70),然而,训练后VR组的CPR测试水平明显提高,平均分超过平板电脑组(65.4/70 vs 62.1/70)。另一项研究比较VR-CPR与传统CPR教学[44],纳入了381名志愿者,其中190名志愿者于VR训练组(VR组),191名志愿者于传统面对面CPR培训组(传统组),结果显示,VR训练组在胸部压缩率(114 min-1 vs 109 min-1)和按压后完全回弹比率(98% vs 88%)均优于传统CPR教学组。可见,VR-CPR有助于实现高质量的CPR操作。
  
  3.2 VR-CPR有助于CPR技能水平的维持
  
  随着培训后时间的延长,受训人员的CPR 操作水平会逐渐降低,并且培训方法的不同会影响技能水平的降低速度和幅度[45]。一份纳入了35 421名志愿者的系统性综述显示[46],CPR培训后3~6个月受训者就须进行复训以避免技能的遗忘。一项研究[47]将71名受训者分成VR组与传统培训组,两组在培训后1个月和6个月分别进行CPR操作测试,比较重点条目(按压部位、按压频率、按压深度和按压后胸廓回弹)得分情况(满分为20分)。结果显示,培训后1个月(18.87±1.525 vs 16.00±3.051,P<0.05)和6个月(18.30±2.200 vs 15.57±3.390,P<0.05)VR组得分均高于传统培训组,即VR-CPR的培训模式有助于CPR 技能水平的维持。
  
  3.3 VR可模拟复杂情境下CPR培训
  
  院外CPR主要过程包括现场CPR和救护车运输期间CPR[48]。调查显示,从报告心脏骤停事件到紧急医疗服务队到达现场的平均时间约为9 min, 到达医院则需20 min左右[49],救护车运输期间CPR的时长占大部分。然而,救护车运输期间实施CPR的质量不符合AHA和欧洲复苏委员会提出的标准[50]。但是由于道路状况、交通流量以及驾驶员的驾驶行为等原因,在救护车上进行心肺复苏的培训非常困难,此时可通过环境虚拟现实技术来模拟真实情境。Beom H J团队研发了包含救护车、移动平台和VR驾驶系统的救护车模拟器,在实验室中模拟出救护车行驶的情境,包括各种路况与驾驶模式[22]。由此,使用VR模拟各种复杂情境,使得一些难以开展的CPR培训成为可能[51-52]。通过还原度较高的场景,救援人员能够充分体会到危机场景下实施CPR的困难程度以及相关的注意事项,并且借助现实场景高度重现的特点,能够更加便捷且有针对性地制定相应的培训内容和训练项目,如在普通病房和麻醉恢复室,最需要重点预防和应对的CA病因是窒息;而在口腔科诊室,除了模拟口腔诊台CPR操作的尝试和演练外,防止异物脱落造成窒息和麻醉意外则是预防CA 的首要问题[53-54]。
  
  3.4 VR-CPR可以统一评估标准
  
  在CPR培训评估方面,为使评估数据更加精确,培训机构会让数名培训师同时评估受训者操作以减少考官间信度差异而带来的数据偏倚[55];但是,同一培训师由于长时间评估多个CPR操作,会导致数据受考官内信度影响,并且因考核时考官操作繁琐,同一时间内需要关注的操作条目太多,常会忽略某些得分,最终的考核成绩仍然具有主观性[56]。而VR-CPR培训系统的应用,考官们可以在系统开发过程中就对关键操作达成一致,进而解决信度偏移这一问题[57],换言之,对每一个受训者使用的是同一套评估系统,因此,可以更客观准确地进行评分,避免了考官间信度不一致以及考官内信度波动;此外,统一的评估标准能给出大量稳定而受信任的数据,对于提升受训者的CPR质量有重要意义。
  
  4 VR-CPR面临的问题
  
  如今,VR虽应用越来越广泛,但其技术层面仍有较大发展空间,不同制造商的产品质量也参差不齐。对科研培训机构来说,引入VR要考虑经济因素,不同形式的VR所需要的价格也不尽相同:目前市场上,一幅VR眼镜的平均价格为300~1000元;具有Room-scale技术的VR系统需5000元左右[20];可传输数据的模拟人价格约为20 000元。在CPR培训上,还须开发和引入CPR培训系统,目前CPR培训系统仍处于初级阶段,软件开发具有一定的技术难度;还必须解决功能、系统维护和系统价格之间的权衡问题,故在技术与经济上,VR还有待完善。此外,VR设备的穿戴很容易导致受试者视觉系统和前庭系统之间的不匹配,使受训者产生一定的眩晕感。随着VR的头戴式系统(HMD)的技术改进,VR的屏幕分辨率和刷新率的提高,眩晕风险已被最小化。
  
  5 讨论
  
  CPR作为CA的抢救方法已有50多年的历史;但世界范围内,患者心脏骤停后的存活率并没有得到显著的提高,CPR操作的质量和普及率也未满足社会需求[58]。而VR-CPR这一新型培训模式的应用,凭借其所具备的高参与度、高仿真性、及时反馈等智能化的特点,可以革新传统CPR教学质量和普及工作上所面临的弊端,最大程度地优化受训者的培训效果,如提高自信心和技能水平等,提供更充足的训练机会。VR-CPR教学模式能够拓宽时间和空间的限制,让CPR培训有更大自由度,以更经济、更灵活的方式提高CPR的受训质量和普及率。但目前,技术和经济因素在一定程度上限制了VR-CPR的广泛应用,文章的不足之处也在于没有在VR-CPR费效比这一层面进行更为深入的探讨,希望有更多学者对此进行相关的调查研究,从而得出更为科学的结论。
  
  可以预见,随着VR在硬件和软件上的不断革新,以及对于CPR培训体制、内容的不断优化,VR-CPR培训模式将会取代传统CPR教学成为医学模拟教育中不可或缺的培训方式,从而提高CPR的培训质量和普及率。
  
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