虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在骨科臨床教學(xué)中的應(yīng)用

方　超，謝加兵，徐祝軍

(皖南醫(yī)學(xué)院 弋磯山醫(yī)院，安徽 蕪湖　241000)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在骨科臨床教學(xué)中的應(yīng)用

方超，謝加兵，徐祝軍

(皖南醫(yī)學(xué)院 弋磯山醫(yī)院，安徽 蕪湖241000)

摘要：骨科教學(xué)不僅傳授骨科理論與經(jīng)驗(yàn)，更強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)生臨床技能的培養(yǎng)。隨著科技的迅猛發(fā)展，運(yùn)用新型教學(xué)方式提升骨外科醫(yī)生臨床思維與實(shí)踐能力已成必然。本文通過分析虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在骨科臨床教學(xué)中的應(yīng)用特點(diǎn)，結(jié)合我院教學(xué)實(shí)踐，探討虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在未來骨科領(lǐng)域中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；骨科；臨床教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-2769(2015)06-1064-03

Application of Virtual Reality Technology in Orthopedic Clinical Teaching

FANG Chao, XIE Jia-bing, XU Zhu-jun

(The First Affiliated Hospital of Wannan Medical College, Wuhu 241000, China)

Abstract：Orthopedics teaching not only teaches the theory and experience, but also emphasizes on the cultivation of students’ clinical skills. With the rapid development of science and technology, it has been an inevitable tendency to employ new teaching methods so as to enhance orthopedics surgeons’thinking and practice ability in clinical settings. This paper discusses the application of virtual reality technology to future orthopedics teaching by analyzing the features of its application into clinical teaching observed in real teaching cases in our hospital.

Key Words：virtual reality technology; orthopedic; clinical teaching

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Virtual reality，VR)作為一種新興的智能教學(xué)手段，在國內(nèi)外醫(yī)學(xué)界的應(yīng)用已日趨成熟。基于其交互性(Interaction)和沉浸感(Inversive)兩個(gè)最重要的特征，醫(yī)學(xué)臨床教學(xué)可以通過VR技術(shù)構(gòu)建三維可視界面，允許醫(yī)學(xué)生與臨床情景相互作用，提升臨床應(yīng)變能力和實(shí)戰(zhàn)技能，這種作用在外科手術(shù)操作過程中的體現(xiàn)尤為明顯[1]。

1研究背景

當(dāng)今醫(yī)學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展對(duì)醫(yī)學(xué)臨床教學(xué)提出了高標(biāo)準(zhǔn)、高要求，年輕醫(yī)生單單具備扎實(shí)的理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，將知識(shí)運(yùn)用于臨床實(shí)踐才是王道[2]。傳統(tǒng)意義上的外科手術(shù)及有創(chuàng)操作教學(xué)通常把患者作為直接實(shí)踐的對(duì)象。這種以患者為載體的“學(xué)徒”模式，必定增加病人的痛苦和手術(shù)創(chuàng)傷風(fēng)險(xiǎn)。醫(yī)學(xué)生通過臨床實(shí)踐掌握要領(lǐng)，往往需要等到合適的病例才能進(jìn)行練習(xí)，只能被動(dòng)等待，無法集中訓(xùn)練。在目前醫(yī)患矛盾深化和年輕醫(yī)師逐年增多的大環(huán)境下，以臨床實(shí)戰(zhàn)為基礎(chǔ)的醫(yī)學(xué)技能培訓(xùn)舉步維艱，加之醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源配置有限，這種“學(xué)徒”模式已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)有的醫(yī)療氛圍，臨床醫(yī)學(xué)教育的發(fā)展受到嚴(yán)重制約。

學(xué)好骨外科，不僅在于對(duì)立體形態(tài)的全面深刻感知，掌握各個(gè)解剖結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系和細(xì)致手術(shù)操作更為嚴(yán)格。例如常見的肩關(guān)節(jié)脫位，真實(shí)患者疼痛畸形明顯，甚至不能觸碰，如果讓缺乏經(jīng)驗(yàn)的年輕醫(yī)生手法復(fù)位，往往缺乏信心，只能簡(jiǎn)單地將復(fù)位要點(diǎn)拼湊起來，卻不知具體復(fù)位手法及力度。骨外科更加專業(yè)層面的技能，比如關(guān)節(jié)鏡、椎間盤鏡手術(shù)，通常設(shè)備、器械復(fù)雜繁多，技術(shù)要求高，直接在患者身上訓(xùn)練風(fēng)險(xiǎn)大、成本高、學(xué)習(xí)曲線長。

2VR技術(shù)的發(fā)展歷史

VR最早可追溯到20世紀(jì)60年代麻省理工學(xué)院研制出的頭盔顯示器[3]，VR技術(shù)由Lanier在1990年代初提出，后來美國將VR技術(shù)引入課堂，1991年Satava首次提出將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于外科手術(shù)的技能培訓(xùn)[4]。而現(xiàn)階段專門用于臨床教學(xué)的VR模擬器(Virtual reality simulators)在國外的覆蓋面已經(jīng)十分廣泛。VR模擬器不僅涉及骨科，還包括婦產(chǎn)科，血管外科，心內(nèi)科等，通過視覺和觸覺雙重界面，不僅能在術(shù)前幫助年輕外科醫(yī)生模擬正式手術(shù)的全過程，而且可以在不影響患者生命安全的前提下進(jìn)行復(fù)雜手術(shù)以及急診手術(shù)的專業(yè)培養(yǎng)。Rofe等[5]所開設(shè)的VR模擬中心通過與當(dāng)?shù)蒯t(yī)學(xué)教育工作者合作的方式，共同培養(yǎng)年輕醫(yī)生的外科手術(shù)技能，在基本功的鍛煉方面達(dá)到了滿意的效果。VR技術(shù)的引入正從根本上改變傳統(tǒng)的臨床教學(xué)方式。在國內(nèi)，霍剛等[6]通過VR技術(shù)模擬情景病例系統(tǒng)進(jìn)行多種心內(nèi)科重癥如急性心肌梗死、急性左心衰、急性病毒性心肌炎等方面的臨床技能培訓(xùn)及考核，有效鍛煉了受訓(xùn)者應(yīng)急處理能力與醫(yī)護(hù)配合能力。

3VR技術(shù)在骨科領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1VR技術(shù)在骨科教學(xué)中的應(yīng)用

VR本質(zhì)是如同現(xiàn)實(shí)般的存在感和體驗(yàn)感，其核心是虛擬環(huán)境的構(gòu)建。VR在骨外科領(lǐng)域中虛擬環(huán)境的構(gòu)建主要集中在組織解剖的仿真，以及完整的模型方面，它不單是一個(gè)由計(jì)算機(jī)構(gòu)建的虛擬影像，更是一個(gè)存在與肉體之外的 “活體組織”。它能對(duì)各種刺激做出真實(shí)反應(yīng)，具有生長發(fā)育功能，可模擬實(shí)際的生理病理過程。與其他領(lǐng)域VR教學(xué)不同的是，骨外科教學(xué)不僅需要虛擬場(chǎng)景為學(xué)生提供多種類型、多層界面、多樣反饋的三維虛擬人體組織，而且這種虛擬人體在教學(xué)實(shí)踐中必須具備交互性強(qiáng)、定位精確、反應(yīng)速度快等特點(diǎn)。

骨外科是以解剖學(xué)為基礎(chǔ)的臨床學(xué)科，而虛擬解剖學(xué)是目前VR技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育中的典型應(yīng)用，它通過計(jì)算機(jī)構(gòu)建從微觀到宏觀結(jié)構(gòu)和技能的可視化、數(shù)字化人體，包括骨骼的三維形態(tài)，肌肉的起止點(diǎn)，神經(jīng)血管的走行分布等。醫(yī)學(xué)生能夠在虛擬人體上進(jìn)行解剖觀察和學(xué)習(xí)，反復(fù)操作，適時(shí)調(diào)整，循序漸進(jìn)，從而有更多機(jī)會(huì)安全的從錯(cuò)誤中取得臨床經(jīng)驗(yàn)，更重要的是，受訓(xùn)者只需在虛擬環(huán)境中扮演一個(gè)純粹的角色，全身心地投入到技能培訓(xùn)中。這大幅降低了教學(xué)成本，提高了教學(xué)質(zhì)量，同時(shí)也為臨床教學(xué)提供了真實(shí)的模型，增加了學(xué)習(xí)內(nèi)容的形象性和趣味性。

目前已經(jīng)日趨成熟的VR系統(tǒng)可以運(yùn)用X線、三維CT、MRI，整合3DMAX、Photoshop、ITK(Insight Toolkit)、VTK(Visualization Toolkit)等軟件系統(tǒng)，幫助臨床骨科醫(yī)生對(duì)手術(shù)過程進(jìn)行精密規(guī)劃，例如在四肢復(fù)雜骨盆骨折手術(shù)中，鉆頭的進(jìn)針點(diǎn)選擇，鋼板放置骨面的位置，骨折牽引方向和力量的把握，可以為不同患者提供完善的個(gè)性化治療[7]。又如在脊柱側(cè)彎、頸椎腰椎退行性病變的手術(shù)中，觀察各種器械牽拉剝離對(duì)脊柱脊髓的影響，有利于找出最高效、干擾最小的治療措施。這種特定三維影像信息平臺(tái)的構(gòu)建，結(jié)合特異的手術(shù)模擬界面，能夠與真實(shí)手術(shù)相互印證[8]，有助于今后臨床疾病的診治和手術(shù)技能的提升，且在骨科手術(shù)教學(xué)和仿真訓(xùn)練等方面都拓展了良好應(yīng)用前景。

3.2VR技術(shù)在骨科手術(shù)中的應(yīng)用

骨科手術(shù)的無創(chuàng)化進(jìn)程同VR技術(shù)相輔相成。目前骨外科術(shù)中導(dǎo)航、關(guān)節(jié)鏡手術(shù)、X線CT成像和神經(jīng)電生理監(jiān)測(cè)已成為手術(shù)順利進(jìn)行的常規(guī)工具，3D打印等新生技術(shù)也在國內(nèi)外得到臨床應(yīng)用，融合骨科VR技術(shù)，手術(shù)精準(zhǔn)度以及療效將得到革命性的提高。髖臼骨折本身高能暴力、移位方式多樣、分型復(fù)雜多變，即便三維CT掃描能清晰實(shí)現(xiàn)解剖結(jié)構(gòu)，手術(shù)如何復(fù)位固定仍是骨科醫(yī)生一大難題。王玫等[9]開發(fā)的虛擬手術(shù)系統(tǒng)可對(duì)髖臼的復(fù)雜性進(jìn)行分析，通過圖像分割、三維重建、碰撞檢測(cè)、形變模擬和虛擬切割，提供直觀、立體、逼真的三維空間進(jìn)行交互操作方法，并動(dòng)態(tài)反復(fù)演示手術(shù)技巧如個(gè)性化最優(yōu)術(shù)式及手術(shù)入路，鄰近骨性結(jié)構(gòu)的適度磨除、鋼板的預(yù)彎和克氏針的固定角度，安全地處理毗鄰重要神經(jīng)血管等，方便醫(yī)生對(duì)病患部位進(jìn)行觀察和手術(shù)模擬，做出及時(shí)、準(zhǔn)確的診斷并確定手術(shù)方案[10]，提前預(yù)知手術(shù)難易程度，評(píng)估手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)；減少術(shù)后并發(fā)癥。通過虛擬影像和虛擬手術(shù)，在術(shù)前即可模擬整個(gè)手術(shù)進(jìn)程，從而選擇最安全有效的路徑以避免真實(shí)手術(shù)中的風(fēng)險(xiǎn)。

4VR技術(shù)在骨科臨床教學(xué)中的應(yīng)用展望

未來骨科臨床教學(xué)中VR技術(shù)的應(yīng)用將拓展適用于各個(gè)階層的骨科工作者[2]，低年資醫(yī)師可以訓(xùn)練常規(guī)的手術(shù)技巧，熟悉生動(dòng)逼真的手術(shù)場(chǎng)景，解決學(xué)習(xí)過程中的知識(shí)難點(diǎn)。高年資醫(yī)師則能夠模擬各類高難度手術(shù)的入路及術(shù)式，提出更多創(chuàng)新的手術(shù)方案。在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)遠(yuǎn)程教育中，VR技術(shù)具備強(qiáng)大的教學(xué)優(yōu)勢(shì)和技術(shù)潛力。在跨地域和跨國界進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和互動(dòng)的基礎(chǔ)上，更加鮮明的變革是即便在偏遠(yuǎn)地區(qū)的醫(yī)務(wù)工作者或者醫(yī)學(xué)生，也同樣能夠利用VR技術(shù)進(jìn)行骨科實(shí)踐能力培訓(xùn)。此外，VR教學(xué)是培訓(xùn)與考核的統(tǒng)一體。臨床上有很多生動(dòng)的病例，帶教老師運(yùn)用自己的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合典型病例，登陸VR平臺(tái)，能編寫出模擬情景病例腳本[6]，通過新的方式設(shè)置疑問，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，將各種腳本用于醫(yī)學(xué)生和住院醫(yī)師的教學(xué)培訓(xùn)與考核，既避免了醫(yī)療風(fēng)險(xiǎn)，又可以同步測(cè)評(píng)，同時(shí)提高了操作技能的正確度、熟練度以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，充分提高了培訓(xùn)效率。

筆者近年來在學(xué)院內(nèi)部將VR模擬器實(shí)驗(yàn)性應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)系骨科實(shí)踐教學(xué)培訓(xùn)，受訓(xùn)人員普遍接受程度高，效果反映良好。VR模擬器能讓受訓(xùn)者感受真實(shí)的操作氛圍，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)親自嘗試，直接將個(gè)性思維體現(xiàn)在手術(shù)規(guī)劃上，使他們能夠運(yùn)用臨床理論知識(shí)較快地掌握臨床診療規(guī)律。結(jié)合VR測(cè)評(píng)系統(tǒng)再次強(qiáng)化受訓(xùn)者的臨床動(dòng)手能力，及時(shí)修正實(shí)踐過程中的問題和不足，既能幫助年輕的醫(yī)學(xué)生在踏入臨床崗位前做好充足的思想和技能準(zhǔn)備，更能提高他們對(duì)于未來臨床工作的信心。

綜上所述，VR技術(shù)的功能豐富而強(qiáng)大，在骨科臨床教學(xué)中的應(yīng)用具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但要想建立一體化的骨科VR系統(tǒng)仍需前赴后繼的研究實(shí)踐，況且VR臨床教學(xué)與真實(shí)的臨床環(huán)境存在一定差異，只有將兩者有機(jī)結(jié)合，盡早完善基于VR技術(shù)的培訓(xùn)模式和評(píng)估體系，才能讓骨科醫(yī)師獲得安全系數(shù)更高的培訓(xùn)體驗(yàn)、更加真實(shí)高效的培訓(xùn)成果。

參考文獻(xiàn)：

[1]羅偉,李珊珊,魏曉峰,等.仿真手術(shù)刀在虛擬外科手術(shù)系統(tǒng)中的應(yīng)用與研究[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)進(jìn)展,2010,31(3)：149-152.

[2]趙瑞,劉建民,黃清海,等.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在神經(jīng)外科臨床教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國高等醫(yī)學(xué)教育,2013(9)：72-76.

[3]單美賢，李藝．虛擬實(shí)驗(yàn)原理與教學(xué)應(yīng)用[M]．北京：北京教育科學(xué)出版社，2005．

[4]Lanier,Jaron Virtual Reality：The Promise of the Future[J]. Interactive Learning International，1992，8(4)：275-279.

[5]Rofe G, Lissak A,Brandes-Klein O.et al. THE ROLE OF SIMULATION IN SURGICAL TRAINING——A NEW ERA[J]. Harefuah, 2015, 154(6)：398-403.

[6]霍剛,張福春,鄭亞安,等.計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在心內(nèi)科臨床技能培訓(xùn)中的應(yīng)用[J].中國高等醫(yī)學(xué)教育,2009(9)：82-100.

[7]Pahuta MA, Schemitsch EH, Backstein D, et al. Virtual fracture carving improves understanding of a complex fracture：a randomized controlled study[J]. J Bone Joint Surg Am, 2012, 94(24)：e182. doi：10.2106/JBJS.K.00996.

[8]Willaert WI，Aggarwal R，Van Herzeele I，et al．Role of patient-specific virtual reality rehearsal in carotid artery stenting[J].Br J Surg.2012 Sep;99(9)：1304-1313.

[9]王玫,張?jiān)聳|,張?zhí)m華.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在髖臼手術(shù)中的應(yīng)用[J].中國組織工程研究與臨床康復(fù), 2011,15(13)：2425-2428.

[10]Pedersen P, Palm H, Ringsted C, et al. Virtual-reality simulation to assess performance in hip fracture surgery[J]. Acta Orthop, 2014, 85(4)：403-407.

(編輯：張夢(mèng)華)

DOI:10.13555/j.cnki.c.m.e.2015.06.053

通訊作者：徐祝軍(1957-)，碩士生導(dǎo)師，主任醫(yī)師，主要研究方向?yàn)榧怪c四肢創(chuàng)傷。

基金項(xiàng)目：皖南醫(yī)學(xué)院教育項(xiàng)目“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在外科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究”(2014jyxm08)；“臨床輔助診斷知識(shí)庫在臨床醫(yī)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用與研究”(2014jyxm15)

收稿日期：2015-09-01