VR/AR技術(shù)在外科教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)例

（廣西醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院，廣西 南寧 530021）

一、背景

近十年來，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（augmented reality， AR）和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual reality ， VR）在各個領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，并顯示出巨大的潛力。雖然AR和VR有許多技術(shù)上的共同點(diǎn)，但AR不同于VR，它的目標(biāo)不是構(gòu)建一個完全虛擬環(huán)境，而是將計算機(jī)生成的圖像疊加到真實(shí)世界的圖像上。VR往往需要專用設(shè)備，對硬件要求較高，如本文會提到的手術(shù)模擬訓(xùn)練設(shè)備。AR使用的設(shè)備允許周圍環(huán)境的物理視圖可見，在硬件上也更容易獲取，能較好地通過平板電腦、手機(jī)、AR眼鏡等設(shè)備運(yùn)行AR應(yīng)用程序。隨著技術(shù)的進(jìn)步，VR/AR的使用場景不斷拓展，并已廣泛應(yīng)用于臨床，例如臨床醫(yī)生在介入治療（CT/MRI影像融合技術(shù)）過程中提供輔助，如今更成了醫(yī)學(xué)教育中的一種實(shí)用工具。

外科學(xué)注重實(shí)踐操作，與解剖學(xué)、外科器械設(shè)備、影像學(xué)有多重的交叉。然而，在實(shí)際臨床環(huán)境中訓(xùn)練，特別是手術(shù)訓(xùn)練中會出現(xiàn)醫(yī)療風(fēng)險高、場地要求高、成本昂貴、某些病例資源缺乏、涉及倫理等諸多問題。VR/AR技術(shù)的應(yīng)用，恰好能解決上述問題。因此，模擬教學(xué)及虛擬教學(xué)已經(jīng)是當(dāng)前外科學(xué)教育的發(fā)展趨勢。本文旨在描述幾個外科學(xué)教學(xué)中的典型AR應(yīng)用實(shí)例，展現(xiàn)AR在該領(lǐng)域復(fù)雜學(xué)習(xí)體系中的潛力，為教學(xué)改革提供一種思路。

二、應(yīng)用實(shí)例

1.基礎(chǔ)教學(xué)中的應(yīng)用

在外科教學(xué)實(shí)踐中，解剖學(xué)是應(yīng)用VR/AR的經(jīng)典范例。在我們教研室的外科學(xué)課程中，常利用AR展現(xiàn)授課內(nèi)容中的解剖基礎(chǔ)，同時在見習(xí)課的病例討論、手術(shù)前準(zhǔn)備等環(huán)節(jié)中亦可應(yīng)用。通常借助iPad，手機(jī)等移動終端運(yùn)行，應(yīng)用程序有3Dbody、人體解剖學(xué)圖譜（Visible Body）等。此類軟件包含豐富的數(shù)字解剖模型，結(jié)合AR可營造出視覺實(shí)驗(yàn)室的體驗(yàn)。程序中自帶多國語言的解剖專業(yè)術(shù)語，對于學(xué)生學(xué)習(xí)外語大有裨益。

兩項(xiàng)大型隨機(jī)對照試驗(yàn)得出結(jié)論，AR輔助的解剖學(xué)改善了大學(xué)生的注意力、記憶力、學(xué)習(xí)效率、對結(jié)構(gòu)和圖像的理解等。AR組的期末成績顯著高于傳統(tǒng)學(xué)習(xí)的對照組。大多數(shù)被調(diào)查者認(rèn)為AR對學(xué)習(xí)有幫助（76.9%）；它能提高學(xué)習(xí)動機(jī)和興趣（75.0%）；學(xué)生們認(rèn)為，如果教師們利用這項(xiàng)技術(shù)有助于提高成績（67.3%）。

2.外科手術(shù)的訓(xùn)練

VR和AR在外科手術(shù)訓(xùn)練尤其是腹腔鏡手術(shù)、血管介入手術(shù)訓(xùn)練中有著廣泛的應(yīng)用。在我們的教學(xué)中，VR/AR模擬器主要應(yīng)用于普通外科住院醫(yī)師規(guī)范化培訓(xùn)學(xué)員和?？漆t(yī)師規(guī)范化學(xué)員中，已經(jīng)顯示出明顯優(yōu)勢，如單次成本低、不容易涉及倫理問題、并且與真實(shí)患者的培訓(xùn)相比更安全、可重復(fù)訓(xùn)練等。當(dāng)然也有一定的缺點(diǎn)，比如尚不能呈現(xiàn)復(fù)雜的大型手術(shù)，購買和維護(hù)成本高等。現(xiàn)有程序的算法和架構(gòu)，仍然無法100%模擬真實(shí)的手術(shù)室場景。

2.1 腹腔鏡手術(shù)

目前的虛擬現(xiàn)實(shí)腹腔鏡模擬器具有“真實(shí)與模擬混合”的特點(diǎn)，它們有接近于真實(shí)的手術(shù)器械觸感、虛擬操作畫面，圖像一般投影在2D/3D顯示器或頭戴設(shè)備中。軟件系統(tǒng)自帶評估功能，可以評價完成任務(wù)的時間、操作失誤、精準(zhǔn)度等。訓(xùn)練內(nèi)容模塊化，包括基礎(chǔ)訓(xùn)練模塊、手術(shù)病例模塊等。以我院使用的Simbionix LAP MENTOR 腹腔鏡模擬器系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)供六種基本操作的訓(xùn)練，難度可調(diào)節(jié)?；A(chǔ)內(nèi)容包括腹腔鏡鏡頭使用、電凝鉤使用、切割、裁剪、縫合和打結(jié)等。手術(shù)病例模塊包括腹腔鏡膽囊切除術(shù)、腹腔鏡闌尾切除術(shù)等。我院同時還配備一臺第四代達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人訓(xùn)練模擬器，提供了與真機(jī)一樣的訓(xùn)練場景，主要針對高階學(xué)員、擬從事達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人作業(yè)的臨床醫(yī)生。經(jīng)過腹腔鏡模擬器訓(xùn)練的學(xué)員，在臨床實(shí)操考核中，成績顯著提高。

2.2 血管介入手術(shù)

血管介入的DSA手術(shù)室造價昂貴，真實(shí)手術(shù)有放射傷害。因此，通過模擬器進(jìn)行血管介入手術(shù)的訓(xùn)練，優(yōu)勢十分明顯。常用的血管腔內(nèi)VR訓(xùn)練器能計算介入手術(shù)透視時間、總輻射量和造影劑用量等，很好地模擬了真實(shí)場景。系統(tǒng)會提供大量的訓(xùn)練模塊，包括冠狀動脈、主動脈、內(nèi)臟動脈、下肢動脈各部位血管成形術(shù)和支架置入術(shù)訓(xùn)練。我學(xué)院配備的Simbionix ANGIO MENTOR系統(tǒng)包含23種不同的血管內(nèi)手術(shù)和超過150種病例。經(jīng)過課程的開展，心臟介入、介入放射學(xué)、血管外科、電生理學(xué)、神經(jīng)介入等多學(xué)科學(xué)員獲益。目前主要應(yīng)用于專科醫(yī)師規(guī)范化培訓(xùn)中。

三、討論與展望

隨著計算機(jī)軟硬件技術(shù)、大數(shù)據(jù)及云服務(wù)的進(jìn)步，VR/AR在教育中的應(yīng)用開發(fā)水平迅速提升。但是針對其在教學(xué)中的應(yīng)用研究，需要更多地隨機(jī)對照試驗(yàn)，比較虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練與傳統(tǒng)訓(xùn)練、基于其他模擬技術(shù)的訓(xùn)練效果，提供足夠的樣本量。這樣我們才能更好地將VR/AR輔助教學(xué)納入醫(yī)學(xué)教育課程。現(xiàn)有的VR/AR模擬器品牌眾多、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，這是發(fā)展階段的必然過程，但是后期仍然需要提出統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，以規(guī)范地應(yīng)用于教學(xué)。

實(shí)踐表明，VR/AR輔助教學(xué)對于教育有積極影響，與其他虛擬仿真技術(shù)相比，VR/AR訓(xùn)練具有一定的優(yōu)勢。VR/AR模擬器雖然價格昂貴，但它們的培訓(xùn)內(nèi)容多元化、可重復(fù)、場地成本低的特點(diǎn)，最終提供了相對廉價的單次訓(xùn)練機(jī)會。此外，與其他動物和活體組織模型相比，它們較少引起倫理沖突，用戶可獲得沉浸式體驗(yàn)。我們相信伴隨技術(shù)的發(fā)展，在更強(qiáng)大的算計、更高清的畫面、更先進(jìn)的觸覺系統(tǒng)支持下，VR/AR能模擬更多外科訓(xùn)練場景，可以預(yù)期VR/AR技術(shù)將帶動外科學(xué)培訓(xùn)的變革。