虛擬現(xiàn)實(shí)在消化內(nèi)鏡培訓(xùn)中的研究進(jìn)展

梁 宏 管 鑫 華雯俏 姜相君

青島市市立醫(yī)院消化科(266011)

消化內(nèi)鏡是診斷和治療消化道疾病的重要工具，因此對(duì)消化內(nèi)鏡醫(yī)師的培訓(xùn)尤為重要。傳統(tǒng)的消化內(nèi)鏡培訓(xùn)模式是基于患者、在臨床環(huán)境中通過(guò)監(jiān)督、操作、訓(xùn)練進(jìn)行學(xué)習(xí)。此種訓(xùn)練方法存在一定弊端，包括增加檢查持續(xù)時(shí)間及其相關(guān)經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)、增加患者的不適和風(fēng)險(xiǎn)等[1]。尤其是在無(wú)痛胃、腸鏡檢查中，除增加內(nèi)鏡檢查本身的風(fēng)險(xiǎn)外，還會(huì)增加麻醉風(fēng)險(xiǎn)。采用模擬技術(shù)訓(xùn)練胃腸道內(nèi)鏡操作的歷史可追溯至19世紀(jì)60年代，其標(biāo)志著內(nèi)鏡培訓(xùn)由“手把手”教學(xué)向模擬器輔助教學(xué)的轉(zhuǎn)變。隨著時(shí)代的進(jìn)步，目前的消化內(nèi)鏡模擬器已發(fā)展至利用虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality,VR)技術(shù)以更好地為內(nèi)鏡訓(xùn)練服務(wù)[2]。國(guó)外的內(nèi)鏡培訓(xùn)已完成由傳統(tǒng)“手把手”教學(xué)向VR模擬器輔助教學(xué)的轉(zhuǎn)變，而中國(guó)的VR模擬器輔助教學(xué)仍處于起步階段。本文就VR技術(shù)在消化內(nèi)鏡培訓(xùn)中的應(yīng)用和研究進(jìn)展及其優(yōu)勢(shì)、局限性和發(fā)展方向作一綜述。

一、VR模擬器的種類(lèi)和應(yīng)用進(jìn)展

1.VR模擬器的種類(lèi)：VR模擬器結(jié)合了觸覺(jué)和視覺(jué)界面，使學(xué)員可在不同條件下學(xué)習(xí)內(nèi)鏡知識(shí)，練習(xí)內(nèi)鏡技術(shù)。目前商業(yè)用途的VR模擬器主要有GI Mentor(3D Systems)和CAE EndoVR(CAE Healthcare)兩類(lèi),此外亦有非商業(yè)用途的模擬器，如Endo TS-1(Olympus Keymed)。近年有研究[3]開(kāi)始嘗試使用頭戴式顯示器(head mounted display)進(jìn)行消化內(nèi)鏡培訓(xùn)和檢查。

VR模擬器可提供內(nèi)鏡實(shí)時(shí)圖像，學(xué)員可通過(guò)其進(jìn)行常規(guī)內(nèi)鏡檢查、內(nèi)鏡逆行胰膽管造影(endoscopic retrograde cholangiopancreatography，ERCP)、內(nèi)鏡超聲檢查(endoscopic ultrasonography，EUS)等操作。此外，還可通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬患者行為，如患者抱怨不適或需要停止檢查，以及模擬術(shù)后出血、穿孔、血管擴(kuò)張反應(yīng)等不良事件[4-5]。大量證據(jù)表明，針對(duì)初學(xué)者，使用VR模擬器可優(yōu)化學(xué)員的學(xué)習(xí)曲線(xiàn)、安全性、插管時(shí)間等多項(xiàng)指標(biāo)[6-9]。各種VR模擬器可搭配相應(yīng)模塊用以練習(xí)對(duì)應(yīng)的操作，目前市場(chǎng)上開(kāi)發(fā)的模塊主要包括上消化道檢查模塊、下消化道檢查模塊、EUS模塊和ERCP模塊。

2.VR在消化道內(nèi)鏡培訓(xùn)中的應(yīng)用進(jìn)展：多項(xiàng)研究表明，VR模擬器在新手內(nèi)鏡醫(yī)師培訓(xùn)方面發(fā)揮積極作用，接受過(guò)VR模擬器培訓(xùn)的新手學(xué)員與傳統(tǒng)方式培訓(xùn)的學(xué)員相比成績(jī)更為優(yōu)異[8,10-13]。對(duì)于培訓(xùn)時(shí)間，一些研究認(rèn)為5～10 h的模擬器訓(xùn)練即可提高初學(xué)者的內(nèi)鏡技能[8,14-15]。

VR模擬器用于下消化道內(nèi)鏡培訓(xùn)目前已發(fā)展地較為成熟，多項(xiàng)研究對(duì)VR模擬器與傳統(tǒng)方式結(jié)腸鏡培訓(xùn)進(jìn)行比較，結(jié)果顯示接受VR模擬器培訓(xùn)的學(xué)員，客觀(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)如盲腸插管率和插管時(shí)間、解襻時(shí)間、總體操作時(shí)間、黏膜可視化程度、正確使用腹部壓力、結(jié)腸鏡撤出速度等均明顯優(yōu)于接受傳統(tǒng)方式培訓(xùn)的學(xué)員[16-18]。VR模擬器還可通過(guò)模擬結(jié)腸鏡進(jìn)鏡阻力、結(jié)腸短縮程度、結(jié)襻程度等情況給予學(xué)員反饋，以獲得更好的真實(shí)性[4,18-19]。此外，數(shù)項(xiàng)研究指出，結(jié)合專(zhuān)家實(shí)時(shí)反饋和自我調(diào)節(jié)的學(xué)習(xí)模式比僅使用VR模擬器進(jìn)行訓(xùn)練更具優(yōu)勢(shì)[20-22]。在訓(xùn)練時(shí)間和訓(xùn)練次數(shù)方面，Haycock等[18]發(fā)現(xiàn)，結(jié)腸鏡訓(xùn)練16 h后，VR模擬器訓(xùn)練組與真實(shí)患者訓(xùn)練組相比內(nèi)鏡插入時(shí)間更短。而Koch等[23]通過(guò)比較VR訓(xùn)練次數(shù)發(fā)現(xiàn)，VR模擬器訓(xùn)練的學(xué)習(xí)效果在訓(xùn)練60次后不再提高。一項(xiàng)大型多中心隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)結(jié)果表明，在VR模擬器訓(xùn)練后的前80例基于患者的結(jié)腸鏡檢查中，學(xué)員能力得到明顯提升[24]。

3.VR在ERCP培訓(xùn)中的應(yīng)用進(jìn)展：對(duì)于模擬器輔助在ERCP培訓(xùn)中的作用，大多數(shù)研究系使用機(jī)械模型，關(guān)注VR模擬器的研究尚少，且目前仍處于明確其有效性的階段。Bittner等[25]的研究通過(guò)使用GI Mentor Ⅱ ERCP模塊中的兩種治療方案相結(jié)合的形式驗(yàn)證了ERCP模塊的結(jié)構(gòu)效度(construct validity)，同時(shí)該研究中大多數(shù)參與者(92%)表示VR模擬器具有明確的培訓(xùn)潛力。Sahakian等[26]通過(guò)使用 CAE EndoVR模擬器證實(shí)VR模擬器可區(qū)分專(zhuān)家與新手在ERCP操作中的表現(xiàn)，60%的參與者認(rèn)為VR模擬器有助于提升操作技能，80%認(rèn)為其可降低ERCP相關(guān)風(fēng)險(xiǎn) 。

4.VR在EUS培訓(xùn)中的應(yīng)用進(jìn)展：目前僅有GI Mentor可搭載EUS診斷模塊，基于該模擬器開(kāi)發(fā)的EUS模塊稱(chēng)為EUS Mentor(Simbionix)，可提供基于人體解剖學(xué)的實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)模擬EUS圖像。然而，此種交互式仿真系統(tǒng)僅有助于學(xué)習(xí)基本的解剖結(jié)構(gòu)，迄今為止，該系統(tǒng)尚不能模擬細(xì)針穿刺等操作[4]。Kefalides等[27]指出，必須進(jìn)一步驗(yàn)證該系統(tǒng)是否提供了真實(shí)的操作體驗(yàn)，并認(rèn)為該系統(tǒng)在作為訓(xùn)練工具使用之前仍需進(jìn)一步改進(jìn)。

二、VR在消化內(nèi)鏡培訓(xùn)中的優(yōu)勢(shì)

1.客觀(guān)評(píng)價(jià)學(xué)員能力：由新手進(jìn)行內(nèi)鏡檢查存在一定的并發(fā)癥風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)患者具有潛在的安全損害，且缺乏客觀(guān)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。為克服傳統(tǒng)培訓(xùn)的缺點(diǎn)，內(nèi)鏡檢查的培訓(xùn)正逐步向規(guī)范化培訓(xùn)轉(zhuǎn)變。與傳統(tǒng)“手把手”教學(xué)相比，VR模擬器可通過(guò)使用一些客觀(guān)指標(biāo)，如總體操作時(shí)間、效率、環(huán)路形成、盲腸插管時(shí)間、黏膜可視化程度等評(píng)估操作者的技能掌握情況，并可通過(guò)計(jì)算機(jī)分析操作者的行為并發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。對(duì)于VR模擬器的模擬效果評(píng)價(jià)，多使用結(jié)構(gòu)效度這一指標(biāo)，結(jié)構(gòu)效度來(lái)自于詢(xún)問(wèn)內(nèi)鏡專(zhuān)家，通過(guò)客觀(guān)評(píng)價(jià)VR模擬器的仿真度進(jìn)行評(píng)價(jià)。對(duì)于目前使用的VR模擬器，Ekkelenkamp等[7]進(jìn)行的高質(zhì)量系統(tǒng)回顧顯示，Simbionix GI Mentor VR、GI Mentor、Endo TS-1進(jìn)行消化內(nèi)鏡培訓(xùn)的有效性良好，可明顯提高初學(xué)者的學(xué)習(xí)曲線(xiàn)。另有眾多研究表明，可通過(guò)構(gòu)造具有有效結(jié)構(gòu)效度的VR模擬模型建立客觀(guān)的學(xué)員評(píng)價(jià)系統(tǒng)[19,28-29]。

2.有助于消化內(nèi)鏡培訓(xùn)的規(guī)范化：近10年來(lái)，一些消化內(nèi)鏡培訓(xùn)已較為成熟的國(guó)家陸續(xù)建立起基于VR技術(shù)的消化內(nèi)鏡規(guī)范化培訓(xùn)流程。在美國(guó)，胃腸和內(nèi)鏡外科醫(yī)師學(xué)會(huì)要求所有在2017—2018學(xué)年或之后畢業(yè)的外科醫(yī)師必須完成名為內(nèi)鏡外科基礎(chǔ)(fundamentals of endoscopic surgery,FES)的測(cè)試方能獲得認(rèn)證，該測(cè)試系用于評(píng)估內(nèi)鏡醫(yī)師的基礎(chǔ)知識(shí)和技能，從而建立更為安全的內(nèi)鏡檢查流程[30]。Vassiliou等[31]使用VR模擬器按順序排列5個(gè)FES任務(wù)中的每一項(xiàng)任務(wù)，為監(jiān)考人員提供了標(biāo)準(zhǔn)化腳本，并對(duì)其進(jìn)行培訓(xùn)以管理考試，這5個(gè)任務(wù)的得分顯示出良好的可靠性，有助于提高內(nèi)鏡檢查能力，同時(shí)亦為VR模擬器用于標(biāo)準(zhǔn)化內(nèi)鏡培訓(xùn)提供了證據(jù)。美國(guó)德克薩斯州外科技能實(shí)驗(yàn)室學(xué)會(huì)開(kāi)展的一項(xiàng)多中心研究[32]基于共享GI Mentor Ⅱ腹腔鏡模塊開(kāi)發(fā)的平臺(tái)，建立了新的適用于消化內(nèi)鏡訓(xùn)練的培訓(xùn)課程。在英國(guó)，Suzuki等[33]應(yīng)用多層面課程表(內(nèi)容包括使用VR模擬器訓(xùn)練和內(nèi)鏡知識(shí)評(píng)估、基本的操作技能練習(xí))，并將其與有經(jīng)驗(yàn)豐富的高級(jí)內(nèi)鏡醫(yī)師在場(chǎng)的真實(shí)環(huán)境中的現(xiàn)場(chǎng)案例相結(jié)合，隨后進(jìn)行自我反饋和監(jiān)督者反饋分析，發(fā)現(xiàn)新手醫(yī)師的內(nèi)鏡知識(shí)和操作技能獲得明顯提升。

近年來(lái)，一些發(fā)展中國(guó)家也開(kāi)始逐步建立新的消化內(nèi)鏡培訓(xùn)課程。一項(xiàng)來(lái)自阿根廷布宜諾斯艾利斯大學(xué)的研究[34]實(shí)施了包含3個(gè)項(xiàng)目的VR消化內(nèi)鏡培訓(xùn)課程，觀(guān)察到在心理素質(zhì)和內(nèi)鏡技能方面，訓(xùn)練前與訓(xùn)練后的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。我國(guó)的內(nèi)鏡規(guī)范化培訓(xùn)尚處于起步階段。張杰等[35]使用Simbionix GI Mentor Ⅱ模擬器，采用1周VR+1周真實(shí)+1周VR+1周真實(shí)的內(nèi)鏡培訓(xùn)模式，分析顯示模擬器與真實(shí)內(nèi)鏡交替進(jìn)行更有利于提高學(xué)員的內(nèi)鏡學(xué)習(xí)效果，但該研究未就培訓(xùn)中的時(shí)間閾值和學(xué)習(xí)曲線(xiàn)作出詳細(xì)說(shuō)明。

3.降低傳統(tǒng)培訓(xùn)的費(fèi)用支出：傳統(tǒng)消化內(nèi)鏡培訓(xùn)需內(nèi)鏡專(zhuān)家耗費(fèi)大量時(shí)間和精力去訓(xùn)練學(xué)員。一項(xiàng)成本分析研究對(duì)早期內(nèi)鏡培訓(xùn)的財(cái)務(wù)負(fù)擔(dān)進(jìn)行了量化，結(jié)果顯示，培訓(xùn)新手內(nèi)鏡醫(yī)師使得每臺(tái)手術(shù)時(shí)間延長(zhǎng)了10.0%～37.5%，平均每臺(tái)手術(shù)損失565美元[4]。購(gòu)買(mǎi)一臺(tái)VR內(nèi)鏡模擬器的費(fèi)用為49 950～134 000美元，模擬器帶有基本的檢查模塊和設(shè)備單元，而更先進(jìn)的模塊，如ERCP和EUS則需單獨(dú)購(gòu)買(mǎi)附加設(shè)備。盡管購(gòu)買(mǎi)一臺(tái)VR模擬器的成本較高，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度考慮仍具有成本-效益優(yōu)勢(shì)。在中國(guó)，由于各地經(jīng)濟(jì)水平和醫(yī)保政策的差異，關(guān)于VR模擬器培訓(xùn)的研究有限，在消化內(nèi)鏡領(lǐng)域，VR模擬器相較于傳統(tǒng)訓(xùn)練方式的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)并不明確。

4.減輕患者不適，降低醫(yī)療風(fēng)險(xiǎn)：傳統(tǒng)消化內(nèi)鏡訓(xùn)練方式是新手學(xué)員由高級(jí)內(nèi)鏡醫(yī)師在旁監(jiān)督，直接對(duì)患者進(jìn)行內(nèi)鏡操作以獲取內(nèi)鏡技能，此種方式可能加重患者的不適。眾多研究證據(jù)表明使用VR模擬器教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)相比可減輕患者的不適，在由VR模擬器訓(xùn)練的學(xué)員進(jìn)行的操作中，患者經(jīng)歷的疼痛明顯較輕[14,16,18,36]。此外，傳統(tǒng)訓(xùn)練模式所帶來(lái)的手術(shù)時(shí)間延長(zhǎng)還可能增加無(wú)痛胃、腸鏡檢查的風(fēng)險(xiǎn)。研究[37]顯示，2010—2015年美國(guó)使用無(wú)痛胃、腸鏡進(jìn)行了428 947例次檢查，共報(bào)道了4 441例次并發(fā)癥(1.03%)，嚴(yán)重并發(fā)癥1 349例次(0.31%)，并認(rèn)為較長(zhǎng)時(shí)間的內(nèi)鏡操作與嚴(yán)重并發(fā)癥顯著相關(guān)。而在內(nèi)鏡培訓(xùn)早期應(yīng)用VR技術(shù)可縮短實(shí)際操作時(shí)的總體操作時(shí)間，由此盡可能地降低麻醉相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)[17,23,34]。

三、VR模擬器的局限性和展望

目前VR模擬器仍處于發(fā)展階段，由于現(xiàn)階段技術(shù)尚無(wú)法再現(xiàn)人體組織的彈性、組織特性和觸覺(jué)反饋，VR模擬器對(duì)于高級(jí)別的內(nèi)鏡切除術(shù)如內(nèi)鏡黏膜切除術(shù)(endoscopic mucosal resection,EMR)、內(nèi)鏡黏膜下剝離術(shù)(endoscopic submucosal dissection,ESD)的培訓(xùn)效果并不理想，目前EMR和ESD仍多采用離體模型進(jìn)行訓(xùn)練[38]。但有研究[39]采用認(rèn)知任務(wù)分析的方法，識(shí)別與ESD程序任務(wù)相關(guān)的認(rèn)知主題，這可能為基于VR模擬器的ESD培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供信息。隨著VR技術(shù)的不斷進(jìn)步，帶有觸覺(jué)反饋的VR設(shè)備已開(kāi)始應(yīng)用于外科手術(shù)培訓(xùn)領(lǐng)域[40-41]。因此未來(lái)VR模擬器可能在高級(jí)內(nèi)鏡技術(shù)的培訓(xùn)中獲得更高的有效性，從而有利于EMR、ESD等高級(jí)消化內(nèi)鏡技能的培訓(xùn)。

VR內(nèi)鏡模擬器通常用于內(nèi)鏡訓(xùn)練，盡管其在外科手術(shù)中亦有較廣泛的應(yīng)用[42-44]，可用于術(shù)前模擬術(shù)中操作、術(shù)中出血、術(shù)中煙霧等情況，但少有研究關(guān)注VR模擬器在消化內(nèi)鏡檢查中的價(jià)值。近年Hann等[3]對(duì)VR模擬器用于內(nèi)鏡檢查進(jìn)行了深入研究。研究者使用頭戴式顯示器VR模擬器Oculus Rift(Oculus VR)和HTC VIVE (HTC Corporation)，利用跨平臺(tái)游戲引擎Unity開(kāi)發(fā)了一款系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用于放大內(nèi)鏡醫(yī)師頭部向前移動(dòng)時(shí)的內(nèi)鏡圖像，從而實(shí)現(xiàn)在實(shí)時(shí)內(nèi)鏡檢查過(guò)程中放大感興趣區(qū)域，稱(chēng)為直觀(guān)縮放，這一成果還提示更輕便、價(jià)廉的頭戴式顯示器或許也適用于消化內(nèi)鏡培訓(xùn)。此外，該研究還使用光強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)了3D重建，并認(rèn)為其有利于內(nèi)鏡醫(yī)師根據(jù)內(nèi)鏡下消化道淺表性腫瘤巴黎分型更好地評(píng)估病變。

2017年發(fā)布的《中國(guó)早期胃癌篩查流程專(zhuān)家共識(shí)意見(jiàn)(草案)》[45]指出，我國(guó)早期胃癌的診治率低于10%，遠(yuǎn)低于日本(70%)和韓國(guó)(50%)，中國(guó)應(yīng)進(jìn)一步建立并完善癌癥篩查和早診早治策略，而胃鏡檢查仍是胃癌診斷的“金標(biāo)準(zhǔn)”。日本政府已于2016年將胃癌內(nèi)鏡篩查作為一項(xiàng)國(guó)家計(jì)劃，但由于農(nóng)村地區(qū)醫(yī)療資源不足，開(kāi)展胃癌篩查仍較困難，缺少合格的內(nèi)鏡醫(yī)師是制約內(nèi)鏡篩查的關(guān)鍵因素[46]。而在我國(guó)，缺少合格的內(nèi)鏡醫(yī)師同樣是實(shí)施胃癌篩查計(jì)劃的主要阻力之一。2012年普查數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)共有26 023名消化內(nèi)鏡醫(yī)師，占全部注冊(cè)醫(yī)師的1.06%，每百萬(wàn)人口僅擁有消化內(nèi)鏡醫(yī)師19.59名，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家水平(日本132名/百萬(wàn)人口)[47]。隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷加速，醫(yī)療資源將不斷向城市集中，率先在城市中開(kāi)展大規(guī)模的消化內(nèi)鏡醫(yī)師培訓(xùn)和消化道腫瘤內(nèi)鏡篩查成為可能。在全國(guó)各地三甲醫(yī)院建立消化內(nèi)鏡培訓(xùn)VR基地，以三甲醫(yī)院為主要培訓(xùn)點(diǎn)，向下級(jí)醫(yī)院輸送經(jīng)培訓(xùn)人員的新的規(guī)范化培訓(xùn)模式將成為未來(lái)的趨勢(shì)。

總之，隨著消化道腫瘤篩查項(xiàng)目的擴(kuò)大和人民生活水平的提高，越來(lái)越多的患者和無(wú)癥狀健康人群將接受消化內(nèi)鏡檢查。VR模擬器具有客觀(guān)性、安全性、經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用有助于逐步推進(jìn)和完善我國(guó)消化內(nèi)鏡醫(yī)師的規(guī)范化培訓(xùn)模式。