虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在心血管外科手術(shù)教學(xué)培訓(xùn)中的初步應(yīng)用研究

李林林，于振坤，樊紅光，鄭哲

自1896年Ludwig Rehn醫(yī)生首次成功地完成了真正意義上的心臟手術(shù)以來(lái)，心外科已經(jīng)經(jīng)歷了百余年的發(fā)展歷程[1]，但心外科醫(yī)師的培養(yǎng)仍然遵循著傳統(tǒng)的模式，也就是醫(yī)學(xué)生在醫(yī)學(xué)院完成了基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)，掌握了基本的解剖學(xué)、病理學(xué)以及外科學(xué)的知識(shí)以后，進(jìn)入臨床見(jiàn)習(xí)和實(shí)習(xí)階段,從而完成對(duì)外科學(xué)由抽象到具象的認(rèn)識(shí)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了由文字和二維圖片到實(shí)景畫(huà)面的提升。進(jìn)入臨床培訓(xùn)階段后，受訓(xùn)醫(yī)師往往由助手做起，經(jīng)過(guò)類似學(xué)徒性質(zhì)的學(xué)習(xí)過(guò)程漸漸成為一個(gè)臨床醫(yī)生。

但是這種傳統(tǒng)的培養(yǎng)模式存在著諸多不足和缺陷。學(xué)員尚未掌握心血管外科的專科基本知識(shí)就要參與到繁忙的臨床工作中，這不但使心外科醫(yī)師的學(xué)習(xí)曲線明顯延長(zhǎng)，而且還會(huì)導(dǎo)致醫(yī)療差錯(cuò)發(fā)生率上升。因此在臨床醫(yī)師的培養(yǎng)階段，如何讓他們對(duì)心臟解剖結(jié)構(gòu)產(chǎn)生充分的認(rèn)識(shí)，如何縮短心外科醫(yī)師的培養(yǎng)周期，使他們安全地跨越從一個(gè)觀察學(xué)習(xí)者到手術(shù)者的鴻溝，正是目前迫切需要解決的問(wèn)題。

在全世界范圍內(nèi)，目前還沒(méi)有一個(gè)公認(rèn)有效的心血管外科虛擬教學(xué)系統(tǒng)能夠在醫(yī)學(xué)院?；蚪虒W(xué)醫(yī)院中廣泛使用。因此我們借鑒神經(jīng)外科、普外科、骨科、泌尿外科等專業(yè)人才培養(yǎng)的經(jīng)驗(yàn)[2]，將虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)引入到心外科醫(yī)師的培養(yǎng)過(guò)程中。

1 資料與方法

1.1 病例選擇

選取經(jīng)超聲心動(dòng)圖證實(shí)為先天性心臟病的成年患者15例（男性11例，女性4例），其中房間隔缺損、室間隔缺損、法樂(lè)四聯(lián)癥、肺動(dòng)脈閉鎖、右心室雙出口各3例?；颊吣挲g在18～45歲之間。所有患者均進(jìn)行外科手術(shù)治療。術(shù)前進(jìn)行增強(qiáng)計(jì)算機(jī)斷層攝影術(shù)（CT）檢查，以明確心臟病理解剖結(jié)構(gòu)。每種病例選取圖像質(zhì)量較好1例行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析。

1.2 心臟CT數(shù)據(jù)的獲取

1.2.1 患者準(zhǔn)備：所有患者均經(jīng)肘正中靜脈留置靜脈留置針。清潔患者皮膚后，將電極片穩(wěn)定地貼于心電采集部位對(duì)應(yīng)的皮膚上進(jìn)行心電監(jiān)測(cè)，教授患者憋氣動(dòng)作。

1.2.2 圖像采集：采用西門(mén)子公司的64排螺旋CT機(jī)以前瞻性心電門(mén)控模式進(jìn)行掃描，掃描范圍12～15 cm，采集時(shí)間5～6 s,管電壓為120 kV，管電流為770 mA，球管旋轉(zhuǎn)速度0.33 s/周, Pitch=0.2,層厚0.625 mm?；颊呓邮艿钠骄椛鋭┝繛椋?.6±1.7）mSv。使用雙筒高壓注射器通過(guò)靜脈留置針以3.5 ml/s的速度注射非離子造影劑（碘海醇注射液）,造影劑濃度為350～370 mg/100 ml。

1.3 心臟三維模型的建立

將原始CT數(shù)據(jù)導(dǎo)入到影通3D軟件（晟視科技，杭州）中，調(diào)節(jié)灰度閾值使得所選圖像掩膜（MASK）準(zhǔn)確覆蓋整個(gè)心臟區(qū)域。對(duì)MASK進(jìn)行3D重構(gòu)得到濾波平滑后的心臟三維模型。對(duì)心臟三維模型進(jìn)行3D分割操作，切除與心臟三維模型粘連的胸椎及胸肋骨骨骼部分后，導(dǎo)出用于進(jìn)行VR顯示的心臟部位三維模型。

1.4 VR模型顯示

將心臟三維模型導(dǎo)入到Unity軟件（unity technologies）中，處理模型使其具有特定顯示的效果和局部透明、可改變渲染顏色、可改變顯示方式等一種或多種功能。打包已處理模型。把打包的數(shù)據(jù)放置到影通VR軟件（晟視科技，杭州)的指定文件夾中，心臟三維模型便可在頭戴式顯示器（headmount display，以下簡(jiǎn)稱“頭顯”）中進(jìn)行360°全景立體顯示。通過(guò)控制器對(duì)心臟三維模型進(jìn)行放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、透明（全景或局部）等一系列交互操作，使得病灶點(diǎn)立體顯示于觀察者的視野空間中。

1.5 教學(xué)效果評(píng)價(jià)

自2018年1月至2018年10月，18名在阜外醫(yī)院學(xué)習(xí)的醫(yī)師系統(tǒng)地學(xué)習(xí)了我們制作的VR教材。18名醫(yī)師中包含8名實(shí)習(xí)醫(yī)師、7名研究生和3名專培生，男性13人，女性5人，中位年齡24.5歲（22～29歲）。為了解學(xué)員對(duì)VR教材的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，每名學(xué)員在完成VR教學(xué)課程后均需填寫(xiě)一份調(diào)查問(wèn)卷，問(wèn)卷的內(nèi)容如表1第一列所示。命題1～3、4～6、7～10、11～13、14～15 分別描述了 VR 教學(xué)系統(tǒng)的沉浸感、操控性、視覺(jué)體驗(yàn)、學(xué)習(xí)效果和副作用。該問(wèn)卷的設(shè)計(jì)基于李克特量表（Likert scale）[3]，每一個(gè)命題都給出了5種表示態(tài)度的備選答案（完全不同意、不是很同意、說(shuō)不準(zhǔn)、比較同意、完全同意），并用0～4分記分，分?jǐn)?shù)越高表示對(duì)某命題的同意程度越高。問(wèn)卷滿分為60分（15×4=60），中立態(tài)度得分為30分（15×2=30）,單一命題的累計(jì)最高分為72分（18×4=72），中立態(tài)度得分為36分（18×2=36）。問(wèn)卷中的題目均為態(tài)度積極的正向命題，問(wèn)卷得分越高則表示使用者對(duì)VR教學(xué)越認(rèn)可。

表1 調(diào)查問(wèn)卷結(jié)果分析[例（%）]

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

用SPSS 24.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。非連續(xù)變量以頻數(shù)和百分比表示。連續(xù)變量以均數(shù)表示，采用單樣本t檢驗(yàn)。P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

我們基于CT圖像成功構(gòu)建了部分類型先天性心臟病的VR解剖學(xué)教材，學(xué)員借助touch手柄即可對(duì)3D圖像進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、拆分、切割、縮放等操作（圖1）。

醫(yī)師所填寫(xiě)的調(diào)查問(wèn)卷的結(jié)果見(jiàn)表1。18位學(xué)員的平均分為44.6分，標(biāo)準(zhǔn)差為3.7分。經(jīng)單樣本t檢驗(yàn)，問(wèn)卷平均分顯著高于持中立態(tài)度的分值，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=16.9，P＜0.01）（圖2）。問(wèn)卷中每個(gè)命題的累計(jì)分?jǐn)?shù)如圖3所示。命題1的累計(jì)分?jǐn)?shù)為36分,整體呈中立態(tài)度，其中只有27.8%的醫(yī)師認(rèn)為VR教材的畫(huà)面較為逼真。對(duì)于VR教材的操控性、視覺(jué)體驗(yàn)和學(xué)習(xí)效果，學(xué)員都有著積極的評(píng)價(jià)，所有學(xué)員均未出現(xiàn)視覺(jué)和位置覺(jué)相關(guān)的不適癥狀。

圖1 先天性心臟病的VR解剖學(xué)教學(xué)過(guò)程

圖2 18名醫(yī)師的問(wèn)卷評(píng)分情況

圖3 15個(gè)命題的得分情況

3 討論

外科學(xué)是一門(mén)對(duì)解剖學(xué)依賴性很強(qiáng)的學(xué)科，術(shù)者只有對(duì)局部解剖結(jié)構(gòu)和臨近器官的毗鄰關(guān)系有著相當(dāng)清晰的認(rèn)識(shí)才能確保手術(shù)的安全和準(zhǔn)確。而美國(guó)解剖學(xué)的教學(xué)時(shí)間已經(jīng)從1955年的350個(gè)小時(shí)縮減到了2009年的149個(gè)小時(shí)[4]，同時(shí)由于尸體來(lái)源缺乏和尸體標(biāo)本不易重復(fù)使用，傳統(tǒng)解剖學(xué)的教學(xué)資源十分匱乏[5-6]。事實(shí)上自1995年到2000年短短的五年內(nèi)，由解剖學(xué)錯(cuò)誤造成的醫(yī)療索賠增加了7倍[7]。可見(jiàn)傳統(tǒng)的基于尸體的解剖教學(xué)已不能讓學(xué)生充分掌握解剖學(xué)知識(shí)并應(yīng)用于臨床。就心外科而言，心臟有著不規(guī)則的幾何結(jié)構(gòu)，初學(xué)者往往難以充分了解心臟內(nèi)各結(jié)構(gòu)的毗鄰關(guān)系，特別是先天性心臟病中的部分復(fù)雜畸形常常讓初學(xué)者感到十分困惑。

VR技術(shù)的出現(xiàn)很好地解決了上述問(wèn)題。

VR是指在計(jì)算機(jī)上生成一個(gè)與現(xiàn)實(shí)世界近乎相同甚至一模一樣的仿真世界，用戶借助人機(jī)接口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行交互，從而在仿真環(huán)境中產(chǎn)生真實(shí)世界的體驗(yàn)。目前VR集成了雙目立體視覺(jué)、立體聲、觸覺(jué)反饋、位置跟蹤等先進(jìn)技術(shù)，用戶可以在虛擬環(huán)境中產(chǎn)生視覺(jué)感知、聽(tīng)覺(jué)感知、觸覺(jué)感知和運(yùn)動(dòng)感知。VR技術(shù)已被公認(rèn)為是21世紀(jì)重要發(fā)展學(xué)科以及影響人們生活的重要技術(shù)之一。

VR首次應(yīng)用于醫(yī)療保健領(lǐng)域起始于20世紀(jì)90年代初期，醫(yī)務(wù)人員在手術(shù)過(guò)程中通過(guò)VR將復(fù)雜的醫(yī)療數(shù)據(jù)可視化，并將其應(yīng)用于術(shù)前規(guī)劃[8]。時(shí)至今日，VR已經(jīng)在微創(chuàng)手術(shù)中得到廣泛地應(yīng)用，如Huber等[9]利用VR頭顯構(gòu)建了腹腔鏡虛擬手術(shù)室；在神經(jīng)外科領(lǐng)域，加拿大國(guó)家研究委員會(huì)的50多位專家與20多家教學(xué)醫(yī)院的外科醫(yī)師合作開(kāi)發(fā)了 VR 手術(shù)模擬器“NeuroTouch”[10-11]；Heng等[12]開(kāi)發(fā)了VR關(guān)節(jié)鏡手術(shù)系統(tǒng)并提供了逼真的觸覺(jué)反饋；在心血管領(lǐng)域，VR技術(shù)多用于介入手術(shù)的教學(xué)培訓(xùn)[13-14]。

由于心外科的病種及手術(shù)操作的復(fù)雜性，有關(guān)VR技術(shù)在心外科領(lǐng)域的應(yīng)用鮮有報(bào)道。Friedl等[15]利用虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言（VRML）在計(jì)算機(jī)中構(gòu)建了可交互的3D心臟模型，不過(guò)該模型與心臟的真實(shí)結(jié)構(gòu)仍有差異。Ong等[16]用CT數(shù)據(jù)構(gòu)建了心臟虛擬模型，從而為2名先天性心臟病患兒實(shí)施了解剖評(píng)估和手術(shù)規(guī)劃。Bruckheimer等[17]與以色列的Realview公司合作也成功構(gòu)建了結(jié)構(gòu)性心臟病的3D模型，并進(jìn)行了手術(shù)導(dǎo)航，但需要應(yīng)用專業(yè)的全息設(shè)備。

我們將VR技術(shù)應(yīng)用到了心外科學(xué)員的教學(xué)過(guò)程中，并制作了部分類型先天性心臟病的VR教材，其教學(xué)效果良好，目前可作為傳統(tǒng)教學(xué)模式的重要補(bǔ)充。實(shí)際上，在傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，學(xué)員幾乎是作為第二助手參與手術(shù)，其位置距術(shù)野較遠(yuǎn)，特別是當(dāng)心臟位置較深時(shí)，第二助手幾乎無(wú)法了解心臟內(nèi)部的真實(shí)解剖結(jié)構(gòu)。而VR模型卻是全方位、無(wú)死角、可拆分、可切割的，這就使得在心外科接受?？茖W(xué)習(xí)的學(xué)員能夠?qū)ο忍煨孕呐K病的病理解剖有直觀而準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)。問(wèn)卷中我們也可以看出，所有人對(duì)VR教材的教學(xué)內(nèi)容都有著深刻的記憶，Ayodeji等[18]的研究也表明了類似觀點(diǎn)。因此我們認(rèn)為，在傳統(tǒng)教學(xué)的基礎(chǔ)上，融入VR技術(shù)的教學(xué)方式會(huì)有著更佳的教學(xué)效果。這也與國(guó)外類似研究的結(jié)論一致[19-23]。

因CT數(shù)據(jù)有著易于獲取、對(duì)比度高、樣本量大等諸多優(yōu)勢(shì)，所以本研究使用了增強(qiáng)CT數(shù)據(jù)得到了較為典型的先天性心臟病VR模型。但由于造影劑從上肢注射，在下腔靜脈內(nèi)分布不足，造成下腔靜脈的顯影不佳。雖然CT機(jī)進(jìn)行心血管掃描時(shí)會(huì)用心電門(mén)控或心電觸發(fā)技術(shù)減少運(yùn)動(dòng)偽影，但是部分患者還是因?yàn)榕浜喜涣?、呼吸運(yùn)動(dòng)等因素導(dǎo)致了部分圖像的失真。調(diào)查問(wèn)卷的結(jié)果也顯示大部分學(xué)員對(duì)3D心臟模型的逼真程度不太滿意，為此我們接下來(lái)將應(yīng)用動(dòng)態(tài)對(duì)比增強(qiáng)MRI（DCE-MRI）來(lái)構(gòu)建動(dòng)態(tài)心臟模型，在MRI圖像中描記心肌組織的每一個(gè)細(xì)節(jié)，并采用NVIDIAQuadro圖形顯卡進(jìn)行畫(huà)面渲染以構(gòu)建出更逼真的心臟模型。

雖然我國(guó)心血管外科手術(shù)發(fā)展迅猛，但是醫(yī)療資源及手術(shù)技術(shù)仍存在顯著的地方差異[24]，特別是在心血管領(lǐng)域，隨著經(jīng)皮介入技術(shù)的普遍開(kāi)展，外科手術(shù)也為介入手術(shù)提供了強(qiáng)有力的安全保障[25]。因此，規(guī)范化地培養(yǎng)心血管外科醫(yī)師就顯得尤為重要。目前，本研究只是對(duì)于VR技術(shù)在心血管外科教學(xué)培訓(xùn)中的應(yīng)用進(jìn)行了初步探索，雖然存在一定的局限性，但結(jié)果引人注目。接下來(lái)我們將不斷完善該技術(shù)，下一步的研究方向是VR心血管疾病的系列培訓(xùn)教材、構(gòu)建VR手術(shù)室平臺(tái)系統(tǒng)。