外科臨床技能培訓(xùn)中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的思考

曾小燕,趙 靜,張 椿*

(1.陸軍軍醫(yī)大學(xué)第二附屬醫(yī)院普外科，重慶 400037；2.陸軍軍醫(yī)大學(xué)第二附屬醫(yī)院醫(yī)務(wù)處，重慶 400037)

虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality)技術(shù)，簡(jiǎn)稱VR技術(shù)，又稱人工環(huán)境或靈境技術(shù)，最早由計(jì)算機(jī)圖形之父薩瑟蘭于1965年在論文“The Ultimate Display”中提出，是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，模擬人體觸覺(jué)、視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等多種感知覺(jué)，結(jié)合計(jì)算機(jī)圖形處理、人機(jī)交互、傳感、網(wǎng)絡(luò)傳輸及人工智能等多項(xiàng)技術(shù)而產(chǎn)生的一項(xiàng)綜合性應(yīng)用技術(shù)[1-2]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有被多數(shù)學(xué)者認(rèn)可的三個(gè)特點(diǎn)：沉浸性、交互性及想象性，這三個(gè)特點(diǎn)讓體驗(yàn)者可以通過(guò)特定的設(shè)備在模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中體驗(yàn)到身臨其境的感覺(jué)，經(jīng)過(guò)人機(jī)交互和在模擬現(xiàn)實(shí)的環(huán)境中對(duì)事物進(jìn)行更好的觀察，啟發(fā)體驗(yàn)者的思維[3]。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)給體驗(yàn)者呈現(xiàn)的場(chǎng)景是完全利用電腦模擬出來(lái)的一個(gè)虛擬的三維空間，無(wú)法完成虛擬與現(xiàn)實(shí)的結(jié)合[4]。作為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一個(gè)發(fā)展迅速的分支，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmented reality，AR)技術(shù)可將虛擬信息添加到真實(shí)世界，更好地讓體驗(yàn)者將虛擬與現(xiàn)實(shí)進(jìn)行交互[5]。此后，由于人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展出一項(xiàng)新技術(shù)——混合現(xiàn)實(shí)(mixed reality，MR)技術(shù)，該技術(shù)使得體驗(yàn)者更好地沉浸在虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界實(shí)時(shí)交互而形成的一個(gè)新的可視化世界中，更加精確地進(jìn)行一些操作[6]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，2014年，HTC與Valve游戲公司合作開(kāi)發(fā)的HTC Vive、谷歌推出的 Google Cardboard廉價(jià)紙質(zhì)版VR眼鏡、2015年美國(guó)國(guó)家航空航天局與索尼聯(lián)合制作的Mighty Morphenaut等使虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被更多人了解，相關(guān)技術(shù)體系更加成熟、完善，在教育、醫(yī)學(xué)、科技研發(fā)、軍事訓(xùn)練等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用更加廣泛[7]。

隨著醫(yī)學(xué)的發(fā)展，在醫(yī)學(xué)生及臨床醫(yī)生的培養(yǎng)過(guò)程中，相關(guān)臨床技能的學(xué)習(xí)成了必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的外科臨床技能培訓(xùn)中，由于操作模型缺乏，多以教師口頭授課、模型分析、輔以幻燈等手段教學(xué)，存在形式單一、教學(xué)時(shí)間有限、場(chǎng)地限制、臨床操作和實(shí)踐機(jī)會(huì)少等問(wèn)題，因此，動(dòng)手能力無(wú)法得到很好的鍛煉，授課中學(xué)習(xí)積極性不高，主動(dòng)性不夠。并且，傳統(tǒng)外科技能的學(xué)習(xí)中，基礎(chǔ)解剖結(jié)構(gòu)的掌握程度在一定程度上決定操作的準(zhǔn)確性和安全性，學(xué)習(xí)基礎(chǔ)解剖的過(guò)程中往往會(huì)涉及動(dòng)物或人體標(biāo)本不夠，部分解剖結(jié)構(gòu)無(wú)法充分暴露，導(dǎo)致解剖結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)過(guò)程中學(xué)生掌握不夠，后期相關(guān)外科臨床技能的學(xué)習(xí)操作中不敢動(dòng)手，怕出安全問(wèn)題。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用在外科臨床技能培訓(xùn)中可以保證在有限的場(chǎng)地，給更多的學(xué)生提供操作平臺(tái)，有效地解決傳統(tǒng)技能培訓(xùn)中教學(xué)資源不足，學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)間受限，操作場(chǎng)景無(wú)法適應(yīng)等問(wèn)題，讓學(xué)生在培訓(xùn)過(guò)程中更好、更快地掌握相關(guān)技能。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境快速掌握手術(shù)操作技能，加速新理論、新概念、新技能的學(xué)習(xí)。

1 在骨科臨床技能培訓(xùn)中的應(yīng)用

骨科的學(xué)習(xí)過(guò)程中，需要培養(yǎng)良好的立體感知能力，熟悉解剖整體與局部之間的關(guān)系，清楚骨與關(guān)節(jié)及周?chē)嚓P(guān)的結(jié)構(gòu)，包括重要的神經(jīng)、血管結(jié)構(gòu)以及走形，肌腱及韌帶的起止點(diǎn)。骨科涉及四肢和脊柱等多個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方法，主要通過(guò)尸體解剖、圖片以及多媒體等方式進(jìn)行，尸體有限、倫理道德、圖片無(wú)立體感等原因?qū)е虏荒鼙ＷC教學(xué)效果。VR技術(shù)在骨科的解剖虛擬主要通過(guò)電腦將人體的CT、MRI等資料輸入虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的工作站，重建三維可視模型，直觀、準(zhǔn)確、形象地為醫(yī)學(xué)生提供骨科模型，為其提供一個(gè)反復(fù)可操作的虛擬環(huán)境，這項(xiàng)技術(shù)可在不破壞表層結(jié)構(gòu)的前提下顯示深層解剖結(jié)構(gòu)毗鄰情況，且可以任意旋轉(zhuǎn)模型，從不同角度認(rèn)識(shí)骨折的部位及類型，既豐富教學(xué)模式、調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，又節(jié)約教學(xué)成本、提高教學(xué)效果。范敏[8]等人的研究結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)的骨科解剖學(xué)習(xí)相比，在使用VR技術(shù)后，學(xué)生對(duì)于解剖的學(xué)習(xí)興趣明顯提高，知識(shí)掌握效果也有明顯改善。

臨床上，骨科手術(shù)的傳統(tǒng)教學(xué)大多是在手術(shù)室、高級(jí)外科醫(yī)生的操作過(guò)程中進(jìn)行的，這種教學(xué)方法由于成本高、工作時(shí)間限制、學(xué)習(xí)資料無(wú)法很好保存等原因，導(dǎo)致培養(yǎng)臨床醫(yī)生周期過(guò)長(zhǎng)、耗資過(guò)大。此外，現(xiàn)代醫(yī)療為減輕患者的痛苦、促進(jìn)早期愈合，多采用微創(chuàng)的技術(shù)，手術(shù)切口小，進(jìn)一步限制醫(yī)學(xué)生的學(xué)習(xí)。在國(guó)外的多個(gè)研究中都有發(fā)現(xiàn)在手術(shù)教學(xué)中應(yīng)用VR技術(shù)是一項(xiàng)有效的教學(xué)新模式，能讓學(xué)習(xí)者體驗(yàn)手術(shù)的真實(shí)感，提高手術(shù)技能，更快地適應(yīng)骨科手術(shù)的臨床思維，提高學(xué)習(xí)效率，大幅度推動(dòng)學(xué)習(xí)者骨科手術(shù)學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性[9-11]。

骨科最常見(jiàn)的疾病以骨折居多，有經(jīng)驗(yàn)的臨床醫(yī)師可以通過(guò)手法復(fù)位解決簡(jiǎn)單的骨折，但隨著科技的進(jìn)步，車(chē)禍骨折、各種器械造成的骨折越來(lái)越多，也越來(lái)越復(fù)雜，膝關(guān)節(jié)、髖臼、骨盆等，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、毗鄰結(jié)構(gòu)多，骨折后復(fù)位一直是骨科面臨的困難之一。有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)師通過(guò)現(xiàn)有的檢查手段，可能也無(wú)法評(píng)估手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)。VR技術(shù)通過(guò)現(xiàn)有的影像資料，重建虛擬人體結(jié)構(gòu)可準(zhǔn)確反映出骨折的類型，以及移位的方向和程度，并且可任意旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)內(nèi)固定的手術(shù)模型，能為患者在術(shù)前進(jìn)行合理規(guī)劃，制定個(gè)性化的手術(shù)方案，減少不必要的損傷，更好地為臨床教學(xué)提供清晰的思路。臨床上，黃若昆[12]等人將虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用于髖關(guān)節(jié)的復(fù)位，通過(guò)多種評(píng)估手段證明虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有利于制定個(gè)性化的手術(shù)方案。王枚[13]等人研究虛擬手術(shù)系統(tǒng)可對(duì)復(fù)雜性髖臼骨折進(jìn)行分析，提供直觀的三維重建模型，并動(dòng)態(tài)反復(fù)演示手術(shù)技巧如個(gè)性化的手術(shù)入路、鄰近骨性結(jié)構(gòu)的適度磨除，鋼板最適的固定方式、如何安全處理毗鄰血管神經(jīng)等。Handel[14]等人把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于骨腫瘤手術(shù)中的髖關(guān)節(jié)重建，在臨床中取得良好的反饋結(jié)果。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能全方位、多層次、多樣反饋三維虛擬人體結(jié)構(gòu)組織，讓剛剛進(jìn)入骨科的醫(yī)生、實(shí)習(xí)醫(yī)生、輪轉(zhuǎn)醫(yī)生沉浸在虛擬的場(chǎng)景中，通過(guò)多種感官了解、學(xué)習(xí)、練習(xí)相關(guān)的各種手術(shù)實(shí)際操作，最終加速外科醫(yī)生的知識(shí)積累，提高骨科手術(shù)中的操作技能。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠極大地彌補(bǔ)骨科教學(xué)上的不足，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)主觀能動(dòng)性，提高教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)骨科的發(fā)展和進(jìn)步。

2 在泌尿外科臨床技能培訓(xùn)中的應(yīng)用

泌尿外科已取得快速發(fā)展，從傳統(tǒng)的開(kāi)腹手術(shù)到腔鏡，再到現(xiàn)在的機(jī)器人手術(shù)，手術(shù)朝著微創(chuàng)化和精細(xì)化方向發(fā)展。傳統(tǒng)的培訓(xùn)手段已經(jīng)滿足不了現(xiàn)階段人才發(fā)展需要，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)培訓(xùn)的不足，提高臨床培訓(xùn)教學(xué)水平和效果。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可模擬手術(shù)室、手術(shù)器械、人體臟器模型等，讓學(xué)習(xí)者身臨其中，實(shí)現(xiàn)外科手術(shù)的虛擬仿真性。在臨床技能培訓(xùn)過(guò)程中醫(yī)學(xué)生可以借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行“解剖”分解，全方位掌握泌尿系統(tǒng)的解剖結(jié)構(gòu)。而且同時(shí)也可以借助3D技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種類型的手術(shù)操作，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)設(shè)置功能，培訓(xùn)過(guò)程可以模擬特殊情景，提高應(yīng)對(duì)能力，提升手術(shù)技巧。使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)更可以清楚認(rèn)識(shí)到泌尿外科的解剖結(jié)構(gòu)和周?chē)徢闆r，清楚掌握不同情況下腔鏡手術(shù)的入路、游離、顯露、結(jié)扎及縫合等規(guī)范化操作。

現(xiàn)階段，根據(jù)泌尿系統(tǒng)多腔隙的特點(diǎn)，手術(shù)以內(nèi)鏡下操作為主。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在泌尿外科內(nèi)鏡中的應(yīng)用主要體現(xiàn)為仿真內(nèi)鏡(又稱虛擬內(nèi)鏡)。仿真內(nèi)鏡主要通過(guò)一系列影像處理技術(shù)(CT、MRI等)，在計(jì)算機(jī)中重建出空腔臟器的黏膜及腔外的部分毗鄰結(jié)構(gòu)。其不僅顯示出傳統(tǒng)光鏡的內(nèi)容，而且還能顯示出傳統(tǒng)光鏡不能到達(dá)的地方，如部分腔外結(jié)構(gòu)。主要包括仿真輸尿管鏡、仿真膀胱鏡、仿真尿道鏡等。因此，在臨床應(yīng)用過(guò)程中，仿真內(nèi)鏡成為大多數(shù)患者能夠耐受的非創(chuàng)傷性檢查，也讓醫(yī)學(xué)生在技能培訓(xùn)過(guò)程中更好地模擬現(xiàn)實(shí)情況進(jìn)行操作練習(xí)，其最大的特點(diǎn)就是能避免患者出血、感染、穿孔等并發(fā)癥以及麻醉帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。Takebayashi[15]等首次報(bào)道仿真輸尿管鏡在診斷腎盂、輸尿管腫瘤方面的可靠性，認(rèn)為它能清晰地顯示輸尿管狹窄部位以及遠(yuǎn)端、腎盂內(nèi)的情況，但是限于目前檢查技術(shù)的障礙，無(wú)法很好地顯示腫瘤的質(zhì)地以及對(duì)毗鄰結(jié)構(gòu)浸潤(rùn)等情況。Neri[16]等人研究MRI仿真內(nèi)鏡發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輸尿管直徑大于5mm時(shí)，MRI仿真內(nèi)鏡能夠很好地顯示腎盂輸尿管處到輸尿管狹窄處的結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的光學(xué)膀胱鏡存在尿路感染、穿孔、出血、焦慮等不適，仿真膀胱鏡能夠明確腫瘤的分期分級(jí)，又能確定腫瘤的病灶大小、位置，在臨床上的應(yīng)用范圍較廣。此外，蔡建良[17]等人的研究發(fā)現(xiàn)學(xué)員經(jīng)過(guò)泌尿仿真內(nèi)鏡虛擬模擬培訓(xùn)系統(tǒng)訓(xùn)練后，各項(xiàng)軟性輸尿管操作評(píng)分明顯有所提高。

3 在肝膽外科臨床技能培訓(xùn)中的應(yīng)用

肝臟有兩重血供，又有膽管、肝靜脈穿行其中，再加上膽囊位置特殊，造成肝膽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，這給肝臟外科的手術(shù)醫(yī)生以及學(xué)習(xí)者造成相當(dāng)大的障礙。肝臟的功能非常重要，一旦腫瘤生長(zhǎng)在肝臟中央部位以及位于血管和膽管中間，手術(shù)難度相當(dāng)大。這就需要手術(shù)者對(duì)于肝膽系統(tǒng)解剖結(jié)構(gòu)有非常深的理解，術(shù)前制定詳細(xì)的方案，明確腫瘤和血管樹(shù)之間的關(guān)系，確定手術(shù)的入路、術(shù)式等。傳統(tǒng)的教育方式無(wú)法讓醫(yī)學(xué)生對(duì)肝臟解剖結(jié)構(gòu)形成很好的理解和應(yīng)用，這就為后期的肝臟外科教學(xué)以及手術(shù)教學(xué)增加難度。董家鴻院士早在2006年就提出“精準(zhǔn)肝臟外科”理念，精準(zhǔn)外科指的是病情評(píng)估、臨床決策、手術(shù)規(guī)劃、手術(shù)作業(yè)和圍手術(shù)期在內(nèi)，以手術(shù)為中心的外科實(shí)踐全過(guò)程[18]。

現(xiàn)階段，肝膽外科的手術(shù)以腹腔鏡為發(fā)展主流，傳統(tǒng)的術(shù)式因?yàn)槌鲅?、易感染、恢?fù)周期長(zhǎng)等，而被逐漸淘汰。以腹腔鏡為主的手術(shù)對(duì)肝臟的解剖結(jié)構(gòu)要求更加嚴(yán)格，因此如何培養(yǎng)一名優(yōu)秀的肝膽科醫(yī)生成為教學(xué)醫(yī)院研究的重點(diǎn)。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)，很好地解決這一問(wèn)題。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以360°觀察肝臟的解剖結(jié)構(gòu)、肝內(nèi)腫瘤與血管、膽管的關(guān)系，且可以藏匿各管道，讓每個(gè)學(xué)生對(duì)肝門(mén)部以及肝內(nèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行清楚的了解和認(rèn)識(shí)，讓學(xué)生在腦海里建立三維模型，加深肝膽結(jié)構(gòu)的理解。除此之外，學(xué)習(xí)肝膽結(jié)構(gòu)的學(xué)生可以借助虛擬實(shí)驗(yàn)室，反復(fù)進(jìn)行虛擬的尸體解剖和各種手術(shù)練習(xí)直至熟練和掌握。曾宇[19]等人通過(guò)在3D打印技術(shù)和三維可視化的基礎(chǔ)上采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行肝臟解剖的臨床教學(xué)，發(fā)現(xiàn)該教學(xué)模式能明顯提高教學(xué)效率。吳琛[20]等人的研究結(jié)果顯示，在肝膽外科超聲介入的操作培訓(xùn)中引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以明顯提高技能培訓(xùn)的效率。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在肝膽外科的術(shù)前規(guī)劃培訓(xùn)中也有較好的應(yīng)用。虛擬技術(shù)可以通過(guò)現(xiàn)在已知的影像技術(shù)(CT、MRI等)，重建患者的肝臟模型，通過(guò)計(jì)算機(jī)的測(cè)量和處理，可直觀地顯示肝門(mén)部以及肝內(nèi)的解剖以及肝內(nèi)膽管有無(wú)變異；可清楚測(cè)量腫瘤的大小和周?chē)哪懝苤g的關(guān)系，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)分析和對(duì)比，顯示出最佳的手術(shù)入路方式，甚至可以模擬手術(shù)的操作全過(guò)程，讓手術(shù)者能夠快速掌握手術(shù)的技能，降低患者的風(fēng)險(xiǎn)率。Dongen[21]等利用Lapsim微創(chuàng)手術(shù)模擬器對(duì)不同資質(zhì)的醫(yī)生進(jìn)行訓(xùn)練，發(fā)現(xiàn)模擬器均能夠提高手術(shù)的精準(zhǔn)度。

4 在其他手術(shù)科室臨床技能培訓(xùn)中的應(yīng)用

臨床上，普通外科的傳統(tǒng)手術(shù)方式已經(jīng)逐漸被腹腔鏡技術(shù)取代，普通外科相應(yīng)的臨床技能操作培訓(xùn)中腹腔鏡的培訓(xùn)顯得不可缺少。由于實(shí)習(xí)生或規(guī)培生在開(kāi)始學(xué)習(xí)的時(shí)候技術(shù)不夠熟練，導(dǎo)致教學(xué)過(guò)程中無(wú)法讓學(xué)生實(shí)際操作，相應(yīng)的臨床技能教學(xué)無(wú)法正常開(kāi)展。隨著虛擬技術(shù)的發(fā)展，虛擬腹腔鏡模擬器在國(guó)內(nèi)外臨床技能教學(xué)中很好地被使用。此外，Choi[22]等人發(fā)明食管鏡手術(shù)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，在臨床外科技能培訓(xùn)中取得良好的效果。國(guó)外的研究表明，大多數(shù)受訓(xùn)者認(rèn)為在技能培訓(xùn)中使用腹腔鏡模擬器訓(xùn)練是有益的，能顯著提升受訓(xùn)者的學(xué)習(xí)曲線[23-24]。除上述領(lǐng)域外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在神經(jīng)外科[25-27]、頜面外科[28-31]、眼科[32-35]及婦產(chǎn)科[36-38]等手術(shù)科室的技能培訓(xùn)中也有應(yīng)用。

5 展 望

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)促進(jìn)外科的發(fā)展和進(jìn)步，隨著信息化社會(huì)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)必將融入到醫(yī)療各個(gè)方面，造福人類。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)彌補(bǔ)傳統(tǒng)的教學(xué)缺陷，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)主觀能動(dòng)性，提高教學(xué)質(zhì)量?，F(xiàn)階段我國(guó)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在臨床教學(xué)、手術(shù)評(píng)估等方面取得一定的成就，但必須清醒認(rèn)識(shí)到我國(guó)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)只是起步與探索階段，目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還存在難以顯示細(xì)小解剖結(jié)構(gòu)、觸覺(jué)體驗(yàn)不完善等缺點(diǎn)，與國(guó)外相比還有相當(dāng)大的差距。雖說(shuō)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在臨床、教學(xué)上取得進(jìn)展，但并不能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)的教學(xué)方式，畢竟VR設(shè)備非常昂貴，將在虛擬現(xiàn)實(shí)中學(xué)到的技能與實(shí)踐相結(jié)合可以取得更好的訓(xùn)練效果,進(jìn)一步發(fā)展虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，使相關(guān)設(shè)備更加便捷、更加經(jīng)濟(jì)、更加實(shí)用，將使虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)更好地運(yùn)用在外科臨床技能培訓(xùn)中，使醫(yī)學(xué)生的外科臨床技能培訓(xùn)更有效。