虛擬手術(shù)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)在頭頸腫瘤外科醫(yī)師訓(xùn)練中的應(yīng)用*

王梓霖，郭陟永，劉一戈，胡俊磊，周子疌，韓婧，陳曉軍，張陳平，劉劍楠

200011上海，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院 口腔頜面頭頸腫瘤科，上海交通大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院，國家口腔醫(yī)學(xué)中心，國家口腔疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心，上海市口腔醫(yī)學(xué)重點實驗室(王梓霖、郭陟永、劉一戈、胡俊磊、周子疌、韓婧、張陳平、劉劍楠)；200240上海，上海交通大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院(陳曉軍)

隨著手術(shù)要求不斷提高、國內(nèi)醫(yī)患關(guān)系日益復(fù)雜，低年資外科醫(yī)師獨立完成復(fù)雜手術(shù)的機會越來越少，外科醫(yī)師得到傳統(tǒng)師徒式訓(xùn)練的學(xué)習(xí)效果逐漸難以滿足手術(shù)要求[1-2]。頭頸腫瘤外科涉及到口腔、鼻咽、咽喉以及腮腺、甲狀腺等解剖部位，疾病種類繁多，診治手段多樣復(fù)雜，這些進一步為頭頸腫瘤外科醫(yī)師的培訓(xùn)帶來一定困難[2]。在傳統(tǒng)頭頸腫瘤外科醫(yī)師培訓(xùn)中，人的尸體或動物樣本是主要的訓(xùn)練材料，然而動物生理結(jié)構(gòu)與人體存在著較大的差異，基于動物的手術(shù)培訓(xùn)缺少人體手術(shù)的真實感，教學(xué)用人尸體數(shù)量極其有限、不能重復(fù)使用，成本高且涉及倫理問題[3]。因此，如何更好地培訓(xùn)外科醫(yī)師掌握復(fù)雜手術(shù)技巧，縮減培養(yǎng)周期是目前頭頸腫瘤外科醫(yī)師訓(xùn)練中的難題。

隨著信息技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)的高速發(fā)展，虛擬手術(shù)這一方法使無創(chuàng)下訓(xùn)練外科醫(yī)生手術(shù)技能的愿景得以實現(xiàn)[4-5]。虛擬手術(shù)是指通過虛擬現(xiàn)實(virtual reality,VR)技術(shù)，實現(xiàn)逼真的視覺和觸覺感受，在培訓(xùn)者指導(dǎo)下，受訓(xùn)者按照正規(guī)手術(shù)流程開展訓(xùn)練的過程[6]。利用虛擬手術(shù)系統(tǒng)可以開展頭頸腫瘤外科的模擬手術(shù)訓(xùn)練，在非患者手術(shù)環(huán)境中訓(xùn)練頭頸腫瘤外科醫(yī)師，實現(xiàn)對手術(shù)流程的規(guī)范化訓(xùn)練和手術(shù)操作技能的提高[7]。受訓(xùn)者可以反復(fù)熟悉手術(shù)流程，建立標(biāo)準(zhǔn)的手術(shù)治療流程體系，獲得規(guī)范化的臨床操作[8]，提升其手術(shù)操作技能的水平和靈活性。與傳統(tǒng)理論授課和患者環(huán)境中的外科培訓(xùn)方式相比，虛擬手術(shù)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)能有效縮短培訓(xùn)周期，降低各項成本，并且有效提高訓(xùn)練效率，使年輕外科醫(yī)師也能掌握高難度手術(shù)的流程和標(biāo)準(zhǔn)[9]。因此，虛擬手術(shù)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)為傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)培訓(xùn)提供了一個更經(jīng)濟和有效的解決方案[10]，但如何將該技術(shù)應(yīng)用于臨床醫(yī)師的培訓(xùn)是目前醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域的一個重要課題。本課題組進行醫(yī)工結(jié)合，與上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院合作研發(fā)了虛擬手術(shù)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，并進行了初步的培訓(xùn)應(yīng)用探索。本文介紹利用該虛擬手術(shù)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)對頭頸腫瘤外科醫(yī)師培訓(xùn)的具體方法和體會，為進一步改進該虛擬手術(shù)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)提供了依據(jù)，從而通過虛擬培訓(xùn)提高頭頸腫瘤外科醫(yī)師的臨床能力。

1 對象與方法

1.1 研究對象

30名經(jīng)過外科基礎(chǔ)訓(xùn)練的住院醫(yī)師、規(guī)培醫(yī)師、進修醫(yī)師和臨床研究生，以及10名接受過傳統(tǒng)頭頸腫瘤外科培訓(xùn)的醫(yī)師作為受訓(xùn)者開展虛擬手術(shù)仿真培訓(xùn)。

1.2 虛擬手術(shù)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)

為模擬實際手術(shù)狀態(tài)，虛擬手術(shù)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)集成視覺、觸覺和聽覺等感官反饋，供受訓(xùn)者對手術(shù)過程進行模擬和訓(xùn)練，這其中包括了視覺系統(tǒng)和力學(xué)傳感系統(tǒng)操作臂等，利用患者的二維醫(yī)學(xué)圖像序列重建出三維解剖模型。受訓(xùn)者佩戴快門式眼鏡進入沉浸式系統(tǒng)(Display 300,SenseGraphics Ltd)，該系統(tǒng)能為受訓(xùn)者呈現(xiàn)一個3D模擬的沉浸場景，配合聲音系統(tǒng)能帶來身臨手術(shù)現(xiàn)場的感覺。培訓(xùn)過程利用力反饋儀器(Omega.6,ForceDimension Ltd)能控制虛擬場景中手術(shù)器械的位置和姿態(tài)，便于受訓(xùn)者調(diào)整手術(shù)器械的位置；此外，力反饋儀器觸碰到頜骨腫物模型時能實時感受到回饋力，模擬手術(shù)的真實觸覺。受訓(xùn)者操作機械臂模擬切除腫物時，手術(shù)器械與頜骨腫物模型實時進行相交測試，根據(jù)碰撞檢測結(jié)果，計算手術(shù)操作力的大小和頜骨組織的變形情況，產(chǎn)生相應(yīng)頻率的手術(shù)聲音，并分別通過Omega.6、Display 300和音箱設(shè)備傳遞給培訓(xùn)者，以提供觸覺、視覺和聽覺上的反饋[11]。

1.3 頜骨腫物切除模擬訓(xùn)練方法

根據(jù)臨床工作中頜骨切除和重建的流程，首先由培訓(xùn)者調(diào)取頜骨腫物的建模數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)中構(gòu)建頜骨腫物的視覺模擬物[12]。受訓(xùn)者按規(guī)范的手術(shù)步驟制定手術(shù)方案，包括腫物切除的范圍和頜骨重建的方案，隨后按手術(shù)流程進行術(shù)前各項準(zhǔn)備工作。受訓(xùn)者佩戴VR眼鏡后，可以通過立體視覺觀察到建模后仿真的頜骨腫物圖像，同時可以見到模擬的手術(shù)器械圖像。受訓(xùn)者手持模擬截骨器械，包括來復(fù)鋸等模擬器械，移動仿真器械和踩仿真來復(fù)鋸踏板后可以見到仿真的器械移動畫面以及聽到聲音。受訓(xùn)者根據(jù)VR視覺中模擬的頜骨腫物按照術(shù)前制定的手術(shù)方案進行腫物切除。模擬手術(shù)器械具有的力反饋作用可以模擬手術(shù)中頜骨切除的實際感覺，從而給受訓(xùn)者逼真的模擬訓(xùn)練效果。根據(jù)術(shù)前設(shè)計的重建手術(shù)方案進行模擬頜骨重建手術(shù)，頜骨腫物切除后，進行包括骨移植和鈦板的固定等頜骨重建手術(shù)(圖1)。培訓(xùn)者在受訓(xùn)者操作過程中可以在屏幕中觀察到受訓(xùn)者的操作過程，并對其過程進行指導(dǎo)和點評。培訓(xùn)者最終對手術(shù)切除和重建的結(jié)果進行打分并予以評價。訓(xùn)練結(jié)束后由受訓(xùn)者對訓(xùn)練效果進行主觀評價。

圖1 頜骨腫物切除模擬訓(xùn)練

1.4 培訓(xùn)效果及學(xué)員滿意度評價

在訓(xùn)練結(jié)束后，分別從虛擬手術(shù)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的使用方便性、虛擬視覺環(huán)境的逼真性、虛擬力反饋的逼真性、以及總體評價等幾個模塊對30名受試學(xué)員進行了調(diào)查，填寫課題組準(zhǔn)備的調(diào)查問卷。問卷內(nèi)容包括學(xué)員對方便性模塊(包括軟件的易學(xué)程度、人機交互友好性、可操作性、軟件穩(wěn)定性等幾個選項)、虛擬視覺環(huán)境模塊(包括顱頜面骨組織和軟組織建模的真實感、手術(shù)器械建模的真實感、手術(shù)視野的真實感等幾個選項)、虛擬力反饋模塊(包括力反饋的穩(wěn)定性、實時性、真實性等幾個選項)這3個模塊的主觀評價。參考以上方面，讓10名接受過傳統(tǒng)頭頸腫瘤外科手術(shù)培訓(xùn)的醫(yī)師對虛擬手術(shù)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)培訓(xùn)與傳統(tǒng)培訓(xùn)模式進行主觀評價。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

收集整理調(diào)查問卷資料，利用SPSS 22.0軟件對所得數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學(xué)分析，利用卡方檢驗評價虛擬手術(shù)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)和傳統(tǒng)培訓(xùn)模式對比，以P<0.05為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié) 果

2.1 學(xué)員培訓(xùn)評價

對調(diào)查問卷的分析與統(tǒng)計結(jié)果提示，大多數(shù)學(xué)員對該培訓(xùn)系統(tǒng)的使用方便性滿意，虛擬環(huán)境逼真性認(rèn)可度較高，操作的反饋性認(rèn)可度也較高(表1)。

表1 方便性和逼真性使用調(diào)查表(N)

2.2 虛擬手術(shù)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)和傳統(tǒng)培訓(xùn)模式對比評價

通過對比虛擬手術(shù)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)和傳統(tǒng)培訓(xùn)模式(表2)，大多數(shù)接受過傳統(tǒng)培訓(xùn)模式的醫(yī)師對虛擬手術(shù)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的使用方便性和虛擬環(huán)境逼真性認(rèn)可度較高,差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，操作的反饋性認(rèn)可度差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。

表2 虛擬手術(shù)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)和傳統(tǒng)培訓(xùn)模式對比

3 討 論

在口腔頜面頭頸腫瘤手術(shù)中，頜骨腫物的切除與重建是臨床工作中的重點與難點[13]，頭頸腫瘤外科醫(yī)師的訓(xùn)練往往需要較長的時間。傳統(tǒng)頭頸腫瘤外科培訓(xùn)方式是臨床實踐中“師傅帶徒弟”式的培訓(xùn)方式，學(xué)員作為助手磨練手術(shù)技能和熟悉手術(shù)流程。虛擬仿真培訓(xùn)的對象主要是針對還沒有進入臨床實踐的學(xué)員，通過虛擬仿真的實景模擬手術(shù)環(huán)境及手術(shù)操作流程，提升培訓(xùn)學(xué)員的臨床前實踐能力，熟悉手術(shù)流程和方案。頭頸腫瘤手術(shù)中以頜骨腫物切除與重建為特點模擬手術(shù)流程開展訓(xùn)練，其主要目的是對顱頜面外科中常見的手術(shù)操作，例如對上下頜骨塊的切割、鉆孔和磨削等操作進行仿真、模擬和培訓(xùn)[14]。大部分受訓(xùn)者對虛擬手術(shù)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的功能和效果給予了肯定，從表1和表2的調(diào)查結(jié)果可以看出虛擬手術(shù)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)所提供的視覺仿真環(huán)境和觸覺反饋感與真實臨床比較接近，能夠為術(shù)前準(zhǔn)備和新手培訓(xùn)起到良好的幫助作用，接受過傳統(tǒng)頭頸腫瘤外科培訓(xùn)的醫(yī)師對虛擬手術(shù)培訓(xùn)系統(tǒng)也較為認(rèn)可。為驗證虛擬手術(shù)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的真實性和有效性，開發(fā)系統(tǒng)時口腔頜面外科醫(yī)師和相關(guān)領(lǐng)域的專家學(xué)者對該系統(tǒng)進行了體驗和評估，結(jié)果表明虛擬手術(shù)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的視覺仿真環(huán)境和觸覺反饋感與真實臨床較為接近，能夠為術(shù)前準(zhǔn)備和新手培訓(xùn)提供有效的幫助[13]。因此，本課題組選擇了30名經(jīng)過外科基礎(chǔ)訓(xùn)練的住院醫(yī)師、規(guī)培醫(yī)師、進修醫(yī)師和臨床研究生進行虛擬手術(shù)仿真培訓(xùn)，同時又選擇了10位具有臨床經(jīng)驗的醫(yī)師，在其擁有臨床工作經(jīng)驗的基礎(chǔ)之上進行虛擬仿真培訓(xùn)，之后對虛擬仿真系統(tǒng)進行主觀評價，判斷虛擬仿真系統(tǒng)是否適合臨床培訓(xùn)。選擇具有臨床經(jīng)驗醫(yī)師的好處是，醫(yī)師們能對比看待虛擬仿真培訓(xùn)的優(yōu)勢與劣勢，并且能提出更多的指導(dǎo)意見，從而為下一步虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的改進提供參考。

部分受訓(xùn)者認(rèn)為虛擬手術(shù)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)還存在一些不足，比如軟組織的切割與剝離是開放性手術(shù)操作的第一步，該系統(tǒng)缺少對口腔黏膜、皮膚等軟組織切割操作的仿真模擬。同時手術(shù)操作過程中，止血也是外科基本操作之一，對流血、冒煙等手術(shù)現(xiàn)象的仿真仍具有進一步改進和完善的空間。為了能更加逼真地模擬整個手術(shù)過程，增強手術(shù)培訓(xùn)效果，目前虛擬手術(shù)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)僅對骨組織操作中的相關(guān)問題進行了研究，后續(xù)工作將加強對其他頭頸腫瘤外科相關(guān)術(shù)式的探索，如腓骨移植重建[15]，增加縫合打結(jié)等虛擬操作[16]，牙種植[17]等。未來我們將在系統(tǒng)中模擬出完整的皮膚、黏膜等軟組織，同時會增加血管、神經(jīng)等重要解剖結(jié)構(gòu)，將虛擬手術(shù)仿真和培訓(xùn)的可操作區(qū)域延伸至整個顱頜面部分，培訓(xùn)者可以在整個顱頜面區(qū)域內(nèi)進行模擬仿真，從而進一步模擬手術(shù)環(huán)境，并增加電刀和縫合針等操作界面，更好地模擬整個手術(shù)過程，讓學(xué)員對手術(shù)流程有更深刻的認(rèn)識，提高培訓(xùn)效果和效率，并通過建立評價系統(tǒng)，對培訓(xùn)者的仿真培訓(xùn)情況進行評價打分。

隨著信息技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，虛擬手術(shù)成為解決傳統(tǒng)外科醫(yī)師訓(xùn)練周期長、耗費大等問題的可能，未來將在目前頜骨腫物切除基礎(chǔ)上進一步開發(fā)其他術(shù)式，更好地培訓(xùn)頭頸腫瘤外科醫(yī)師[18-20]。接受虛擬仿真培訓(xùn)的學(xué)員通常為初學(xué)者，不能直接進行臨床操作，仍需進一步臨床實踐。虛擬仿真培訓(xùn)的學(xué)員可以多次重復(fù)訓(xùn)練，不受時間和場地因素限制，對于手術(shù)流程和操作的熟悉程度較傳統(tǒng)培訓(xùn)方式好，但與傳統(tǒng)培訓(xùn)相比較無法進行單一變量的比較。虛擬手術(shù)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)能模擬在頭頸腫瘤外科手術(shù)中的主要流程和操作過程，有針對性地訓(xùn)練頭頸腫瘤外科醫(yī)師和提高他們臨床水平，具有良好的應(yīng)用潛力和一定的推廣應(yīng)用價值。

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