利用VR技術(shù)構(gòu)建海戰(zhàn)環(huán)境中手術(shù)技能培訓(xùn)的應(yīng)用

龐 濤，姜曉瑜，水锨崎，宋 超，張 磊，鄭勇軍，劉 洋

(海軍軍醫(yī)大學(xué)附屬長海醫(yī)院外科教研室，上海 200433)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)(virtual reality，VR)，通過結(jié)合計算機(jī)、電子信息、仿真等技術(shù)，構(gòu)建虛擬環(huán)境，是使用者具有環(huán)境沉浸感的一項實用技術(shù)[1]，目前，該項技術(shù)已廣泛應(yīng)用于游戲設(shè)計、軍工、醫(yī)療、教學(xué)輔助等各個方面[2]。目前各個醫(yī)學(xué)院校針對臨床醫(yī)學(xué)生的手術(shù)訓(xùn)練，主要通過傳統(tǒng)尸體解剖直接過渡到手術(shù)室的觀摩，或是見縫插針的在患者身上“練手”，不但缺乏關(guān)聯(lián)性，難以形成系統(tǒng)化的教學(xué)，而且存在較高的潛在風(fēng)險。這也造成很多學(xué)員手術(shù)學(xué)習(xí)機(jī)會不對等，形成越?jīng)]有“悟性”，動手機(jī)會就越少的惡性循環(huán)。臨床軍醫(yī)除了面臨以上問題外，畢業(yè)后大部分身處一線作戰(zhàn)部隊，包海島、艦艇、潛艇等，主要擔(dān)負(fù)著隨船官兵的醫(yī)療、預(yù)防、保健等任務(wù)。大多按艦艇編制配備，流動性差，缺乏后續(xù)有效的繼續(xù)培訓(xùn)，目標(biāo)及針對性也不及美軍突出，由于條件及相應(yīng)政策限制，部分軍醫(yī)存在工作積極性主動性不高，業(yè)務(wù)能力提高明顯受限，應(yīng)對突發(fā)及戰(zhàn)時情況特別是急救手術(shù)能力較差[3]，而相關(guān)的繼續(xù)教育主要依靠海上衛(wèi)勤演習(xí)實施，以活體動物為主要實施對象，存在成本支出高，缺乏實戰(zhàn)適應(yīng)性，訓(xùn)練效果不理想等不足，無法獨立開展緊急手術(shù)，如果戰(zhàn)時，無法形成有效的救治力量。由此，我們提出了構(gòu)建基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建海戰(zhàn)環(huán)境下的手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)，從而可以讓學(xué)員更好地應(yīng)對海戰(zhàn)環(huán)境下的手術(shù)實施，在提高心理素質(zhì)、加強(qiáng)手術(shù)技能、熟悉救治流程和應(yīng)對突發(fā)事件等方面均得到充分訓(xùn)練，同時也降低了訓(xùn)練成本，縮短了學(xué)習(xí)曲線。

1 海戰(zhàn)醫(yī)療急救手術(shù)特點

各類大規(guī)模殺傷武器，包括：導(dǎo)彈、魚雷、核生化武器、海水浸泡等的使用，使現(xiàn)代海戰(zhàn)的傷類、傷情復(fù)雜嚴(yán)重[4]，而這些傷情在軍醫(yī)平時較為少見，學(xué)員多從書本獲取相關(guān)理論知識，實踐技能匱乏，應(yīng)對復(fù)雜傷情，手術(shù)目的以快速急救為主，維持傷者生命體征，為后送醫(yī)療支持爭取時間，手術(shù)準(zhǔn)備時間有限，對醫(yī)生手術(shù)方式?jīng)Q策、解剖要求及手術(shù)技能要求較高，而這些正是缺乏實踐經(jīng)驗軍醫(yī)的弱勢，第二次世界大戰(zhàn)中，美國所有參戰(zhàn)艦艇返航率的14%是因為艦艇軍醫(yī)不能獨立處理傷員而造成的[5]，所以一線軍醫(yī)如何應(yīng)對復(fù)雜傷情的急救手術(shù)成為海戰(zhàn)醫(yī)療的最大難點。

在海上環(huán)境下，海戰(zhàn)傷的外科處理具有手術(shù)處理時間長、手術(shù)風(fēng)險大、手術(shù)治療效果差等特點[6]。海上風(fēng)浪較大時，艦船擺幅較大，不但會降低手術(shù)操作精度，延長手術(shù)時間，而且易造成術(shù)者出現(xiàn)暈船癥狀，以致無法完成手術(shù)。因此平時除了常規(guī)抗暈訓(xùn)練外，在晃動中的手術(shù)操作技巧也應(yīng)加強(qiáng)訓(xùn)練[7-8]。海上濕熱環(huán)境對醫(yī)務(wù)人員、患者影響也十分明顯，體力消耗大、影響切口愈合[9]，同時由于海水高滲、堿性、低溫的理化性質(zhì)，對浸泡組織造成嚴(yán)重影響[10]。這是海戰(zhàn)時進(jìn)行手術(shù)的另一大難點。

海戰(zhàn)時，戰(zhàn)斗也可引起軍醫(yī)一系列的心理生理應(yīng)激變化和損害，戰(zhàn)爭環(huán)境中的手術(shù)往往對醫(yī)護(hù)人員造成較大的心理壓力，甚至心理沖擊[11]。因此，適應(yīng)海戰(zhàn)環(huán)境下應(yīng)激狀態(tài)下的手術(shù)訓(xùn)練，也是海戰(zhàn)急救手術(shù)的又一難點。

2 VR技術(shù)在外科手術(shù)中的應(yīng)用

2.1 清晰的解剖

VR允許以與自然感知相同的方式向所有人類感知呈現(xiàn)虛擬對象[12]。德國漢堡 Eppendof大學(xué)構(gòu)建了三維全息人體虛擬解剖系統(tǒng)(VOXEL-MAN)，不但可以通過這套系統(tǒng)了解各臟器的位置、結(jié)構(gòu)、血供等諸多解剖情況，還可以模擬放射成像及各種操作，如解剖、手術(shù)、穿刺等。從而避免了傳統(tǒng)解剖場地限制、尸體使用，縮短了學(xué)習(xí)時間[12-13]。這也為構(gòu)建模擬手術(shù)系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)條件。

2.2 外科手術(shù)培訓(xùn)

柳葉刀全球外科手術(shù)委員會的數(shù)據(jù)顯示，由于外科手術(shù)培訓(xùn)體系不健全，仍有50億人無法獲得安全、負(fù)擔(dān)得起的手術(shù)[14]。虛擬手術(shù)通過建模、全息人體解剖、應(yīng)力變形仿真、傳感、反饋等技術(shù)，構(gòu)建虛擬手術(shù)操作，可有效提高受訓(xùn)者的手術(shù)操作技能，減少手術(shù)失誤，并通過反復(fù)訓(xùn)練課提高手術(shù)精度、縮短手術(shù)時間[15]。VR手術(shù)環(huán)境已在皇家倫敦醫(yī)院首次全球直播成功試用，同時可構(gòu)建各種手術(shù)突發(fā)情況模塊，如出血、損傷周圍臟器及各類手術(shù)并發(fā)癥等，避免初學(xué)者在患者手術(shù)時引發(fā)的安全問題，并且可通過模擬器的客觀數(shù)據(jù)，監(jiān)控學(xué)員的進(jìn)度、進(jìn)行傷害評價、患者監(jiān)測以及創(chuàng)傷管理[16-17]。Panait[18]等研究表明VR培訓(xùn)應(yīng)用于普外手術(shù)中，可明顯提高培訓(xùn)者的技能水平及靈活性。沉浸式虛擬手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)(MinimalInvasive Surgery Trainer-Virtual Reality, MIST-VR)，如LapSim系統(tǒng)，是一種常用的VR模擬器，具有更高級的圖形界面，具有從攝像頭處理到腹腔鏡膽囊切除術(shù)，結(jié)腸切除術(shù)，疝氣修復(fù)和減肥手術(shù)等程序的多個模塊[17]。2004年由美國胃腸內(nèi)窺鏡外科醫(yī)師學(xué)會(SAGES)制定的腹腔鏡外科基礎(chǔ)知識(FLS)培訓(xùn)計劃，已形成集技能訓(xùn)練和評估于一體的培訓(xùn)系統(tǒng)[19]。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷完善，如高保真性和觸覺反饋的出現(xiàn)，使VR技術(shù)在手術(shù)訓(xùn)練中越發(fā)真實，也越發(fā)具有普及意義。

2.3 VR技術(shù)模擬海戰(zhàn)環(huán)境下緊急外科手術(shù)的培訓(xùn)

對于海上急救手術(shù)的訓(xùn)練，目前主要通過傳統(tǒng)授課模式，通過書本教材、臨床常規(guī)案例、錄像教學(xué)及急救操作等方法進(jìn)行，大多數(shù)學(xué)員在有限的時間內(nèi)接受效果不理想，而且缺乏結(jié)合艦艇相關(guān)的多發(fā)病、海戰(zhàn)傷的培訓(xùn)內(nèi)容，并難呈現(xiàn)多維度的戰(zhàn)場環(huán)境，戰(zhàn)創(chuàng)傷救治實戰(zhàn)要素構(gòu)成不全面[20]，而較大規(guī)模的衛(wèi)勤演習(xí)，雖已有海上環(huán)境及動物實驗，但海浪大小、傷情病情等仍無法實現(xiàn)針對性訓(xùn)練，VR技術(shù)可構(gòu)建貼近適應(yīng)實戰(zhàn)的訓(xùn)練模塊，通過構(gòu)建海戰(zhàn)環(huán)境模型，使受訓(xùn)者在感官層面身處戰(zhàn)爭現(xiàn)場，再通過VR技術(shù)特有的前瞻性及預(yù)見性優(yōu)勢，模擬不同戰(zhàn)爭類型及復(fù)雜傷情，還可在訓(xùn)練的推進(jìn)過程中模擬戰(zhàn)情和傷情的各種演化進(jìn)程。在我國，陸軍軍醫(yī)大學(xué)已著手基于VR 和 AR 技術(shù)的虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)[22]，不但適應(yīng)模擬戰(zhàn)場環(huán)境的需要，也為各種高危教學(xué)及高難度操作提供平臺，并避免了教學(xué)及實驗資源的浪費[21]，有效地積累戰(zhàn)傷手術(shù)救治經(jīng)驗。VR手術(shù)訓(xùn)練模型及海戰(zhàn)環(huán)境模型結(jié)合，可有效提升軍醫(yī)應(yīng)對作戰(zhàn)環(huán)境下手術(shù)救治的能力。

3 VR技術(shù)模擬海戰(zhàn)環(huán)境下緊急外科手術(shù)培訓(xùn)的優(yōu)勢及意義

3.1 VR技術(shù)在外科手術(shù)中的應(yīng)用優(yōu)勢

①VR技術(shù)提供了手術(shù)中快速定位病灶(腫瘤、感染部位等)和腹腔關(guān)鍵部位、結(jié)構(gòu)(動脈、血管、神經(jīng)等)的引導(dǎo)和判斷作用；②有助于在手術(shù)學(xué)習(xí)期間，實時獲取圖表、手冊、注釋及語音指導(dǎo)信息；③設(shè)置虛擬手術(shù)路徑，保證手術(shù)切除范圍，并避免副損傷[22]。

3.2 多重模型相結(jié)合的優(yōu)勢

指構(gòu)建VR場景所需的所有數(shù)學(xué)模型。包括視聽覺模型，我院已成功使用高科技的音像設(shè)備，如PD3投影儀、環(huán)形屏幕、高保真音響、動感座椅等，可模擬海浪、爆炸等視覺、聽覺刺激，建成虛擬現(xiàn)代戰(zhàn)場環(huán)境的學(xué)員訓(xùn)練教室[11]。分級救治模型，根據(jù)戰(zhàn)斗類型不同，造成傷員傷情輕重緩急不同，將傷員進(jìn)行分級救治，從而對傷病員救治進(jìn)程及結(jié)果產(chǎn)生影響。此模型可以我軍衛(wèi)勤分級救治為基礎(chǔ)[23]。傷情模型，模擬在不同海戰(zhàn)現(xiàn)場出現(xiàn)的各種傷病情，以至于受傷部位、嚴(yán)重程度等。手術(shù)模型，構(gòu)建已較為成熟，可基于我院各類急癥、創(chuàng)傷類病例數(shù)進(jìn)行收集，納入豐富素材至VR培訓(xùn)系統(tǒng)。救治效果模型，根據(jù)患者傷情、分級后送準(zhǔn)確性、手術(shù)效果及治療資源等情況演化病程進(jìn)展，判斷救治效果，也可由此作為判斷訓(xùn)練成果標(biāo)準(zhǔn)。目前已有手術(shù)模擬的人機(jī)交互設(shè)備，但針對海戰(zhàn)場景及救治模式并未研發(fā)，依據(jù)海戰(zhàn)傷的特殊性，收集大量數(shù)據(jù)及訓(xùn)練樣本，不斷完善訓(xùn)練模塊。

3.3 遠(yuǎn)程醫(yī)療對接加強(qiáng)技術(shù)支持的優(yōu)勢

有報道顯示，VR技術(shù)的手術(shù)教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)也可與遠(yuǎn)程醫(yī)療、輔助檢查、影像檢查等系統(tǒng)進(jìn)行對接[24]，美國陸軍早在2003年建立作戰(zhàn)前沿遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以獲得前線戰(zhàn)士的生命體征、身體狀況信息，通過遠(yuǎn)程技術(shù)進(jìn)行醫(yī)療支持[25]，隨著5G時代的來臨，信息的傳遞越來越便捷，遠(yuǎn)程教學(xué)、遠(yuǎn)程訓(xùn)練將會得到大范圍普及。而艦艇軍醫(yī)也可從輸送給后方醫(yī)院的“傷情”信息反饋得到更準(zhǔn)確的救治指導(dǎo)和指正，這不但可以應(yīng)用于平時訓(xùn)練，也可應(yīng)用于戰(zhàn)時急救，可收到一舉多得的效果。

3.4 在模擬訓(xùn)練過程中大量數(shù)據(jù)積累不斷調(diào)高訓(xùn)練效果

一名臨床外科醫(yī)生的培養(yǎng)很大程度上是在臨床工作中點滴積累，較少的動手機(jī)會以及較大的風(fēng)險致使外科手術(shù)的培訓(xùn)較為緩慢，訓(xùn)練量和頻次也難以控制[26-27]。而海戰(zhàn)傷救治積累的數(shù)據(jù)病例更為有限，因此，在以往的訓(xùn)練模式下僅僅通過訓(xùn)練艦出海對動物進(jìn)行手術(shù)救治的衛(wèi)勤演練，時間緊張，可重復(fù)性差，成本較高。VR技術(shù)的引進(jìn)，可以在不斷模擬改進(jìn)和擴(kuò)增素材，借助人工智能算法，生成合理的模型數(shù)據(jù)，有效地提高了海戰(zhàn)救治訓(xùn)練的持續(xù)改進(jìn)和優(yōu)化[28]。

4 展望

虛擬現(xiàn)實技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于軍事、教學(xué)和醫(yī)療，美軍已將其應(yīng)用于高級創(chuàng)傷救治技術(shù)模擬訓(xùn)練系統(tǒng) 、胸部創(chuàng)傷救治模擬訓(xùn)練系統(tǒng)、VR-Demo精神運動技術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)和環(huán)甲軟骨切開術(shù)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。美陸軍利用國防部的高級軍事演習(xí)模擬的傷員具有出血、休克，顯示創(chuàng)傷和病理學(xué)引起的生命體征變化的功能，而受訓(xùn)人員除了具有視覺、知覺、觸覺、聲音等，還包括力反饋以及手術(shù)者的“感覺”[25]。我軍自海軍成立以來，真實海戰(zhàn)實戰(zhàn)少，海戰(zhàn)救治經(jīng)驗積累較少，為戰(zhàn)而準(zhǔn)備的系統(tǒng)化、大規(guī)模有效海上救治訓(xùn)練難以實施，而VR技術(shù)的更大優(yōu)勢是它和軍事仿真模擬結(jié)合起來，既能創(chuàng)造出逼真的海上環(huán)境、戰(zhàn)場環(huán)境、戰(zhàn)斗場景，是受訓(xùn)者應(yīng)對暈船、應(yīng)激等方面得到鍛煉你，同時，模擬系統(tǒng)會隨著環(huán)境改變、救治流程選擇不同以及手術(shù)操作推進(jìn)演化手術(shù)訓(xùn)練的“傷者”預(yù)后[29]，以此多因素影響下的海戰(zhàn)手術(shù)訓(xùn)練模式可進(jìn)一步提高我軍的海戰(zhàn)救治能力。