虛擬現(xiàn)實技術(shù)在脊柱外科臨床帶教中的應(yīng)用

蔡璇 秦杰 黃珊 易曉青

脊柱外科由于脊柱具有復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)和和重要的生理功能，故非常強(qiáng)調(diào)醫(yī)師臨床實踐的重要性。傳統(tǒng)的手術(shù)錄像結(jié)合標(biāo)本模型的教學(xué)形式缺乏直觀性和可操作性，教學(xué)效果有限。近年來，隨著虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)的發(fā)展，為醫(yī)學(xué)臨床實踐教學(xué)提供了新的手段。VR 技術(shù)是一種計算機(jī)創(chuàng)建的模擬現(xiàn)實世界環(huán)境的仿真技術(shù)，能夠為用戶提供沉浸式、交互式的三維動態(tài)影像[1]。在醫(yī)療領(lǐng)域中，VR 技術(shù)多用于臨床技能訓(xùn)練、術(shù)前計劃和實際手術(shù)中，能夠為學(xué)習(xí)者提供安全，可靠和受控的環(huán)境，同時，逼真有效的虛擬環(huán)境也能有效增強(qiáng)學(xué)生的探索興趣[2-4]。目前尚無將VR 技術(shù)用于脊柱外科臨床實踐教學(xué)方面的報道。本研究擬采用VR 技術(shù)用于脊柱外科臨床帶教，探討該教學(xué)方法的效果。

1 資料和方法

1.1 研究對象

以2018 年5 月—2019 年5 月在西安交通大學(xué)第二附屬醫(yī)院脊柱外科實習(xí)的臨床醫(yī)學(xué)本科生50 名為研究對象，以隨機(jī)數(shù)字表法分為為VR 教學(xué)組和傳統(tǒng)對照組，每組25 人。其中VR 教學(xué)組男性10 人，女性15 人，年齡在21～23 歲，平均年齡（22.13±0.97）歲；對照組男性13 人，女性12 人，年齡在21～23 歲，平均年齡（22.75±1.23）歲。兩組學(xué)員在性別、年齡等一般資料方面相似，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。

1.2 教學(xué)方法

所有教學(xué)工作均有由長期從事脊柱外科臨床教學(xué)工作的2 名高年資副主任醫(yī)師負(fù)責(zé)，兩組學(xué)員所處的教學(xué)環(huán)境相同，授課內(nèi)容為“腰椎間盤突出癥”，教學(xué)時長為3 課時。VR 教學(xué)組采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)輔助教學(xué)，（1）理論學(xué)習(xí)：將腰椎CT 和MR 影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入工作站中構(gòu)建三維虛擬模型，利用該模型向?qū)W生講授腰椎解剖，椎間盤突出病理生理、腰椎間盤突出癥手術(shù)治療等理論知識。通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)評估手術(shù)風(fēng)險、制定手術(shù)方案，同時利用虛擬手術(shù)平臺進(jìn)行反復(fù)操作，掌握手術(shù)步驟。（2）手術(shù)教學(xué)：挑選典型腰椎間盤突出癥患者2 例錄制VR 教學(xué)視頻，1 例行開窗髓核摘除術(shù)，1 例行腰椎減壓植骨融合內(nèi)固定術(shù)，術(shù)前告知患者并簽署知情同書，報醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)。采用頭戴式全景攝像頭錄制手術(shù)全過程，導(dǎo)出視頻文件并剪輯后備用；在理論學(xué)習(xí)完成后進(jìn)行VR 手術(shù)視頻教學(xué)，學(xué)員使用VR 眼鏡（VIVE，HTC 公司，中國臺灣）觀看手術(shù)視頻，繼續(xù)學(xué)習(xí)解剖結(jié)構(gòu)和手術(shù)過程，加深理解。對照組采用傳統(tǒng)教學(xué)方法，利用PPT、解剖圖譜、骨骼模型和影像圖片講授腰椎解剖，椎間盤突出病理生理、腰椎間盤突出癥手術(shù)治療等理論知識，理論課完成后學(xué)員進(jìn)入手術(shù)室觀摩手術(shù)，在手術(shù)過程中再次講解相關(guān)知識，加深理解。

1.3 教學(xué)效果評估

在教學(xué)結(jié)束后對兩組學(xué)生進(jìn)行考核，采用試卷形式，共100 分，分為選擇題，名詞解釋和問答題三部分，內(nèi)容涵蓋腰椎解剖（20分），腰椎椎間盤突出病理生理（10 分）、臨床表現(xiàn)及查體（30 分）、腰椎間盤突出癥手術(shù)治療方式（20 分）、手術(shù)入路（10 分）、手術(shù)并發(fā)癥（10 分）等方面。同時采用自制量表對教學(xué)滿意度進(jìn)行調(diào)查問卷，總分100 分，包含一般情況、學(xué)習(xí)興趣、教學(xué)滿意度、教學(xué)建議等部分組成。

1.4 統(tǒng)計學(xué)分析

使用SPSS 19.0 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，計量資料使用（）表示，兩組間比較采用t檢驗。P＜0.05 表示差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

VR 教學(xué)組平均出科考試成績?yōu)椋?5.78±9.37）分，傳統(tǒng)對照組平均出科考試成績?yōu)椋?8.82±11.47）分，兩組間差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）；VR 教學(xué)組教學(xué)滿意度（97.34±10.55）分，顯著高于傳統(tǒng)對照組（88.67±12.44）分，其差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。

表1 兩組學(xué)生出科考試成績及教學(xué)滿意度比較（分，）

表1 兩組學(xué)生出科考試成績及教學(xué)滿意度比較（分，）

3 討論

脊柱外科主要涉及脊柱和脊髓相關(guān)疾病，由于脊柱脊髓的解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，毗鄰重要組織器官，位置較深，同時疾病多樣，因此學(xué)生普遍反映學(xué)習(xí)難度較大[5-6]。同時，由于手術(shù)視野局限和無菌要求，學(xué)生很難更加細(xì)致全面的觀摩手術(shù)過程。此外，傳統(tǒng)的脊柱外科臨床教學(xué)多利用多媒體幻燈、骨骼模型、尸體標(biāo)本及解剖圖譜等作為載體，學(xué)生缺乏直觀感受和可操作性，面對復(fù)雜的脊柱脊髓解剖結(jié)構(gòu)，往往難以理解和掌握，喪失學(xué)習(xí)的積極性和興趣[7]。這些都對臨床帶教提出了更高的要求，因此，有必要探尋更加有效的臨床帶教方法。

近年來，基于VR 技術(shù)的教學(xué)方法已被應(yīng)用于航空航天、核電、軍事及醫(yī)療健康等多個領(lǐng)域，使用VR 技術(shù)訓(xùn)練醫(yī)學(xué)院的學(xué)生和外科醫(yī)生正變得越來越普遍[8]。VR 技術(shù)的應(yīng)用極大的促進(jìn)了醫(yī)學(xué)教育的革新，其憑借其獨特的直觀性和交互性為臨床教學(xué)提供了新的手段，具有無可比擬的優(yōu)勢。VR 模擬技術(shù)讓醫(yī)學(xué)生可以毫無阻礙的、任意角度的觀摩學(xué)習(xí)。使傳統(tǒng)單一枯燥乏味的教學(xué)方法變得更具靈活性、交互性、沉浸性，能夠更好的培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、營造良好學(xué)習(xí)環(huán)境、激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造性思維、提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和能力。目前VR 技術(shù)在骨科教學(xué)中應(yīng)用最為廣泛的是關(guān)節(jié)模擬器[9]，Rebolledo 等[10]進(jìn)行的一項隨機(jī)對照研究表明，利用VR 技術(shù)學(xué)習(xí)和培訓(xùn)的學(xué)生在尸體關(guān)節(jié)解剖操作測試中的表現(xiàn)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法培訓(xùn)的學(xué)生。國內(nèi)部分研究將VR 用于創(chuàng)傷骨科臨床見習(xí)中，結(jié)果均顯示采用VR 教學(xué)的學(xué)生對常見骨折受傷機(jī)制、骨折復(fù)位及固定方法的理解顯著優(yōu)于普通授課法[11-12]。但目前國內(nèi)尚無關(guān)于VR技術(shù)在脊柱外科臨床帶教中應(yīng)用的研究報道?；诖耍覀冊O(shè)計了該項研究，對比傳統(tǒng)方法和VR 輔助教學(xué)兩種方法的教學(xué)效果，結(jié)果顯示，VR 輔助教學(xué)方法較單純的傳統(tǒng)骨科臨床帶教方法更有優(yōu)勢，學(xué)生在脊柱解剖結(jié)構(gòu)及手術(shù)入路的理解方面具有顯著提高，充分調(diào)動了學(xué)員的學(xué)習(xí)熱情和興趣。

筆者認(rèn)為，在脊柱外科臨床教學(xué)中，VR 輔助教學(xué)相較于傳統(tǒng)教學(xué)方式的優(yōu)勢在于：其一，它能夠建立虛擬的三維立體人體解模型，借助感應(yīng)球、感應(yīng)手套等交互設(shè)施，學(xué)生可以非常直觀、全面的學(xué)習(xí)人體脊柱解剖結(jié)構(gòu)。其二，基于VR 技術(shù)的手術(shù)示教，能夠以術(shù)者視角向?qū)W員無死角的全面展示手術(shù)全過程，彌補(bǔ)了脊柱手術(shù)由于解剖位置較深、視野局限所導(dǎo)致的觀摩困難和污染術(shù)區(qū)等缺陷。其三，基于VR 的模擬器可以為學(xué)生提供不受限制的訓(xùn)練機(jī)會，大幅提高其動手學(xué)習(xí)的的頻率并減少其他資源如尸體、動物標(biāo)本的占用和浪費。尸體標(biāo)本十分昂貴且制作耗時，不能重復(fù)使用，同時還存在道德倫理和潛在感染疾病的風(fēng)險[13]。因此，對于學(xué)生而言，逼真有效的VR 虛擬訓(xùn)練環(huán)境使得脊柱外科手術(shù)學(xué)習(xí)具有較強(qiáng)的吸引力。其四，使用VR 技術(shù)可以通過調(diào)整難度水平來增強(qiáng)學(xué)生的動手能力，使其在最短的時間內(nèi)達(dá)到陡峭的學(xué)習(xí)曲線的效果。例如，椎弓根螺釘置入技術(shù)作為脊柱手術(shù)中最廣泛使用的技術(shù)需要時間和經(jīng)驗的積累，在椎弓根螺釘置入過程中需要特別小心以避免對周圍的神經(jīng)結(jié)構(gòu)造成損傷[14]，雖然術(shù)中導(dǎo)航系統(tǒng)可以為椎弓根螺釘?shù)闹踩胩峁└叩木?，但它有增加患者及術(shù)者的輻射暴露和延長手術(shù)時間等缺點，VR 模擬技術(shù)可以完全規(guī)避上述風(fēng)險，允許學(xué)習(xí)者反復(fù)練習(xí)基本技能掌握準(zhǔn)確的椎弓根螺釘植入技術(shù)。

總體而言，VR 技術(shù)以其沉浸性、多樣性和交互性的獨特優(yōu)勢，能顯著提高脊柱外科臨床教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)學(xué)生的興趣。但現(xiàn)階段VR 教學(xué)所需的硬件及其相關(guān)軟件價格仍較為昂貴，需要較高的維護(hù)成本，不利于廣泛推廣。同時，其建模的精度、分辨率等指標(biāo)與真實標(biāo)本相比仍有差距。此外，與文獻(xiàn)報道相同，本研究中部分學(xué)生佩戴VR 眼鏡后出現(xiàn)會眩暈等不適感，影響學(xué)習(xí)效果[15]。相信隨著技術(shù)的發(fā)展和相關(guān)從業(yè)人員的共同努力，上述問題會得到進(jìn)一步的解決。