虛擬現(xiàn)實技術(shù)在外科教學中的應用

顧 曉 ，楊 進 ，杜擁軍 ，古 濤

（1.揚州大學第一臨床醫(yī)學院泌尿外科，江蘇揚州 225001；2.美國布朗大學醫(yī)學院，羅德島州，02860）

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在外科教學中的應用

顧 曉1，楊 進1，杜擁軍1，古 濤2

（1.揚州大學第一臨床醫(yī)學院泌尿外科，江蘇揚州 225001；2.美國布朗大學醫(yī)學院，羅德島州，02860）

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality，VR）是近年出現(xiàn)的計算機輔助應用技術(shù)，在醫(yī)學教育領(lǐng)域初顯優(yōu)勢。新時代的外科教學面臨挑戰(zhàn)，文章介紹了VR技術(shù)的特點及其在外科教學中的應用現(xiàn)狀及展望。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)；模擬環(huán)境；外科學

當代醫(yī)學教育正面臨諸多挑戰(zhàn)，如醫(yī)學科技的快速發(fā)展需要更多的醫(yī)學教育時間，醫(yī)學新領(lǐng)域的出現(xiàn)要求增加醫(yī)學課程，醫(yī)學教育需要從被動傳授型向主動學習型轉(zhuǎn)變，同時需要適應醫(yī)療服務模式的轉(zhuǎn)變。外科學教育已歷經(jīng)一個多世紀的發(fā)展，這是一門實踐性很強的學科，需要增加醫(yī)學生接觸患者和操作訓練的機會，同時又要保護患者隱私和避免傷害；醫(yī)學招生規(guī)模的擴大使醫(yī)學生在外科實驗室和醫(yī)院手術(shù)室的操作機會與時間更加不足；醫(yī)患關(guān)系敏感使自愿參與教學活動的患者明顯減少；醫(yī)學生在臨床只能隨機遇到可觀察學習的病例或手術(shù)。在外科教學中如何解決以上問題？計算機與信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，為醫(yī)學教育提供了現(xiàn)代化的環(huán)境，基于計算機仿真技術(shù)的虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）技術(shù)的誕生與發(fā)展，將對外科學教育產(chǎn)生深遠的影響。

1 VR技術(shù)及其特點

VR技術(shù)是指通過多媒體技術(shù)與仿真技術(shù)結(jié)合而生成逼真的視、聽、觸覺一體化的虛擬環(huán)境，使用戶與虛擬環(huán)境中的客體交互作用，從而產(chǎn)生身臨其境的感受和體驗[1]。它是在計算機圖形學、計算機仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、圖像處理與模式識別、人工智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等基礎(chǔ)上發(fā)展起來的交叉學科，是對現(xiàn)代仿真技術(shù)的突破和發(fā)展。VR技術(shù)的基本特征是臨境感、交互性和構(gòu)想性[1]。臨境感是指計算機生成的虛擬環(huán)境能給人以身臨其境的感覺，如同進入真實的客觀世界；交互性是指用戶能夠與虛擬環(huán)境中的對象進行交互操作，從而感知和響應虛擬環(huán)境；構(gòu)想性是指虛擬環(huán)境能夠激發(fā)用戶的想象力和創(chuàng)造性思維，提高感性和理性認識。VR技術(shù)因其可操作性、真實性和可重復性等優(yōu)點，已成為當今計算機多媒體輔助教學的重要發(fā)展方向之一。目前，VR技術(shù)在醫(yī)學教育中，已經(jīng)成功應用于基礎(chǔ)醫(yī)學、臨床醫(yī)學及遠程教育等方面，該技術(shù)在虛擬醫(yī)學手術(shù)教學中的優(yōu)勢尤為突出。

2 通過VR技術(shù)學習外科技能

VR技術(shù)在外科教學中亦稱計算機外科模擬教學系統(tǒng)。手術(shù)教學一直是外科教學的難點，學員只有增加手術(shù)操作訓練方能提高手術(shù)成功率，減少失誤率。VR技術(shù)可以通過模擬和復制手術(shù)場景，讓初學者通過反復訓練，不斷改正操作錯誤，達到準確熟練掌握外科技能，鍛煉應對臨床手術(shù)中各種風險的能力。虛擬手術(shù)操作系統(tǒng)具有可重復、無風險和自動指導等優(yōu)點，學員通過它完成從切割、止血、分離、病灶處理到縫合等步驟，身臨其境地觀察和感受人體組織。VR技術(shù)還可以對模擬操作的結(jié)果進行評判，向?qū)W員反饋訓練情況，調(diào)整培訓計劃，使學員能夠更好地掌握外科手術(shù)要領(lǐng)和技術(shù)，為臨床實踐作好準備。

外科手術(shù)已從開放手術(shù)發(fā)展至微創(chuàng)手術(shù)，包括腹腔鏡手術(shù)和機器人手術(shù)。與開放手術(shù)不同，內(nèi)腔鏡操作時需要觀察兩維的監(jiān)視器，手術(shù)者需要適應有限的觸覺反饋和使用長器械時的支點效應[2]。通過VR技術(shù)進行模擬訓練可以縮短實際臨床工作中的學習曲線，提高實踐工作中的學習效率和手術(shù)成功率，減少并發(fā)癥的發(fā)生。研究采用VR技術(shù)進行微創(chuàng)手術(shù)訓練的學習曲線，結(jié)果表明新手經(jīng)過大約10例的操作訓練后可以達到熟練的程度[3]，但各學員展示的學習曲線不盡相同，因此對于操作訓練達到熟練程度的課程時間需個體化制定。達到熟練操作之后，所學的技能約能一定程度地保持7個月[4]。研究表明采用不同VR外科模擬系統(tǒng)產(chǎn)生的學習曲線是相似的[5]。

通過VR技術(shù)學習外科技能，其目的是提高在臨床操作實踐中的熟練程度，因而通過模擬系統(tǒng)所學的技能能否應用于臨床實踐是衡量該系統(tǒng)價值的重要指標。P a r k等研究表明，通過VR技術(shù)訓練結(jié)腸鏡操作的學員，能更好地對患者進行此項操作，這個差異表現(xiàn)在對首個10例患者的操作[6]。另一項研究表明采用VR技術(shù)訓練的醫(yī)生進行腹腔鏡膽囊切除術(shù)，在手術(shù)時間、損傷發(fā)生率和術(shù)后恢復方面明顯優(yōu)于未經(jīng)訓練者[7]。以往外科操作技能評估，通常是教師或上級醫(yī)生的主觀判斷，沒有準確可靠的評判系統(tǒng)，VR技術(shù)能夠自動，快速和公正地評判學員的操作表現(xiàn)，評估學習效果，可以監(jiān)控學習進度，向?qū)W員反饋信息，最終確認培訓目標是否完成，是此項技術(shù)的另一優(yōu)勢。VR技術(shù)本身需要具有可靠性和被認可性，包括學員對結(jié)構(gòu)和界面的認可。研究表明結(jié)腸鏡VR模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與界面認可度良好，但上消化道內(nèi)鏡檢查VR模擬系統(tǒng)受到批評，認為內(nèi)腔鏡插入食道是實際操作中相對較難的步驟，而VR技術(shù)將此步驟表現(xiàn)得過于簡單[8]。來自學員的反饋意見將有助于VR技術(shù)的改進與優(yōu)化。

專家建議應將采用VR技術(shù)的手術(shù)訓練列入外科學課程，如基礎(chǔ)腹腔鏡課程由12個操作模塊和7個考試模塊組成[9]。必須在VR模擬系統(tǒng)上訓練達到熟練方可進入手術(shù)室進行實際操作，已是許多國際專家的共識。在課程設(shè)置時，選用具有較高認可度的VR模擬系統(tǒng)作為教學工具，安排分層漸進的訓練時間，確定達到熟練程度的參數(shù)要求。培訓課程結(jié)束時檢驗學員的學習效果，以進一步優(yōu)化課程設(shè)計與目標。我國已將VR虛擬手術(shù)系統(tǒng)應用于外科教學，如廈門大學研發(fā)的“肝虛擬手術(shù)系統(tǒng)”，國防科技大學計算機學院和解放軍總醫(yī)院合作研制的“虛擬膝關(guān)節(jié)鏡外科手術(shù)仿真系統(tǒng)”。

雖然精湛的外科操作技術(shù)是每個外科學員的目標，手術(shù)室的其它因素也是手術(shù)成功的重要保證，如團隊的合作與交流，術(shù)中情況的及時掌握，術(shù)中的決策和管理等。這些非手術(shù)操作技能的重要性在傳統(tǒng)外科教學中被低估，亦無統(tǒng)一標準的培訓評價體系。通過VR技術(shù)建立虛擬手術(shù)室可以全真再現(xiàn)手術(shù)室的精細復雜配合，如Paige報道在虛擬手術(shù)室中手術(shù)醫(yī)生、麻醉醫(yī)生與護士一起協(xié)作處理腹腔鏡膽囊切除術(shù)患者術(shù)中發(fā)生的房顫[10]。在這個VR模擬系統(tǒng)中，不僅可以評估手術(shù)操作的水平，還可以評估對患者情況變化的處理。在真實手術(shù)室中，學員不一定能遇上適合的手術(shù)示教病例，手術(shù)的難易與學員的操作水平不相適應，學員無法重復操作，外科教師的水平和教學態(tài)度不一，這些因素提示，于外科學員而言，虛擬手術(shù)室有諸多優(yōu)勢，能夠模擬真實的手術(shù)場景，提高外科醫(yī)生的綜合處理能力，不同地點的人員可以同時通過遠程登陸參與學習與訓練。

3 虛擬患者在外科教學中的應用

醫(yī)學生與患者進行交流在外科診療學習中不可缺少。1999年由新加坡Cyber Active科技公司研制的Cyber患者（Cyber Patient）是最早的虛擬患者之一[12]，學員可以對該患者進行病史采集（Cyber患者將回答學員的提問），體格檢查（包括視診、觸診和特殊檢查），輔助檢查，治療計劃，手術(shù)，術(shù)后處理與隨訪。美國Linden研究公司開發(fā)的“二次生命”（Second Life）是國際最新的醫(yī)學虛擬世界（Virtial World），學員可以進入虛擬門診，學習采集病史、體格檢查和閱讀影像資料，盡管這一學習系統(tǒng)尚未加入手術(shù)部分，外科教育工作者已十分看好其巨大的外科教學潛力。高速互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展與普及，使不同地點的學員可以同時對虛擬患者進行操作，相互交流診療的體會，提高互動性學習的效率與效果。由VR技術(shù)建立的虛擬患者通常被設(shè)計為具有某一臨床病癥，用于醫(yī)學知識與技能教學。虛擬患者也可幫助外科醫(yī)生針對真實患者的不同解剖特點，設(shè)計不同的手術(shù)預案。

每位患者的解剖均有一定的差異，尤其病理狀態(tài)使解剖特點可能發(fā)生明顯改變，導致局部情況與解剖圖譜及手術(shù)圖譜有很大區(qū)別，這種共性基礎(chǔ)上的差異可能造成實際工作中的失誤。先進醫(yī)學影像診斷設(shè)備能夠精確采集患者的解剖結(jié)構(gòu)信息，通過VR技術(shù)重建出虛擬患者，給外科醫(yī)生帶來手術(shù)的真實感受，便于制定個體化手術(shù)方案，模擬手術(shù)過程，預感手術(shù)風險，增加實際操作的安全性，提高手術(shù)成功率。應用VR技術(shù)還可以模擬患者的生理狀態(tài)，預測患者對某項治療的反應。盡管這些治療前的模擬設(shè)計還沒有作為臨床工作的常規(guī)，但無疑對外科教學有重要影響。

4 結(jié)語

操作技能與非操作技能的學習是外科教學的兩個重要方面，通過VR技術(shù)的學習需將這兩方面的訓練相結(jié)合，需循序漸進地進行訓練。初學者可以采用低保真VR模擬系統(tǒng)進行基本手術(shù)技能訓練，再通過高保真VR系統(tǒng)學習特殊手術(shù)步驟，最后在虛擬手術(shù)室凝煉手術(shù)技能，此時學員可以有機會學習非操作技能，切實感受手術(shù)緊張感和實戰(zhàn)狀態(tài)。盡管VR技術(shù)在新時代外科學教育中將發(fā)揮重要作用，仍需重視傳統(tǒng)學習方法，合理進行課程設(shè)置，兩者結(jié)合形成混合學習方法（blendedlearning），將利于學員全面深入理解和掌握外科學知識與技能，讓患者獲得準確的診斷和安全的治療。

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The Application of VR in Surgerical Teaching

GU Xiao1,YANG Jin1,DU Yong-jun1,GU Tao2
（1.Urological Surgery,Yangzhou First Clinical Hospital,Yangzhou Jiangsu 225001,China；2.Medical College of Brown University,State of Rhode Island 02860,USA）

VR is the application of the computer aid technique in recent years,which shows its dominant position in medical education.The modern teaching of surgery faces to challenge.This passage introduces the features of VR and its present situation and future in the teaching of surgery.

virtual reality;simulation environment;chirurgery

G 642

B

1671-0142（2011）05-0055-03

顧曉（1969-）,男,江蘇揚州人,副教授,博士,研究方向為外科臨床醫(yī)學教學與研究.

（責任編輯劉 紅）