面向医学影像专业学生虚拟现实仿真系统的实现

面向医学影像专业学生虚拟现实仿真系统的实现

鲍建峰,李景华,胡志刚

河南科技大学 医学技术与工程学院 医学影像技术教研室  河南省 洛阳市 洛龙区 开元大道263号 邮编 471000

摘要

导言：评估了一个沉浸式虚拟现实（VR-MIT）模拟医学影像中心，该中心具有动态的患者交互和交流，以促进医学放射科学学生的培训。2016-2021年，软件“VR-MIT”被整合到医学影像技术专业开的实验课程中，以便将学生体验与现有传统物理教学方式进行对比。方法：使用基于两组学生的使用效果的反馈来评估和优化模拟医学影像检查的临床环境。该环境使用逼真的3D模型、嵌入式临床场景、动态通信、3D手势交互、凝视和位置立体跟踪以及使用“游戏和物理引擎。通过六点量表问卷，分析了学生在使用模拟工具后对其定位技能教育增强的看法。结果：学生感知分数表明，沉浸式VR-MIT的虚拟现实中心的模拟模式与传统影像技术教学模式之间存在显著差异。结论：学生对改善手部临床和技术技能的认知分数较高。使用VR-MIT执行的定位任务比使用不提供动态患者交互和沟通的比较基准模拟执行的定位任务要多。

介绍

模拟通常用于临床教育，以培养一系列临床前和临床技能。此外，虚拟现实（VR）环境等电子学习平台现在也广泛用于提供这些活动，使大学能够扩大其培训软件的有效性可能会受到其低保真度的限制。在仿真中，逼真度描述了系统的真实度和准确性。高保真模拟学习环境（SLE），如飞行模拟器中使用的环境，可占飞行员强制飞行时间的30%。预计高保真仿真在医学成像中也能发挥类似的作用。和其他学科一样，培训医学影像从业者的机构的主要目标是证明其学生的日常能力达到认证机构要求的水平。传统上，在x射线成像领域，大学使用了一些模拟工具，包括拟人模型和功能性和智能x射线机。虽然像这样的“中程模拟”设置能够培养临床前技能，但在功能、患者演示和可教给学生的临床场景方面存在很大的局限性。

近年来，越来越多的报道称VR-MIT用于医学影像（放射）临床教学，其软件包括医学影像训练沉浸式环境，这些工具的每一个都被设计用来再现现实世界医学成像/放射治疗临床培训经验的一个或多个方面。使用这些工具的优点包括节省人力资源、设备和场地成本。然而，现有的VR-MIT存在一些明显的缺点，包括缺乏真实感或沉浸感、易用性、程序过程的复制有限以及患者互动有限，无法与患者沟通等。与真实世界的模拟工具一样，当前的医学成像VR-MIT通常不提供完整的患者-从业者经验的融合。

临床教育培训解决方案是自2010年以来一直在开发的浸入式放射检检查技术VR-MIT。2015年，它被正式纳入医学影像技术专业放射检查学和医学成像理论的学士课程，以便根据2014年评估的结果，等其他模拟工具和环境，对其开发和性能进行基准测试。作为一个渐进的工作的一部分在设计新的VR-MIT时，我们回顾了利用现有应用进行研究的学生反馈。该过程涉及对当前文献的审查，详细说明截至2021年9月的现有教学成果。检索的数据库包括万方医学、知网医学和北大核心数据库。使用了相关关键字和主题标题的组合，没有时间或文章类型限制。文章关键词包括医学影像技术，放射学，虚拟现实，模拟，模拟学习。基于这一回顾，再加上大量迭代的学生和从业者用户反馈，评估了了两个版本的软件。这两个版本是最先必需的，因为使用该软件的学生和从业者之间的交互需求和计算机资源可用性存在显著差异。该软件的开发由一名注册医疗辐射从业者负责具有计算机编程和设计背景，已持续六年。

一些已识别的功能基于学生的反馈，这些反馈包含在VR-MIT软件中:能够完成各种临床检查，包括上肢和下肢阑尾检查、轴位检查、脊柱检查、胸部检查、腹部检查和面部骨射线检查;3D身临其境的外围集成，使软件能够与可穿戴硬件一起使用;使用应用程序编程接口学习逻辑、语音识别和集成现实世界临床场景的动态患者化身通信功能;通信脚本的理论基础基于之前的对话系统；在线用户进度记录允许用户和教育者远程跟踪进度，除了两个版本的软件外，还添加了多种功能模式和用户控制界面。作为医学影像技术专业的额外培训工具部署，使用虚拟现实外围设备是为了使后续的基准测试任务（相对于软件）具有可比性。获得了以后工作机构的广泛认可。VR-MIT是作为四个学时的实验室课程的一部分引入的，在该课程中，学生使用该软件进行一个课时的学习，学生们被分成五组，每个学生都有一个个人电脑影像技师工作站。共有62名学生参与了这项研究，指导学生完成一个完整的手部成像课程计划，以及PA和侧手的相关成像检查。

VR-MIT中包含的大多数特征基于医学影像技术学生和从业者的初始反馈；测试版用户被问到：你最喜欢“和”的哪些方面？你认为哪些方面可以改进？学生对检查的动态性质以及将患者头像定位在几乎任何普通位置的能力给予了积极评价；然而，一些学生表示希望在以下方面有所改进：控件、图形、与周围环境的更多交互；图形；需要填写更多申请表；增加与患者的沟通量；墙壁上的识别标记/标志或地面上的箭头，以防止在中心迷失方向。总的来说，测试了了三种与患者化身沟通的方式：基于屏幕情景的响应、键盘输入语句和短语以及直接用户语音输入，屏幕上基于情景的通信方法的演示。与其他评估VR在医疗辐射计划中的应用的研究一样，我们的结果显示了类似的认知结果。然而，当评估VR在放射照相术中的具体应用时，我们发现学生的认知得分明显不同。例如，使用传统方式学习的学生在临床定位和放射照相技能/技术方面的感知改善方面（综合不同意-强烈不同意分数）低于（24%）VR-MIT的结果。此外，这些结果也低于使用较新的数字化学习的研究，如MIT-IE研究报告的结果（16%不一致得分）。另外，研究还发现，虚拟现实的一致性得分（合并的强烈一致-一致性得分）也显著较高，其中72.4%的学生发现VR-MIT可以提高临床定位和放射照相技能，而在其他类似研究中，这一比例为45%，在报告MIT-IE工具在他们的研究中帮助开发的学生中，45%的医学影像学生表示，MIT-IE工具有助于他们理解一般射线照相技术。与现实世界的临床培训相比，模拟提供了几个财政优势，其中一个主要优势在于它能够让学生以安全的方式进行基于放射学的检查。与其他允许大量用户（超过50人）的近期SLE一样要在任何给定时间运行该软件，运行模棱两可的监督活动所需的人力资源分配将是相当多的。虚拟现实软件的一个独特优点是，每个学生都分配了自己的帐户。这允许在校外或家中使用软件。此外，教育者可以通过在线门户查看课程进度。更重要的是，通过在未来更新中集成多用户交互，学生将能够与其他学生同时远程参与沉浸式虚拟实验室和教程，只要他们能够访问其他更加普及的虚拟现实设备。VR-MIT的实施有可能帮助医学影像专业学生以更快的速度学习，允许一种新的远程教育形式，适合目前疫情的突变情况，并允许学生在传统教学实践中使用不同的学习风格而不是简单的听力。

本文评估了一种具有多种操作模式的浸入式放射照相VR-MIT软件。包括使用头戴式3D外围设备的能力，如带有触觉反馈的眼裂，其具有动态患者互动和交流、语音界面、持续在线学生进度跟踪功能。在线多用户功能，可扩展的患者定位和基于真实世界辐射物理的x射线成像。来自2016年和2021年队列的医学影像技术本科学生完成了手动定位任务，该任务是执行放射照相检查的一般工作流程的一部分，比较两组学生的认知水平，虚拟现实对改善其临床扫描技能和临床相关能力的认知分数都有很大帮助。

基金：河南科技大学教育教学改革项目(2021BK027)