虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用探索

翟吉良 金迪 楊波

（中國(guó)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)院骨科，北京 100730）

2014 年，國(guó)家衛(wèi)生和計(jì)劃生育委員會(huì)等七部門頒發(fā)了《關(guān)于建立住院醫(yī)師規(guī)范化培訓(xùn)制度的指導(dǎo)意見(jiàn)》，其中指出：住院醫(yī)師規(guī)范化培訓(xùn)是培養(yǎng)合格臨床醫(yī)師的必經(jīng)途徑，是加強(qiáng)衛(wèi)生人才隊(duì)伍建設(shè)、提高醫(yī)療衛(wèi)生工作質(zhì)量和水平的治本之策，是深化醫(yī)藥衛(wèi)生體制改革和醫(yī)學(xué)教育改革的重大舉措，可見(jiàn)住院醫(yī)師規(guī)范化培訓(xùn)的重要性非同一般[1]。住院醫(yī)師規(guī)范化培訓(xùn)以培養(yǎng)臨床能力為主，通過(guò)系統(tǒng)和規(guī)范的培訓(xùn)使其具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和熟練的臨床技能。傳統(tǒng)教學(xué)方法重理論輕實(shí)踐，學(xué)生往往表現(xiàn)為“眼高手低”——理論知識(shí)扎實(shí)，而臨床操作能力較差。美國(guó)《用教學(xué)技術(shù)支持教育改革》中指出：現(xiàn)代教育改革的核心是使學(xué)生變被動(dòng)學(xué)習(xí)為投入學(xué)習(xí)，在真實(shí)的環(huán)境中學(xué)習(xí)和接受挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)任務(wù)[2]。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（virtual reality technology，VR）是多種技術(shù)的高度結(jié)合，它利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，能夠感知參與者的位置，捕捉參與者的動(dòng)作信息，可以讓使用者完全沉浸到模擬環(huán)境中，并且通過(guò)有觸感反饋功能的控制器與虛擬環(huán)境進(jìn)行互動(dòng)[3,4]。利用該技術(shù)開發(fā)的虛擬仿真項(xiàng)目在醫(yī)學(xué)教育中也得到越來(lái)越多的應(yīng)用[5-13]。這項(xiàng)技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用改變了教學(xué)模式和學(xué)習(xí)方式，提高了學(xué)生在虛擬的環(huán)境中與實(shí)驗(yàn)對(duì)象的互動(dòng)性和沉浸感，特別是解決了侵入性操作不能在真人身上反復(fù)練習(xí)、貴重器械無(wú)法反復(fù)使用等教學(xué)難題[14-16]。本研究將基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)模擬系統(tǒng)應(yīng)用到教學(xué)實(shí)踐中，嘗試突破傳統(tǒng)教學(xué)方法的局限，期望更好地完成住院醫(yī)師規(guī)范化培訓(xùn)要求并提高培訓(xùn)質(zhì)量。

1 對(duì)象與方法

1.1 教學(xué)對(duì)象

選擇2019 年10 月至2020 年9 月參與骨科住院醫(yī)師規(guī)范化培訓(xùn)的臨床研究生及博士后（統(tǒng)稱為住院醫(yī)師）。納入標(biāo)準(zhǔn)：外科臨床輪轉(zhuǎn)≥1 年、既往未參與關(guān)節(jié)鏡手術(shù)或關(guān)節(jié)鏡手術(shù)模擬器操作。排除標(biāo)準(zhǔn)：無(wú)法按時(shí)完成2 周的教學(xué)計(jì)劃，無(wú)法參加教學(xué)后評(píng)估、輪轉(zhuǎn)時(shí)間小于1 年、參加過(guò)關(guān)節(jié)鏡手術(shù)或關(guān)節(jié)鏡手術(shù)模擬操作。全體住院醫(yī)師接受理論教學(xué)后，對(duì)其理論知識(shí)進(jìn)行考核。按照理論考核成績(jī)隨機(jī)分為A組和B組，每組16人。兩組住院醫(yī)師的性別、年齡、臨床輪轉(zhuǎn)進(jìn)度比較，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（表1）。

表1 參與本研究的住院醫(yī)師的基本信息

1.2 教學(xué)方法

1.2.1 理論教學(xué)：同一教師采用同一教學(xué)課件對(duì)所有住院醫(yī)師進(jìn)行理論教學(xué)，包括膝關(guān)節(jié)解剖、膝關(guān)節(jié)常見(jiàn)疾病、膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)、半月板損傷關(guān)節(jié)鏡治療等知識(shí)，教學(xué)完畢后對(duì)所有住院醫(yī)師進(jìn)行理論考核，并由另一教師記錄為初始考核成績(jī)。

1.2.2 分組教學(xué)：根據(jù)理論考核成績(jī)將住院醫(yī)師隨機(jī)分為兩組，并開始為期2 周（4 學(xué)時(shí)）的手術(shù)教學(xué)。A組住院醫(yī)師進(jìn)行傳統(tǒng)的手術(shù)視頻教學(xué)（網(wǎng)站可記錄學(xué)時(shí)，需滿足學(xué)時(shí)要求，視頻由監(jiān)考官選取指定；B組進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)關(guān)節(jié)鏡手術(shù)模擬系統(tǒng)教學(xué)（圖1），有指定教學(xué)人員陪同。

圖1 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的膝關(guān)節(jié)鏡模擬系統(tǒng)

1.2.3 教學(xué)后評(píng)估：完成教學(xué)任務(wù)后采用同一考核內(nèi)容與調(diào)查問(wèn)卷對(duì)兩組住院醫(yī)師進(jìn)行客觀和主觀評(píng)價(jià)?？陀^考核時(shí)在膝關(guān)節(jié)半月板模型上進(jìn)行關(guān)節(jié)鏡下半月板切除術(shù)操作（圖2），由同一關(guān)節(jié)鏡專家進(jìn)行BAKSSS 評(píng)分[17]及理論考核，記錄為終末考核成績(jī)?？己顺煽?jī)改善率=（終末考核成績(jī)-初始考核成績(jī)）/初始考核成績(jī)×100%。調(diào)查問(wèn)卷由住院醫(yī)師自行填寫，內(nèi)容包括課程評(píng)價(jià)、學(xué)習(xí)興趣、自學(xué)能力、學(xué)習(xí)效率。

圖2 利用膝關(guān)節(jié)半月板模型進(jìn)行關(guān)節(jié)鏡下半月板切除術(shù)客觀考核：教師演示（A）和同學(xué)考核（B）

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS 19.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)量數(shù)據(jù)采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，進(jìn)行t檢驗(yàn)；分類變量采用χ2檢驗(yàn)，P＜0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

兩組客觀考核結(jié)果顯示，初始考核成績(jī)無(wú)明顯差異，但采用虛擬膝關(guān)節(jié)鏡模擬系統(tǒng)的住院醫(yī)師終末理論成績(jī)、理論成績(jī)改善率及BAKSSS評(píng)分均較采用傳統(tǒng)教學(xué)方法的住院醫(yī)師明顯提高，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05，表2）。

表2 兩種不同教學(xué)方法客觀評(píng)價(jià)比較（）

表2 兩種不同教學(xué)方法客觀評(píng)價(jià)比較（）

注：A組為手術(shù)視頻教學(xué)；B組為虛擬現(xiàn)實(shí)關(guān)節(jié)鏡手術(shù)模擬系統(tǒng)教學(xué)

兩組主觀考核結(jié)果顯示，采用虛擬膝關(guān)節(jié)鏡模擬系統(tǒng)的住院醫(yī)師在課程評(píng)價(jià)、學(xué)習(xí)興趣、自學(xué)能力及學(xué)習(xí)效率等方面均較采用傳統(tǒng)教學(xué)方法的住院醫(yī)師明顯提高，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05，表3）。

3 討論

關(guān)節(jié)鏡手術(shù)是一種微創(chuàng)手術(shù)，具有切口小、術(shù)野清晰、并發(fā)癥少、恢復(fù)快等優(yōu)勢(shì)，目前已經(jīng)涵蓋了除關(guān)節(jié)置換以外的幾乎所有關(guān)節(jié)內(nèi)手術(shù)，在國(guó)內(nèi)外各級(jí)醫(yī)療機(jī)構(gòu)發(fā)展迅猛，我院近3年的手術(shù)量每年遞增30%～50%，上升空間十分巨大。與關(guān)節(jié)鏡技術(shù)迅猛發(fā)展不相匹配的是技術(shù)培訓(xùn)的滯后及短缺。

表3 兩種不同教學(xué)方法主觀評(píng)價(jià)比較（，分）

表3 兩種不同教學(xué)方法主觀評(píng)價(jià)比較（，分）

注：A組為手術(shù)視頻教學(xué)；B組為虛擬現(xiàn)實(shí)關(guān)節(jié)鏡手術(shù)模擬系統(tǒng)教學(xué)

3.1 傳統(tǒng)教學(xué)方法面臨的困難

由于微創(chuàng)技術(shù)本身的特點(diǎn)，關(guān)節(jié)鏡操作幾乎全部由主刀完成，助手動(dòng)手機(jī)會(huì)很少；從患者角度考慮，受我國(guó)目前國(guó)情和醫(yī)療環(huán)境的影響，多數(shù)患者愿意選擇手術(shù)經(jīng)驗(yàn)豐富的醫(yī)師進(jìn)行治療，廣大年輕醫(yī)師的動(dòng)手鍛煉機(jī)會(huì)嚴(yán)重不足[18]；而且關(guān)節(jié)鏡手術(shù)種類較多，涉及肩、肘、腕、髖、膝、踝等多個(gè)部位，鏡下操作復(fù)雜，學(xué)習(xí)周期較長(zhǎng)，致使培養(yǎng)一名合格的關(guān)節(jié)鏡外科醫(yī)師需要花費(fèi)很大的精力和財(cái)力。目前年輕醫(yī)師一般通過(guò)視頻教學(xué)的方法學(xué)習(xí)膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)，通過(guò)視頻并結(jié)合教材和手術(shù)觀摩，但這種方法缺乏主觀感受和體會(huì)，與真正的動(dòng)手操作體驗(yàn)差別很大，所以學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性較低，學(xué)習(xí)效果也較差。

目前國(guó)內(nèi)關(guān)節(jié)鏡手術(shù)的開展得到迅速發(fā)展，很多基層醫(yī)院也逐漸購(gòu)買了關(guān)節(jié)鏡手術(shù)設(shè)備并開展相關(guān)手術(shù)。但由于尚缺乏完善的關(guān)節(jié)鏡技術(shù)培訓(xùn)機(jī)制，使得技術(shù)開展無(wú)法實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一規(guī)范，隨之而來(lái)的問(wèn)題是手術(shù)操作失誤甚至事故時(shí)常出現(xiàn)，這不僅一定程度制約了關(guān)節(jié)鏡技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，而且造成大眾對(duì)關(guān)節(jié)鏡技術(shù)的誤解。因此，亟需建立一種新的高效的關(guān)節(jié)鏡教學(xué)培訓(xùn)方法，以縮短學(xué)習(xí)曲線，提高培訓(xùn)效果。

3.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征及在醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，它利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，是一種多源信息融合的、交互式的三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真，使使用者沉浸到該環(huán)境中，獲得身臨其境的體驗(yàn)[19]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征包括：①沉浸性，使用者可感受到模擬環(huán)境的真實(shí)感；②交互性，使用者可操作模擬環(huán)境內(nèi)的物體，并得到環(huán)境的反饋；③構(gòu)想性，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可再現(xiàn)真實(shí)存在的環(huán)境，也可構(gòu)造客觀不存在的環(huán)境。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)分為：①桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)：以計(jì)算機(jī)屏幕作為用戶觀察虛擬環(huán)境的窗口，用戶通過(guò)鼠標(biāo)等設(shè)備，操作虛擬情景中的各種物體；②沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)：利用頭盔顯示器、位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、其他手控輸入設(shè)備和聲音等，雖在虛擬環(huán)境，但可以讓使用者全身心地投入和沉浸其中；③共享性虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)：使多個(gè)用戶通過(guò)客戶端進(jìn)入由服務(wù)器構(gòu)筑的虛擬空間，共同體驗(yàn)虛擬經(jīng)歷[20]。本研究中采用的膝關(guān)節(jié)模型系統(tǒng)即為桌面式虛擬系統(tǒng)。

2016年是公認(rèn)的VR元年[21]，在這一年里VR技術(shù)出現(xiàn)了爆炸性的突破。2017年下半年以來(lái)，各大公司紛紛將發(fā)展方向轉(zhuǎn)向教育、醫(yī)學(xué)及軍事等方面。VR技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)、教學(xué)模式變革、實(shí)踐性人才的培養(yǎng)、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)以及基礎(chǔ)類教學(xué)等方面的應(yīng)用如雨后春筍般出現(xiàn)[22]。VR技術(shù)通過(guò)高度仿真、互動(dòng)的情境設(shè)置，可以有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和增強(qiáng)學(xué)習(xí)體驗(yàn)[23]。此外，VR 技術(shù)還會(huì)縮短廣大醫(yī)務(wù)人員教育時(shí)間、節(jié)約培訓(xùn)資金、提高手術(shù)質(zhì)量及降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)[4]。

3.3 關(guān)節(jié)鏡虛擬手術(shù)在骨科教學(xué)中的效果

通過(guò)引入關(guān)節(jié)鏡虛擬手術(shù)模型，使每位學(xué)生都能夠獲得動(dòng)手操作機(jī)會(huì)，在提高課程參與度的同時(shí)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高課堂參與性及互動(dòng)性。通過(guò)在虛擬模型上操作演練，住院醫(yī)師會(huì)主動(dòng)提出問(wèn)題，顯著活躍課堂氛圍。此外，虛擬仿真系統(tǒng)引導(dǎo)性的教學(xué)方式和無(wú)限重復(fù)性的練習(xí)模式，可以使學(xué)生的學(xué)習(xí)效率明顯地提升，極大地提高了教學(xué)質(zhì)量[24]。本研究中，采用虛擬關(guān)節(jié)鏡進(jìn)行教學(xué)的住院醫(yī)師終末考核成績(jī)及成績(jī)改善率均較參與傳統(tǒng)教學(xué)的醫(yī)師明顯提高，主觀評(píng)價(jià)也有更好的提高。此外，虛擬關(guān)節(jié)鏡系統(tǒng)可降低教學(xué)成本、極大地方便教師對(duì)教學(xué)學(xué)時(shí)和質(zhì)量的把控，可以提升師生分析真實(shí)環(huán)境下發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決的能力，是真實(shí)教學(xué)的良好補(bǔ)充[9]。當(dāng)然，由于基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的膝關(guān)節(jié)模擬系統(tǒng)教學(xué)仍處于探索期，虛擬情景模塊的設(shè)計(jì)還有待改進(jìn)和完善，未來(lái)還需進(jìn)一步進(jìn)行完善，從而使整個(gè)教學(xué)過(guò)程更貼近臨床并且涵蓋更廣的應(yīng)用范圍。