虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實技術(shù)在眼科教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

鄒 絢，睢瑞芳

(中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)院 眼科， 北京 100730)

現(xiàn)今，越來越多的多媒體教學(xué)手段(如手機及電腦教學(xué)應(yīng)用軟件)被應(yīng)用于醫(yī)學(xué)教學(xué)和培訓(xùn)中。這些多媒體技術(shù)、數(shù)字信息和教學(xué)軟件大大豐富了當(dāng)今醫(yī)學(xué)生學(xué)習(xí)方法，提高了學(xué)習(xí)效率并且進(jìn)一步保障了醫(yī)療安全。其中，新的可視化技術(shù)如虛擬現(xiàn)實(virtual reality，VR)和增強現(xiàn)實(augmented reality，AR)作為一種新興的教學(xué)手段，已在醫(yī)學(xué)教學(xué)中廣泛應(yīng)用，給當(dāng)代醫(yī)學(xué)生創(chuàng)造了全新的學(xué)習(xí)環(huán)境。比如VR或AR技術(shù)被用于外科基本操作打結(jié)培訓(xùn)、創(chuàng)傷整形外科手術(shù)培訓(xùn)、腔鏡手術(shù)操作培訓(xùn)，以及婦產(chǎn)科宮腔鏡操作培訓(xùn)等。而且多數(shù)研究都表明這種教學(xué)方式可以提高學(xué)習(xí)效率、幫助學(xué)生更好的掌握某種操作技能和提高醫(yī)師執(zhí)業(yè)初期在患者中操作的安全性。本文將結(jié)合VR和 AR技術(shù)的發(fā)展趨勢，總結(jié)此兩項技術(shù)在眼科教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)況和進(jìn)展。

1 VR和AR技術(shù)的基本概念

VR技術(shù)源于20世紀(jì)60年代，是利用計算機技術(shù)生成逼真的視、聽、觸覺融合的三維虛擬環(huán)境，用戶以特定設(shè)備與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互互動，從而獲得與真實環(huán)境相同的體驗和感受。與傳統(tǒng)模擬技術(shù)相比，VR技術(shù)具有沉浸性、構(gòu)想性和交互性3個主要特征。在電腦構(gòu)建的虛擬環(huán)境中，操作者可以通過設(shè)備對虛擬環(huán)境中的內(nèi)容進(jìn)行操作，被操作的物體也能夠隨之產(chǎn)生相應(yīng)的變化和回應(yīng)。

AR技術(shù)是一種實時計算攝影機影像位置及角度并加上相應(yīng)圖像的技術(shù)，將真實世界和虛擬世界合成在一個界面，把原本在現(xiàn)實世界內(nèi)不存在的信息(視、聽、味、觸覺等)通過電腦技術(shù)模擬仿真后再疊加，將虛擬的信息應(yīng)用到真實世界，從而達(dá)到超越現(xiàn)實的感官體驗。AR系統(tǒng)具有集成性、交互性和在三維空間中增添定位虛擬物體的3個主要特征。

2 VR與AR技術(shù)在眼解剖教學(xué)中的應(yīng)用

眼球解剖是眼科學(xué)的教學(xué)基礎(chǔ)，現(xiàn)今的醫(yī)學(xué)教育理念仍將尸體解剖作為解剖教學(xué)的“金標(biāo)準(zhǔn)”，但是由于眼球結(jié)構(gòu)非常精密微小，眼球解剖開后組織容易被破壞且難以保存，再加之受經(jīng)費、倫理等限制，尸體解剖并不適用于眼科教學(xué)。因此，目前傳統(tǒng)的教學(xué)方式仍是傳統(tǒng)授課和書本描述為主，圖譜和眼球教學(xué)模型為輔。學(xué)生在接觸眼球解剖初期，常感抽象和難以理解，容易產(chǎn)生畏難心理。利用VR或AR技術(shù)構(gòu)建正常人眼解剖結(jié)構(gòu)的模擬系統(tǒng)，創(chuàng)造出的圖像不僅具有立體感，而且還給人以真實感，以此進(jìn)行教學(xué)可以增強課堂教學(xué)的生動性和形象性。不僅如此，使用者還可以通過手柄對三維立體眼模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、放大或縮小、拉近或拉遠(yuǎn)，可以直觀地觀察眼內(nèi)結(jié)構(gòu)(圖1)，從而更容易理解眼球解剖結(jié)構(gòu)[1]?，F(xiàn)在VR和AR技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)解剖教學(xué)中，市場上已經(jīng)有不少可購買的產(chǎn)品(如Eye Sim，EON Reality Inc.，USA)，多數(shù)研究表明學(xué)生對此種新興的教學(xué)方式反饋良好，學(xué)生可以更快地掌握解剖學(xué)知識、更深入的理解解剖學(xué)結(jié)構(gòu)[1]，但是也有研究表明與傳統(tǒng)的教學(xué)效果差別不明顯或者差于傳統(tǒng)的教學(xué)方法，并且因為學(xué)生需要佩戴VR頭盔，學(xué)習(xí)時間難以維持太久(一般少于30 min)，會產(chǎn)生視疲勞等不適癥狀[2]。因此，將來通過對VR或AR技術(shù)設(shè)備的改良，減輕學(xué)生使用后的視疲勞癥狀，是該技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。

圖1 VR技術(shù)顯示的眼球結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1 Simulation of eye anatomy in VR technology (EyeSim, EON Reality Inc., USA)

3 VR與AR技術(shù)在眼疾病教學(xué)中的應(yīng)用

讓學(xué)生僅通過老師或書本的語言描述來理解眼病中患者的癥狀是比較抽象的，VR與AR技術(shù)可以構(gòu)建三維立體場景模擬各種視覺障礙，比如視物模糊、視野缺損、視物變形、色覺障礙等。例如芝加哥的伊利諾斯大學(xué)實驗室(VRMedLab)使用VR技術(shù)虛構(gòu)了生活場景來模擬青光眼、老年性黃斑變性和糖尿病視網(wǎng)膜病變的癥狀(圖2)，學(xué)生頭戴VR頭盔，便可身臨其境地感受眼疾患者的癥狀[1]。

另外，本科醫(yī)學(xué)生在實習(xí)過程中通常還不能熟練地掌握裂隙燈、雙目間接眼底鏡或前置鏡的使用，而且對病變形態(tài)沒有充分的理解，因此臨床見習(xí)或?qū)嵙?xí)時很難精確地在患者身上觀察到疾病的體征。利用VR和AR技術(shù)可以模擬出不同疾病體征(圖3)[1]，通過這種學(xué)習(xí)手段，學(xué)生可以反復(fù)觀察學(xué)習(xí)病變形態(tài)，不僅可以更好的理解疾病的病理狀態(tài)，還可以模擬參與這些虛擬眼疾患者的診斷和治療工作。因此，VR和AR技術(shù)在模擬眼科疾病的癥狀和體征上都有很廣泛的應(yīng)用前景，將來也可以通過此技術(shù)建立標(biāo)準(zhǔn)化病人庫，用于眼科教學(xué)和考核。

A.VR技術(shù)模擬老年性黃斑變性視覺障礙；B.VR技術(shù)模擬糖尿病視網(wǎng)膜病變視覺障礙；C.VR技術(shù)模擬青光眼視覺障礙圖2 VR技術(shù)模擬各種眼疾癥狀[1]Fig 2 Simulation of symptoms of eye diseases in VR technology

圖3 VR技術(shù)模擬糖尿病視網(wǎng)膜病變的眼底表現(xiàn)[1]Fig 3 VR eye model showing retinal changes due to diabetic retinopathy

4 VR與AR在眼科檢查法和眼科操作中的應(yīng)用

使用VR或AR模擬器對學(xué)生進(jìn)行眼科檢查法的訓(xùn)練，可以讓學(xué)生在沒有壓力的情況下反復(fù)長時間練習(xí)，從而避免直接檢查對患者造成的不適。VR或AR技術(shù)目前可以用于裂隙燈檢查、 直接檢眼鏡檢查和間接檢眼鏡檢查的培訓(xùn)。例如，使用雙目間接眼底鏡顯示的圖像為倒向，且需要良好的手眼運動協(xié)調(diào)，因此初學(xué)者通常難以掌握，需要反復(fù)實踐練習(xí)。EyeSI BIO(VRmagic，Manheim, Germany)是基于AR技術(shù)的雙目間接眼底鏡模擬系統(tǒng)，使用者戴頭鏡，可以在真實的環(huán)境中使用模型鏡(類似于傳統(tǒng)的20D或28D)在患者模型上對虛擬的眼底圖像進(jìn)行練習(xí)(圖4)[3]。雙目間接檢眼鏡AR模擬系統(tǒng)還可以對使用者進(jìn)行掌握程度的測驗。一項加拿大的研究納入了28名第一年的眼科住院醫(yī)，比較EyeSI BIO培訓(xùn)和傳統(tǒng)培訓(xùn)后住院醫(yī)技能的掌握情況，表明EyeSI BIO的教學(xué)效果要優(yōu)于傳統(tǒng)的教學(xué)方法[3]。

除了眼科檢查法培訓(xùn)，VR或AR技術(shù)還用于培訓(xùn)激光小梁成型[4]、球后注射[5]、視網(wǎng)膜激光光凝[6]等一些眼科操作的培訓(xùn)。例如，一項研究比較了PixEye氬激光小梁成型術(shù)模擬系統(tǒng)與傳統(tǒng)教學(xué)方法的教學(xué)效果。研究納入了47名第5年的男性醫(yī)學(xué)生(VR模擬系統(tǒng)組24人，傳統(tǒng)教學(xué)組23名)，經(jīng)過培訓(xùn)后，學(xué)生進(jìn)行激光小梁成型術(shù)的測驗。結(jié)果顯示VR模擬系統(tǒng)組激光射失率更低、過度激光和激光不足的比例更低，而且兩組差異顯著，說明PixEye模擬系統(tǒng)能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，減少激光相關(guān)的并發(fā)癥等。

A.培訓(xùn)設(shè)備；B. 操作界面，使用者可以選擇讓虛擬患者向不同的方向注視圖4 基于AR技術(shù)的雙目間接眼底鏡培訓(xùn)[3]Fig 4 AR simulator of binocular indirect ophthalmoscopy

5 VR與AR在眼科手術(shù)培訓(xùn)中的應(yīng)用

眼科手術(shù)模擬器的應(yīng)用始于20 世紀(jì)90 年代初，目前在教學(xué)中使用最多的是Eye SI(VRmagic，Manheim，Germany)眼科手術(shù)模擬器(圖5)，此模擬器可以在顯微鏡下模擬手術(shù)中三維圖像，對白內(nèi)障和玻璃體手術(shù)進(jìn)行模擬和培訓(xùn)，具有使用簡單可控、仿真度高且能反復(fù)操作等優(yōu)點?？娠@著提高使用者顯微鏡下操作、白內(nèi)障手術(shù)以及玻璃體手術(shù)等的掌握程度。

Eye SI白內(nèi)障手術(shù)模擬器與實際手術(shù)中撕囊的過程有高度一致性，經(jīng)過培訓(xùn)后，可以有效地提高眼科住院醫(yī)在各個學(xué)習(xí)模塊中的成績，特別是撕囊和抗抖模塊[7]；可以縮短學(xué)習(xí)曲線，表現(xiàn)為在手術(shù)中超聲乳化時間更短、所用能量更小，并且術(shù)中并發(fā)癥更少[8]。使用白內(nèi)障手術(shù)模擬器的表現(xiàn)與現(xiàn)實中的手術(shù)操作也有顯著的相關(guān)性[9]。另外，模擬器能在一定程度上反映使用者的手術(shù)掌握情況，因此可以通過住院醫(yī)師課程培訓(xùn)的情況，預(yù)測日后手術(shù)的速度和表現(xiàn)[10]。大部分參培住院醫(yī)師認(rèn)為模擬器訓(xùn)練非常重要和有效；但是，雖然初學(xué)者效果明顯，Eye SI白內(nèi)障手術(shù)模擬器對于手術(shù)經(jīng)驗豐富的醫(yī)師則無明顯的提高作用[11]。

除了白內(nèi)障手術(shù)操作，手術(shù)模擬系統(tǒng)也可用于進(jìn)行玻璃體手術(shù)的培訓(xùn)(圖5B)。使用者可以進(jìn)行眼內(nèi)基本顯微操作訓(xùn)練、玻璃體切除、眼內(nèi)激光、制作玻璃體后脫離、剝除內(nèi)界膜等操作，通過訓(xùn)練可以不同程度的提高模擬器訓(xùn)練中的手術(shù)技巧，但是能否順利轉(zhuǎn)換到真實患者手術(shù)中，還有待進(jìn)一步研究[12]。

A.模擬器外觀；B.玻璃體手術(shù)操作實景界面圖5 Eye SI(VRmagic)眼科手術(shù)模擬器Fig 5 Eye SI (VRmagic) sugical simulator

6 小結(jié)

在中國，近年來也有越來越多的醫(yī)學(xué)院開始使用VR或AR設(shè)備進(jìn)行眼科教學(xué)。例如北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院眼科教學(xué)就將Eye SI手術(shù)模擬作為本科教學(xué)實習(xí)和眼科住院醫(yī)培訓(xùn)的必修課。學(xué)生通過培訓(xùn)，能基本掌握顯微鏡下的操作要領(lǐng)，較好地控制器械的位置和穩(wěn)定性。即使完全沒有手術(shù)經(jīng)驗的本科生，通過短暫的培訓(xùn)也能有明顯的提高，并對整個手術(shù)過程有更好的理解。國內(nèi)目前也出現(xiàn)了一些自主研發(fā)的教學(xué)設(shè)備，如上海皋城軟件有限公司研發(fā)的眼球解剖VR軟件，對三維眼球進(jìn)行了立體重建，支持眼球組件的分層顯示、組件剖切和實時標(biāo)記；還包含裂隙燈操作及病例診斷功能等。

總之，AR和VR技術(shù)相關(guān)的眼科教學(xué)系統(tǒng)是建立在高科技信息技術(shù)之上的新型教學(xué)系統(tǒng)，在過去十年內(nèi)發(fā)展迅速，而且具有廣闊的發(fā)展前景。雖然目前還有很多不足和不完善的地方，但仍是未來幾十年內(nèi)發(fā)展的趨勢，將在醫(yī)學(xué)教育和青年醫(yī)生的培訓(xùn)方面起到舉足輕重的作用。AR和VR技術(shù)給眼科和其他醫(yī)學(xué)教學(xué)改革提供了全新的思路，拓展了眼科教學(xué)的發(fā)展空間，善于應(yīng)用AR和VR技術(shù)，有助于創(chuàng)建全新高效的課堂。