基于虛擬現(xiàn)實技術的外科教學系統(tǒng)在外科手術器械教學中的應用

王 萌，沈 艷，何寧寧，周玉皆，管文賢

南京大學醫(yī)學院附屬鼓樓醫(yī)院：1.普通外科；2.教育處， 南京 210008

虛擬現(xiàn)實(virtual reality，VR)是指利用計算機產(chǎn)生三維的虛擬世界，得到逼真的視覺、聽覺、觸覺的感知效果，使人產(chǎn)生身臨其境的感覺，如同置身于真實世界一樣。VR技術在醫(yī)學方面的應用具有十分重要的現(xiàn)實意義。近年來，VR技術在醫(yī)學領域得到了廣泛的應用[1]：VR技術和5G技術的結(jié)合，可以讓偏遠地區(qū)的醫(yī)師實時觀看世界一流外科醫(yī)師的手術細節(jié)[2]；在內(nèi)窺鏡檢查等操作的培訓中，VR技術體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢和應用前景[3]；VR技術還可以通過虛擬現(xiàn)實暴露療法治療成人和兒童的心理疾病[4]；另外，VR技術在解剖學教學、復雜疑難手術設計、疾病健康宣教和術后疼痛緩解等領域也取得了很大的進展[5]。

在外科教學中，外科手術器械教學是重要的基礎課程，掌握外科常規(guī)手術器械的名稱和用法是每一個醫(yī)學生必修的課程，也是外科醫(yī)師重要的啟蒙教學。在既往教學實踐中，學生接觸外科手術器械的機會較少，容易混淆器械名稱，也容易忘記器械的具體使用方法。因此，外科手術器械的辨認是醫(yī)學生外科教學的重點和難點之一。該研究擬通過一種自主開發(fā)的基于VR技術的外科手術器械教學系統(tǒng)的應用，探討VR技術在醫(yī)學生外科教學中的應用價值。

1 VR教學系統(tǒng)的設計和開發(fā)

該教學系統(tǒng)為南京大學醫(yī)學院附屬鼓樓醫(yī)院教育處模擬教研室自主開發(fā)的外科器械教學考核系統(tǒng)。即利用虛擬現(xiàn)實仿真場景化等特點，可在固定空間中模擬手術室場景，進行外科常規(guī)器械的教學和考核，可容納40～80人進行虛擬化教學、體驗、講解和評測。

虛擬現(xiàn)實交互設備：采用HTC Vive顯示及定位系統(tǒng)，包括頭盔+體感控制手柄、主控電腦、LED顯示大屏、數(shù)據(jù)庫主機、教室中央控制集成器。

場地要求：單人系統(tǒng)采用紅外定位技術，場地面積要求 4～12 m2；多人系統(tǒng)采用激光定位技術，場地面積要求 15～50 m2。

VR教學系統(tǒng)包括VR器械教學模塊和VR器械考核模塊，學生通過賬號登錄進入相關模塊。在教學模塊中，學生進入模擬手術室場景，通過手柄選擇不同的外科器械，選中后可以放大觀察并觀看相關器械術中使用的視頻。進入考核模塊即進入模擬考場，在規(guī)定時間內(nèi)回答選擇題，題目內(nèi)容包括器械名稱、器械使用方法、相似器械的識別等?？己送瓿珊笙到y(tǒng)自動打分。

采用3Ds Max軟件將手術器械實物建模；采用Vi- sual Studio進行手術室實景建模；采用Unity3D軟件編寫VR教學模塊和考核模塊。程序調(diào)試完成后，學生戴上HTC Vive頭盔和手柄后，輸入學生賬號登錄系統(tǒng)。

2 相關具體內(nèi)容展示

血管鉗、持針鉗、三角針、海綿鉗、組織鉗、線剪、組織剪、拉鉤等常用器械建模形成3D影像(如圖1所示)。

2．高校校園文化建設物化傾向比較嚴重。高校物質(zhì)文化環(huán)境的營造，應該充分體現(xiàn)學校的辦學特色和人才培養(yǎng)宗旨，表現(xiàn)出辦學歷史的文化積淀與獨特魅力。然而近年來，部分高校在校園文化建設中過分強調(diào)物質(zhì)建設、崇尚現(xiàn)代化，氣派的教學樓、奢華的裝修、高檔的設備等，造成了人力、物力、財力的資源浪費，這些不僅未能體現(xiàn)高校的文化底蘊和歷史發(fā)展特點，而且與生態(tài)文明建設精髓嚴重背道而馳。部分高校師生沒有形成保護生態(tài)、勤儉節(jié)約的理念，普遍存在辦公室資源浪費、教室長明燈、食堂飯菜傾倒等現(xiàn)象，出現(xiàn)宿舍違章用電、破壞公共設施等行為。

圖1 VR系統(tǒng)中的手術器械建模圖像

在VR模擬手術室場景中可以看到手術器械臺上的各種手術器械，操作VR手柄可以選擇不同的手術器械。操作HTC手柄可以對手術器械進行360°的觀察和放大辨認，同步觀看相關器械的手術操作視頻(如圖2所示)。

圖2 VR系統(tǒng)中的教學畫面

以南京大學醫(yī)學院臨床醫(yī)學專業(yè)五年級(2015級)81名醫(yī)學生為研究對象，隨機分為試驗組(n=40)和對照組(n=41)，分別采用基于虛擬現(xiàn)實技術的外科教學系統(tǒng)和傳統(tǒng)的課堂教學方式進行學習。每組配有兩位教師(其中一位為助教)。

試驗組學生戴上VR頭盔和手柄，語音輸入賬號，登錄系統(tǒng)。首先進入模擬手術室，系統(tǒng)提示教學目的和內(nèi)容；然后學生操作VR手柄選擇相應的手術器械，觀察和放大辨認，同步觀看手術視頻；完成VR器械教學后可選擇進入VR考核模塊，在規(guī)定時間內(nèi)完成題庫中選擇題和案例題的解答，系統(tǒng)自動打分。

對照組通過教師課堂授課的教學方式，將常用手術器械(如血管鉗、線剪、組織剪、持針鉗、三角針、海綿鉗、組織鉗、拉鉤等)的特征及使用方法逐一向?qū)W生進行講解，講解時會通過PPT展示器械照片及其在術中應用的圖片；然后分發(fā)手術器械，學生對照實物理解記憶所講內(nèi)容。

教學完成后兩組學生接受相同形式的現(xiàn)場理論考核和教學滿意度調(diào)查。

現(xiàn)場理論考核考核內(nèi)容按照教學大綱的要求進行出題。現(xiàn)場考核共10道題，題目內(nèi)容包括器械名稱選擇(30分)、相似器械的辨認(30分)、器械的使用方法(40分)，滿分為100分。

教學滿意度調(diào)查向?qū)W生發(fā)放自制調(diào)查問卷，問卷內(nèi)容包括：對培訓內(nèi)容是否感興趣、是否達到了預期教學效果、對下次培訓是否期待、對教學方式的評價(新穎性和實用性)、你認為這種教學方式有什么優(yōu)缺點；另外，向任課教師發(fā)放調(diào)查問卷，對課程中學生的專注度進行評分(低、中、高)。

3 結(jié)果

研究共入組81人。其中，試驗組40人，平均年齡22.35歲，男性22人，女性18人；對照組41人，平均年齡22.37歲，男性18人，女性23人；所有研究對象均參加現(xiàn)場理論考核和教學滿意度調(diào)查，發(fā)放調(diào)查問卷81份，回收81份。

該研究采用現(xiàn)場理論考核的方式，滿分100分，題型均為單項選擇。器械名稱選擇共10題，每題3分，共30分；相似器械辨認共10題，每題3分，共30分；器械使用方法共10題，每題4分，共40分。考核成績?nèi)绫?所示。兩組總分比較無顯著差異(85.05±5.80 vs 83.20±6.49，P=0.179)。試驗組在器械使用方法題的得分高于對照組，差異具有統(tǒng)計學意義(35.85±2.54 vs 33.25±2.92，P=0.0047)。

表1 兩組學生現(xiàn)場理論考核得分情況

該研究向試驗組發(fā)放調(diào)查問卷40份，回收有效問卷40份。結(jié)果顯示：95.0%的學生對培訓內(nèi)容感興趣，85.0%的學生認為達到了預期的教學效果，77.5% 的學生對下次的基于VR技術教學系統(tǒng)的培訓很期待，70.0%的學生無不適反應，30.0%的學生有頭暈、眼睛不舒服等不適反應。該研究向?qū)φ战M發(fā)放調(diào)查問卷41份，有效卷41份。結(jié)果顯示：85.4%的學生對培訓內(nèi)容感興趣，80.5%的學生認為達到了預期的教學效果，65.9%的學生對下次器械培訓很期待。兩組興趣度差異無統(tǒng)計學意義(95% vs 85.4%，P=0.146)。

教師對學生的專注度評分顯示：VR教學過程中95%的學生專注度高，課堂教學過程中78%的學生專注度高，兩組學生專注度比較，差異具有統(tǒng)計學意義(P=0.026)。

學生對兩種教學方式的反饋意見如表2所示。

表2 兩組學生對教學方式的反饋

4 討論

近二十年來，模擬培訓在外科教學當中的作用越來越得到重視。研究證明，外科教學中采用模擬培訓可以提高教學效率，降低成本并提高患者安全性[6]。模擬培訓的方法隨著技術的進步而不斷發(fā)展，模擬培訓和VR技術的應用已經(jīng)改變了21世紀外科醫(yī)師的傳統(tǒng)教學方式[7]。Van Dongen K W等[8]利用VR模擬器對不同資歷的醫(yī)師進行訓練，結(jié)果證明VR模擬器不僅能提高新醫(yī)師的手術操作技能,而且對于有經(jīng)驗的醫(yī)師也有幫助。針對一些復雜疑難手術(例如連體嬰兒分離手術等)，在術前進行虛擬現(xiàn)實的模擬手術，有助于外科醫(yī)師取得成功[9]。職康康等[10]研究發(fā)現(xiàn)，VR學習可以增加醫(yī)學生的學習興趣，使醫(yī)學生對血管外科手術產(chǎn)生更深刻、更全面的認識。VR技術是一個跨學科的綜合集成技術，其在外科教學中的具體優(yōu)勢包括：

①身臨其境的新鮮感該技術的應用可以顯著提高學生的興趣和關注度，學生可以自主學習，有很強的參與性和互動性。

②突破傳統(tǒng)教學限制該技術的應用可以模擬急診及突發(fā)事件，比如模擬術中大出血搶救，模擬突發(fā)的災難應急事件等。

③可以觀看橫切面及動畫圖像可以360°旋轉(zhuǎn)或放大，突破了靜態(tài)觀察的視覺局限性，比如外科手術器械可以放大觀察，比較圓針和三角針的細微差別，比較有齒鑷和無齒鑷的差別。

④可以量化/自動記錄結(jié)果通過VR系統(tǒng)自動計分系統(tǒng)進行考核，可以分析學生操作的不足和進步之處，節(jié)省了教師的人力成本。

⑤成本更便宜傳統(tǒng)教學使用活體動物標本進行外科解剖教學，需要購買新鮮的動物標本，需要專門的冰箱保存，費用高昴且使用時間受到限制。而VR教學是虛擬系統(tǒng)，幾乎無器材耗費，不受時間、場地和保存設備的限制，具有明顯的成本優(yōu)勢，彌補了教學條件的不足。

⑥倫理學優(yōu)勢考慮到實驗動物保護及福利，VR模擬的動物標本可以減少活體動物標本的使用，符合國際醫(yī)學教學的主流趨勢。

在該研究中，試驗組的興趣度和專注度明顯高于對照組，這是因為試驗組的學生對VR這種形式有新鮮感。在佩戴VR頭盔和手柄后，學生有一種玩VR游戲的感覺，能很快適應并投入其中。現(xiàn)場理論考核表明，試驗組的平均成績和對照組無顯著差異，表明兩組學生教學的接受程度相近，均達到了教學大綱的要求。研究發(fā)現(xiàn)，試驗組在器械使用方法題的得分顯著高于對照組(35.85±2.54 vs 33.25±2.92，P=0.0047)，提示試驗組的學生對于器械使用方法的理解更加深入。分析兩組差異的原因，筆者認為VR系統(tǒng)能實時展示器械模型和手術視頻，學生對自己不熟悉的器械可以反復觀看，并放大觀察細節(jié)，使學生有了直觀的感受和沉浸式的體驗；而對照組教學采用的是實物講解結(jié)合圖片演示，這樣的教學方法雖然優(yōu)于僅用教科書上的照片教學，但缺少互動交流和重復學習反饋，學生短時間很難完全消化所學知識。劉思怡等[11]研究認為，VR技術的應用能縮短學習曲線，改善傳統(tǒng)臨床教學中模擬訓練量不足的問題。一項Meta分析[12]發(fā)現(xiàn)，采用VR模擬內(nèi)窺鏡學習的受訓者，在技術、非技術技能和患者舒適度等方面都有所提高。如果我們將VR教學和現(xiàn)場觸摸感知器械實物相結(jié)合的話，也就是通過增強現(xiàn)實的方法進行教學，相信教學效果會更好。

虛擬現(xiàn)實技術是計算機圖形學、人機交互技術、人工智能技術結(jié)合的產(chǎn)物。虛擬教學平臺為學生提供了逼真的手術室環(huán)境，學生更加愿意主動地學習，而不是被動地被灌輸各種知識[13]。虛擬現(xiàn)實教學正在成為傳統(tǒng)教學的必要補充，但不能完全取代傳統(tǒng)的教學方法[14]。該研究問卷調(diào)查顯示：95%的學生認為VR教學方式新穎性強，總體滿意度高，學生易于接受授課內(nèi)容；但仍有30%的學生認為VR教學系統(tǒng)實用性不強，主要因為部分學生有頭暈、眼睛不舒服等不適反應。除了外科基本技能培訓，在內(nèi)鏡操作培訓和模擬手術方面VR技術還有一些不足之處值得深入研究，比如VR操作缺乏力反饋的問題，以及VR模擬手術如何實現(xiàn)團隊配合的問題。孫明等[15]研究發(fā)現(xiàn)，長時間使用VR設備可能引起疲勞不適，且交叉佩戴可能傳播眼部疾病。因此，我們需要客觀地看待虛擬現(xiàn)實技術的優(yōu)勢和弊端，充分發(fā)揮VR教學的特點，增強學生對外科學手術的感性認識，激發(fā)他們的學習興趣；同時，也要充分認識到VR教學還存在很多不足之處，還需要我們不斷探索和改進。只有將虛擬現(xiàn)實教學和傳統(tǒng)的現(xiàn)實場景教學緊密結(jié)合在一起，才能帶來教學質(zhì)量的真正提高。