腹腔鏡技術(shù)系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的構(gòu)建和應(yīng)用

邵永 ，李穎 ，李龍 ，黃琳燕 ，洪健 ，姚立彬 ，朱孝成 ，曾令宇

1.徐州醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院減重代謝外科中心，江蘇徐州 221004；2.徐州醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇徐州 221004

虛擬現(xiàn)實(shí)醫(yī)學(xué)創(chuàng)始人凱斯科薩瓦達(dá)斯曾指出：“醫(yī)學(xué)已經(jīng)進(jìn)入精準(zhǔn)醫(yī)療、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)的時(shí)代，需要借助新技術(shù)來提升醫(yī)學(xué)教學(xué)質(zhì)量和水平[1]。 ”《2018 年教育信息化和網(wǎng)絡(luò)安全工作要點(diǎn)》（教技廳 [2018]1 號(hào)）文件中要求要“加快推進(jìn)示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)”。 由此可見，作為臨床醫(yī)學(xué)教學(xué)改革的重要舉措，虛擬仿真教學(xué)必將成為未來發(fā)展的重點(diǎn)方向。

減重手術(shù)最早應(yīng)用于治療肥胖癥，既可有效減輕體重，還能改善肥胖相關(guān)性疾病[2-3]，已成為肥胖癥治療的“金標(biāo)準(zhǔn)”。但是，由于受缺乏統(tǒng)一的培訓(xùn)大綱、質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)等因素的影響，較大地限制了減重代謝外科的健康發(fā)展[4]。 利用現(xiàn)代信息技術(shù)和數(shù)字化資源開發(fā)虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)軟件，通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)，其優(yōu)越性和效果是不可估量和不可比擬的[5]。

1 平臺(tái)的軟件要求、硬件保障和技術(shù)指標(biāo)

1.1 網(wǎng)絡(luò)條件及軟件環(huán)境

平臺(tái)以校園網(wǎng)為基礎(chǔ)進(jìn)行構(gòu)建，與學(xué)院門戶網(wǎng)站及教務(wù)管理系統(tǒng)等互聯(lián)，并可接入互聯(lián)網(wǎng)。 學(xué)院設(shè)有專用高性能服務(wù)器， 可靠地保障了高流量使用和多點(diǎn)訪問，能夠滿足500 人同時(shí)使用的網(wǎng)絡(luò)要求包括服務(wù)器帶寬不低于100 M，校園網(wǎng)接入方式終端訪問帶寬不低于20 M，互聯(lián)網(wǎng)接入方式終端訪問帶寬不低于50 M。

平臺(tái)的軟件環(huán)境支持Microsoft 公司正版服務(wù)器操作系統(tǒng)。 ①服務(wù)器：操作系統(tǒng) Win server 2012 及以上版本；②終端：Windows10 及以上均可；③瀏覽器：Chrome（谷歌） 版本 103.0.5060.114 或360 極速瀏覽器版本13.5.2022.0，分辨率建議調(diào)整：1920*1080。

1.2 硬件保障

目前配置的硬件設(shè)施可容納70 余名學(xué)生在線開展虛擬實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)。 ①服務(wù)器配置：CPU E5-2620V4/內(nèi)存16G*2（DDR4 -2133MHz）/硬盤 1T*2/電源 495W 單電，塔式或機(jī)架；②終端使用要求：電腦配置達(dá)到或高于（電腦配置：CPU i5 以上，4 G 獨(dú)顯，256 G 固態(tài)硬盤） 或者新建不低于以上配置的機(jī)房，學(xué)生自備電腦均可使用。

1.3 技術(shù)指標(biāo)

平臺(tái)為B/S 架構(gòu)，支持通過PC 瀏覽器訪問平臺(tái)，方便網(wǎng)絡(luò)化開放管理及日常應(yīng)用，可支持基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)等實(shí)訓(xùn)教學(xué)課程的線上教學(xué)。 平臺(tái)可將基礎(chǔ)知識(shí)、標(biāo)準(zhǔn)視頻、案例分析、課程管理、學(xué)習(xí)任務(wù)發(fā)布、在線訓(xùn)練及考核等各階段學(xué)情數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，形成階段性和形成性評(píng)價(jià)報(bào)告供用戶參考。 平臺(tái)具有良好的擴(kuò)展性，可根據(jù)教學(xué)實(shí)際需求實(shí)現(xiàn)平臺(tái)容量和功能的擴(kuò)充及與其他網(wǎng)站相鏈接，且支持離線任務(wù)。

2 平臺(tái)功能模塊

平臺(tái)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括5 個(gè)模塊：①腹腔鏡系統(tǒng)模塊；②腹腔臟器解剖模塊；③手術(shù)技能訓(xùn)練模塊；④病例庫模塊；⑤測評(píng)考核模塊。實(shí)訓(xùn)中有引導(dǎo)和考核兩種模式，引導(dǎo)模式自由練習(xí)，考核模式記錄成績，所有實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目均可交互和重復(fù)。

平臺(tái)軟件分服務(wù)端和客戶端兩部分。服務(wù)端配有獨(dú)立數(shù)據(jù)庫和服務(wù)端運(yùn)行程序，通過管理員操作可為虛擬實(shí)訓(xùn)提供全面的輔助服務(wù)?？蛻舳丝商峁┯糜诓僮鞯奶摂M腹腔鏡設(shè)備和器械，運(yùn)用多媒體技術(shù)在平臺(tái)上營造臨床腹腔鏡手術(shù)各環(huán)節(jié)的虛擬實(shí)訓(xùn)情境，學(xué)員可通過人機(jī)交互完成仿真模擬實(shí)訓(xùn)。 此外，平臺(tái)留有充足的開放接口，可根據(jù)需要拓展其他學(xué)科虛擬實(shí)驗(yàn)、微課、試題等數(shù)字化資源，形成多專業(yè)課程交叉融合、共建共享的教學(xué)平臺(tái)。

3 平臺(tái)使用方法

3.1 平臺(tái)登錄

平臺(tái)支持與院校統(tǒng)一登錄認(rèn)證系統(tǒng)對接，實(shí)現(xiàn)一站式登錄。 電腦系統(tǒng)win7 及以上64 位操作系統(tǒng)，校區(qū)內(nèi)登陸時(shí)可選擇局域網(wǎng)網(wǎng)址：http://172.27.0.67:1234，校園網(wǎng)服務(wù)器鏈接直接訪問平臺(tái)首頁。 校外登陸時(shí)教師、學(xué)員需登陸徐州醫(yī)科大學(xué)網(wǎng)站，通過VPN 賬戶登錄。 平臺(tái)首頁界面登錄用戶類型有管理員、 教師或?qū)W員3 種，分別輸入各自的用戶代碼和初始密碼進(jìn)入系統(tǒng)，即可完成權(quán)限允許的任何操作。

3.2 管理員端操作

管理員進(jìn)入界面后可以創(chuàng)建、刪除和導(dǎo)入所有類型用戶，維護(hù)學(xué)校、院系、年級(jí)及班級(jí)等信息，查看實(shí)驗(yàn)成績、學(xué)習(xí)日志及管理日志等，實(shí)現(xiàn)對虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)的管理。

3.3 教師端操作

教師端可以創(chuàng)建和編輯課程、題庫和試卷，進(jìn)行教學(xué)資源上傳等操作。 點(diǎn)擊進(jìn)入教師端，再點(diǎn)擊添加試題按鈕，選擇試題類別、試題難度，試題題目及答案解析之后，點(diǎn)擊保存試題按鈕；隨后點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)詳情頁面測試按鈕，進(jìn)入試題頁面即可看到該試驗(yàn)下的所有試題。

3.4 學(xué)員端操作

實(shí)驗(yàn)中的引導(dǎo)模式可自由練習(xí)。學(xué)員可在互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)的任何一臺(tái)電腦上進(jìn)行交互式操作，通過賬號(hào)密碼或手機(jī)驗(yàn)證碼在仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)上登錄，即可進(jìn)行相應(yīng)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練。

3.4.1 腹腔鏡儀器虛擬實(shí)驗(yàn) 點(diǎn)擊進(jìn)入腹腔鏡系統(tǒng)任務(wù)欄，學(xué)員可通過三維虛擬仿真場景，學(xué)習(xí)腹腔鏡系統(tǒng)設(shè)備的結(jié)構(gòu)、原理、功能、使用方法及注意事項(xiàng)，并可仿真演示、操作、控制其臨床實(shí)際工作過程。

（1）組件：①顯示器；②攝像主機(jī)；③攝像模塊；④冷光源；⑤氣腹機(jī)；⑥攝像頭；⑦光學(xué)鏡；⑧刻錄系統(tǒng)；⑨3D 攝像頭；⑩手術(shù)器械。

（2）組裝：①在臺(tái)車上自上而下放置顯示器、主機(jī)、模塊、冷光源、氣腹機(jī)及刻錄系統(tǒng)，連接所有設(shè)備的電源；②連接模塊和主機(jī)的數(shù)據(jù)聯(lián)系；③連接主機(jī)和顯示器DVI 數(shù)據(jù)線；④連接攝像和模塊；⑤連接氣腹機(jī)至鋼瓶；⑥導(dǎo)光束連接光源和光學(xué)鏡，光學(xué)鏡卡入攝像頭。

（3）調(diào)試：①打開主機(jī)、冷光源、攝像模塊和氣腹機(jī)，調(diào)節(jié)白平衡、清晰度及焦距；②光源亮度調(diào)至1/3 處，氣腹機(jī)壓力調(diào)至12~15 mmgh；③連接腹腔，建立氣腹，穿刺器打孔；④將光學(xué)鏡置入腹腔開始提供畫面。

3.4.2 腹腔臟器解剖及腹腔鏡技能訓(xùn)練虛擬實(shí)驗(yàn) 學(xué)員點(diǎn)擊進(jìn)入臟器解剖任務(wù)欄，選擇對應(yīng)項(xiàng)目可模擬觀摩虛擬患者臟器解剖，使學(xué)員看到的解剖結(jié)構(gòu)更真實(shí)、清晰。點(diǎn)擊進(jìn)入各步驟界面后， 就會(huì)出現(xiàn)契合此教學(xué)環(huán)節(jié)的圖、文、音、視、動(dòng)畫等素材。

手術(shù)技能訓(xùn)練任務(wù)欄中，學(xué)員可在虛擬場景中使用腹腔鏡器械進(jìn)行鉗夾、止血、切割等操作訓(xùn)練，并可將每一個(gè)操作分解，不熟練的部分進(jìn)行重復(fù)練習(xí)。 每完成一個(gè)操作步驟，均可看到相應(yīng)的實(shí)時(shí)影像，系統(tǒng)適時(shí)出現(xiàn)語音、動(dòng)畫或彈出對話框，對操作要領(lǐng)、原理、相關(guān)知識(shí)等提問、注釋，對錯(cuò)誤的操作或執(zhí)行進(jìn)行提醒、打分、修正，以保障實(shí)操訓(xùn)練的規(guī)范化和安全性，此軟件獲得了國家版權(quán)局計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)。

3.4.3 病例庫虛擬實(shí)驗(yàn) 點(diǎn)擊病例庫任務(wù)欄進(jìn)入技能訓(xùn)練類型選擇界面， 有 “腹腔鏡袖狀胃切除術(shù)（LSG）”/“LSG+雙通路術(shù)”等標(biāo)準(zhǔn)化虛擬仿真手術(shù)等實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目可供選擇。 進(jìn)入該項(xiàng)目分步技能實(shí)訓(xùn)，可學(xué)習(xí)包括病例特征、術(shù)前準(zhǔn)備、手術(shù)過程、操作要點(diǎn)及注意事項(xiàng)等內(nèi)容。

（1）臨床案例：王某，男，30 歲，因“進(jìn)行性體重增加5 年，伴血糖進(jìn)行性增高3 月”入院，身高170 cm，體重110 kg。 診斷為“代謝綜合征、糖尿病”，擬在全麻下行“LSG+雙通路術(shù)”。

（2）術(shù)前準(zhǔn)備：①手術(shù)環(huán)境保持安靜，地面及設(shè)備清潔。 濕度在50%~60%，溫度在18~22℃。②患者準(zhǔn)備：術(shù)前 12 h 禁食，4~6 h 禁水； 做好個(gè)人衛(wèi)生， 注意切口清潔；入手術(shù)室前摘除貴重物品及假牙，戴好手腕帶。③醫(yī)務(wù)人員準(zhǔn)備：著裝規(guī)范，準(zhǔn)備手術(shù)器械，核對患者信息。

（3）模擬減重手術(shù)過程：①全身麻醉；②患者取平臥位并固定；③腹部消毒、鋪巾、鋪單；④連接氣腹機(jī)器、腔鏡機(jī)器和光源；⑤連接手術(shù)器械；⑥經(jīng)臍部建立氣腹；⑦置入腹腔穿刺鞘；⑧懸吊肝臟；⑨經(jīng)患者口腔置入胃支撐管，并調(diào)整至合適位置；⑩超聲刀游離胃大彎側(cè)大網(wǎng)膜；11○將胃支撐管放入至胃竇，沿胃支撐管使用腹腔切割閉合器將胃大彎組織切除；12○胃大彎側(cè)切緣全程包埋縫合；13○取出胃組織，檢查術(shù)區(qū)無出血；14○取小腸與胃竇行胃腸吻合術(shù)；15○關(guān)閉腸系膜裂孔；16○置腹腔引流管，關(guān)閉切口。

3.4.4 虛擬實(shí)驗(yàn)測評(píng)考核 本軟件既能了解學(xué)員對此次操作的整體認(rèn)識(shí)及完成等級(jí)情況，可對操作熟練度有量化認(rèn)識(shí)，還可通過練習(xí)數(shù)據(jù)的對比發(fā)現(xiàn)操作時(shí)沒關(guān)注和需要改進(jìn)的地方[6]。實(shí)驗(yàn)中的考核模式可記錄成績。測試題只有在老師添加試題后才會(huì)出現(xiàn)，點(diǎn)擊“測試”可答題練習(xí)，點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)報(bào)告”可填寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，點(diǎn)擊“查看結(jié)果”可查看提交的實(shí)驗(yàn)成績，頁面最下方可提交留言。

4 平臺(tái)使用效果

4.1 平臺(tái)使用

自2020 年開放運(yùn)行以來， 醫(yī)學(xué)技術(shù)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的使用達(dá)到3 170 人次。 項(xiàng)目已服務(wù)本校2019 級(jí)、2020 級(jí)醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)專業(yè)本科生實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)， 共計(jì)200余人，師生反映良好，取得了較好的教學(xué)效果。

4.2 問卷調(diào)查

對106 名學(xué)員通過平臺(tái)開展實(shí)訓(xùn)教學(xué)進(jìn)行了問卷調(diào)查，回收且有效的答卷106 份，回收率為100%。 統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示對通過平臺(tái)開展實(shí)訓(xùn)教學(xué)的滿意度高，71.7%學(xué)員認(rèn)為通過平臺(tái)可獲得更多的實(shí)訓(xùn)機(jī)會(huì)，81.2%學(xué)員認(rèn)為平臺(tái)有利于理論知識(shí)的理解和掌握，69.8%學(xué)員認(rèn)為有較高的現(xiàn)實(shí)意義和推廣價(jià)值。但也有少數(shù)學(xué)員對實(shí)訓(xùn)平臺(tái)某些方面的評(píng)價(jià)持否定態(tài)度。 見表1。

表1 學(xué)生對于通過平臺(tái)開展實(shí)訓(xùn)教學(xué)的評(píng)價(jià)[n(%)]

5 平臺(tái)的應(yīng)用價(jià)值

開展虛擬仿真實(shí)訓(xùn)可將線下教學(xué)中難以表現(xiàn)的操作通過線上加以展現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)操作者與虛擬環(huán)境之間的互動(dòng)與反饋，激發(fā)無限的想象力和開放性思維，給予學(xué)員身臨其境的感官刺激，獲得接近真實(shí)的臨場感受和實(shí)驗(yàn)效果[7]。

5.1 提高教師水平，增強(qiáng)教學(xué)效果

軟件不僅可模擬手術(shù)過程及關(guān)鍵操作步驟[8]，還有助于學(xué)員更好地掌握腹腔臟器解剖和手術(shù)技能，增強(qiáng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果。通過虛擬仿真軟件模擬腹腔鏡技術(shù)系統(tǒng)訓(xùn)練，可培養(yǎng)一批懂解剖、會(huì)帶教的專培師資，以提升手術(shù)帶教水平和效果。

5.2 優(yōu)化教學(xué)模式，利于學(xué)員實(shí)訓(xùn)

虛擬仿真技術(shù)具有沉浸感、真實(shí)感和實(shí)時(shí)性等優(yōu)勢[9]，學(xué)員既不用擔(dān)心因操作失誤造成實(shí)驗(yàn)設(shè)備的損壞，還可通過人機(jī)互動(dòng)對訓(xùn)練過程進(jìn)行評(píng)價(jià)、反思和改進(jìn)，大大激發(fā)學(xué)員的自主學(xué)習(xí)熱情，并提供給學(xué)員更多的訓(xùn)練機(jī)會(huì)。

5.3 豐富教學(xué)資源，促進(jìn)學(xué)科建設(shè)

平臺(tái)的搭建大力推動(dòng)了醫(yī)療資源向教學(xué)資源的有效轉(zhuǎn)換[10]，豐富了教學(xué)資源并實(shí)現(xiàn)了開放共享。 實(shí)踐證明，外科醫(yī)生在虛擬仿真技術(shù)實(shí)訓(xùn)后其臨床技能得到快速提高。很多專業(yè)嘗試開展了虛擬仿真腹腔鏡手術(shù)教學(xué)[11]，在取得良好教學(xué)效果的同時(shí)，也推動(dòng)了學(xué)科建設(shè)。

6 反思及設(shè)想

平臺(tái)的應(yīng)用較好地解決了醫(yī)學(xué)專業(yè)核心技能課程的實(shí)訓(xùn)問題， 既能利用現(xiàn)有的教學(xué)資源實(shí)現(xiàn)共用共享，又有利于提高實(shí)訓(xùn)質(zhì)量，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和推廣價(jià)值。 隨著實(shí)踐教學(xué)的開展也發(fā)現(xiàn)了一些問題，如網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不穩(wěn)定、系統(tǒng)安全性欠佳、教學(xué)資源不足及學(xué)員計(jì)算機(jī)能力差異大等，給實(shí)訓(xùn)教學(xué)的實(shí)施與管理帶來了一定的困難[12]。

為適應(yīng)教育信息化的趨勢， 保證項(xiàng)目的可持續(xù)，今后的建設(shè)重點(diǎn)是開辟新的模塊軟件，打造更多的網(wǎng)絡(luò)精品課程[13-14]。同時(shí)，開發(fā)多版本（PC 版、移動(dòng)版、虛擬現(xiàn)實(shí)版等）虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)“多平臺(tái)虛實(shí)結(jié)合”實(shí)訓(xùn)教學(xué)，不僅保障全方位、多途徑的技能訓(xùn)練，還可滿足不同區(qū)域、不同層次高校的需求。 此外，采用開放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理能提供跨專業(yè)、跨學(xué)科應(yīng)用的開放環(huán)境，使之成為更廣范圍內(nèi)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的共享資源平臺(tái)，不斷提高學(xué)校的現(xiàn)代化教育教學(xué)水平。