虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在腹腔鏡手術(shù)培訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用效果Meta分析

薛偉男，武慧銘，趙思佳，劉彥龍

(1.哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院結(jié)直腸外科，黑龍江 哈爾濱，150081；2.哈爾濱醫(yī)科大學(xué)第三臨床醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像學(xué)系)

自1987年法國醫(yī)生Mouret開創(chuàng)了腹腔鏡手術(shù)的新時(shí)代[1]，近年腹腔鏡手術(shù)逐漸成為腹部外科醫(yī)生的必備技能。但同時(shí)，腹腔鏡手術(shù)具有操作難度大、培養(yǎng)周期長等特點(diǎn)，這使年輕醫(yī)生的培養(yǎng)遇到了挑戰(zhàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality，VR)作為新興技術(shù)，以其仿真程度高的特點(diǎn)，受到腹部外科醫(yī)生的青睞，越來越多關(guān)于VR技術(shù)在腹腔鏡手術(shù)中應(yīng)用的研究如雨后春筍般涌現(xiàn)[2]。通過將VR應(yīng)用于腹腔鏡手術(shù)的培訓(xùn)教學(xué)，不僅可訓(xùn)練腹腔鏡手術(shù)的基本操作，還可仿真模擬手術(shù)操作的整個(gè)過程，使受訓(xùn)的醫(yī)生及醫(yī)學(xué)生身臨其境地模擬在真實(shí)人體上完成手術(shù)操作。但同時(shí)相較其他培訓(xùn)教學(xué)方式，基于VR的腹腔鏡手術(shù)培訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)也有費(fèi)用較高、便攜性較差、后期需要大量的維護(hù)與技術(shù)支持的缺點(diǎn)[3]。本研究旨在通過研究基于VR的腹腔鏡手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)是否有效，以及與其他訓(xùn)練方法相比效果有無差異，總結(jié)腹腔鏡手術(shù)教學(xué)培訓(xùn)與推廣的經(jīng)驗(yàn)。

1 資料與方法

1.1 檢索策略 中文檢索關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)、培訓(xùn)教學(xué)、虛擬教學(xué)、腹腔鏡手術(shù)、腹腔鏡檢查、腹腔鏡輔助手術(shù)、婦科、泌尿外科、結(jié)直腸外科。英文檢索關(guān)鍵詞：Virtual Reality、VR、training、virtual teaching、laparoscopic surgery、laparoscopy、laparoscopic assisted surgery、gynecology、urology、colorectal surgery。檢索關(guān)鍵詞通過“AND”與“OR”拼接使用。限定英語與中文為檢索語言在中國知網(wǎng)、萬方、NCBI、Medline、Springer數(shù)據(jù)庫檢索截至2021年8月的文獻(xiàn)，并將查閱論文的參考文獻(xiàn)作為補(bǔ)充。

1.2 文獻(xiàn)選擇標(biāo)準(zhǔn) 納入標(biāo)準(zhǔn)：(1)與腹腔鏡手術(shù)培訓(xùn)教學(xué)相關(guān)的隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)；(2)納入研究的參與者均為醫(yī)學(xué)生、實(shí)習(xí)生、住院醫(yī)生、專家;(3)已公開發(fā)表的文獻(xiàn)；(4)可獲得本研究所需的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，且統(tǒng)計(jì)方法正確。排除標(biāo)準(zhǔn)：(1)個(gè)案分析、基礎(chǔ)研究、摘要、會(huì)議文章、評(píng)論；(2)非中英文稿件；(3)無法獲得研究所需要數(shù)據(jù)；(4)重復(fù)發(fā)表。

1.3 質(zhì)量評(píng)估與數(shù)據(jù)提取 在推薦分級(jí)評(píng)估、制定與評(píng)估工作組的指導(dǎo)下，使用GRADEprofiler 3.6評(píng)估本研究納入的文獻(xiàn)質(zhì)量。文獻(xiàn)質(zhì)量由兩名評(píng)價(jià)員獨(dú)立進(jìn)行評(píng)價(jià)，如遇分歧則請(qǐng)教第三名評(píng)價(jià)員，并討論解決。數(shù)據(jù)的提取由兩名研究者獨(dú)立進(jìn)行，全程采用盲法，并在最后進(jìn)行核對(duì)。對(duì)文獻(xiàn)全文仔細(xì)閱讀，并對(duì)分歧進(jìn)行討論。提取的文獻(xiàn)信息包括作者姓名、出版年份、VR訓(xùn)練設(shè)備類型、參與者數(shù)量、評(píng)估方法、主要結(jié)果。提取的數(shù)據(jù)包括VR組與無訓(xùn)練組相比，基于操作時(shí)間與評(píng)分的評(píng)價(jià)；VR組與箱式訓(xùn)練器組相比，基于操作時(shí)間與評(píng)分的評(píng)價(jià)；VR組與傳統(tǒng)訓(xùn)練組基于得分的評(píng)價(jià)。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理 首先應(yīng)用EXCEL進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理與計(jì)算。數(shù)據(jù)分析時(shí)采用Cochrane協(xié)作網(wǎng)提供的 RevMan 5.3軟件。因?yàn)樗{入研究采取的測評(píng)手段有所區(qū)別，因此使用標(biāo)準(zhǔn)均數(shù)差(standardized mean difference，SMD)作為綜合效應(yīng)值，以消除實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)尺度不同帶來的影響。在RevMan 5.3軟件中各項(xiàng)研究進(jìn)行χ2檢驗(yàn)異質(zhì)性。若P≤0.10且I2≥50%說明納入文獻(xiàn)間具有異質(zhì)性，選擇隨機(jī)效應(yīng)模型，反之則說明參考文獻(xiàn)之間具有同質(zhì)性，選擇固定效應(yīng)模型。

2 結(jié) 果

2.1 納入文獻(xiàn)的基本情況 剔除同一作者不同時(shí)期的文章及同一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的不同文獻(xiàn)，以及個(gè)案分析、基礎(chǔ)研究、摘要、會(huì)議文章、評(píng)論。最終納入14項(xiàng)隨機(jī)對(duì)照研究，涉及426名醫(yī)生及醫(yī)學(xué)生，其中應(yīng)用VR組納入210人，無訓(xùn)練組64人，箱式訓(xùn)練器組93人，傳統(tǒng)訓(xùn)練組59人。文獻(xiàn)篩選流程見圖1，文獻(xiàn)基本情況見表1，研究資料基本情況見表2。納入文獻(xiàn)偏倚風(fēng)險(xiǎn)的具體內(nèi)容見圖2，可見只有一項(xiàng)研究的偏倚風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高。低風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)及不明確風(fēng)險(xiǎn)比例的偏倚風(fēng)險(xiǎn)總摘要見圖3，可見所納入的大部分文獻(xiàn)只有實(shí)施偏倚不明確，大部分文獻(xiàn)其他偏倚風(fēng)險(xiǎn)較低。整體而言，所納入研究的文獻(xiàn)質(zhì)量高。

圖1 文獻(xiàn)篩選流程

圖2 所納入研究偏倚風(fēng)險(xiǎn)總結(jié)

圖3 所納入研究偏倚風(fēng)險(xiǎn)摘要

2.2 Meta分析結(jié)果

2.2.1 VR組與無訓(xùn)練組訓(xùn)練效果的比較 6項(xiàng)研究對(duì)比了VR組與無訓(xùn)練組基于操作時(shí)間評(píng)價(jià)的訓(xùn)練效果，Meta分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，VR組操作時(shí)間較無訓(xùn)練組顯著縮短[SMD=-0.94,95%CI(-1.31,-0.57),P<0.00001],異質(zhì)性檢驗(yàn)I2=0，P=0.77,異質(zhì)性低,采用固定效應(yīng)模型，見圖4。2項(xiàng)研究對(duì)比了基于評(píng)分評(píng)價(jià)的訓(xùn)練效果，Meta分析結(jié)果表明，VR組訓(xùn)練得分較無訓(xùn)練組顯著提高[SMD=1.39，95%CI(0.67，2.10)，P=0.0002]，異質(zhì)性檢驗(yàn)I2=34%，P=0.22，異質(zhì)性低,采用固定效應(yīng)模型，見圖5。

圖4 VR組與無訓(xùn)練組操作時(shí)間比較的森林圖

圖5 VR組與無訓(xùn)練組得分比較的森林圖

2.2.2 VR組與箱式訓(xùn)練組訓(xùn)練效果的比較 5項(xiàng)研究對(duì)比了VR組與箱式訓(xùn)練組基于操作時(shí)間評(píng)價(jià)的訓(xùn)練效果，異質(zhì)性檢驗(yàn)I2=83%，P=0.0001，異質(zhì)性較高，通過逐一排除文獻(xiàn)法進(jìn)行敏感性分析發(fā)現(xiàn)，剔除Mohammadi的研究后(圖6)，研究異質(zhì)性降低為低異質(zhì)性I2=0，P=0.40，采用固定效應(yīng)模型，Meta分析結(jié)果顯示，VR組操作時(shí)間較箱式訓(xùn)練組明顯減少[SMD=0.54，95%CI(0.16，0.92)，P=0.006]。3項(xiàng)研究對(duì)比了基于評(píng)分評(píng)價(jià)的訓(xùn)練效果，Meta分析結(jié)果(圖7)表明，兩組得分差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[SMD=-0.21，95%CI(-2.37,1.94)，P=0.85]，異質(zhì)性檢驗(yàn)I2=88%，P=0.0002，異質(zhì)性較高，通過逐一排除文獻(xiàn)法進(jìn)行敏感性分析后無明顯改變，提示Meta分析結(jié)果穩(wěn)定，因此采用隨機(jī)效應(yīng)模型。

圖6 VR組與箱式訓(xùn)練組操作時(shí)間比較的森林圖

圖7 VR組與箱式訓(xùn)練組得分比較的森林圖

2.2.3 VR組與傳統(tǒng)訓(xùn)練組訓(xùn)練效果的比較 3項(xiàng)研究對(duì)比了VR組與傳統(tǒng)訓(xùn)練組基于得分評(píng)價(jià)的訓(xùn)練效果，異質(zhì)性檢驗(yàn)I2=89%，P=0.0001，異質(zhì)性較高，通過逐一排除文獻(xiàn)法進(jìn)行敏感性分析發(fā)現(xiàn)剔除Nickel的研究后，研究結(jié)果發(fā)生變化(圖8)，研究異質(zhì)性降低為I2=55%，P=0.14，采用固定效應(yīng)模型，VR組得分較傳統(tǒng)訓(xùn)練組高[SMD=1.98，95%CI(1.08，2.88)，P<0.0001]，該文獻(xiàn)對(duì)研究結(jié)果的影響較大，造成結(jié)果改變的原因可能是系統(tǒng)或?qū)＜以u(píng)估的具體任務(wù)存在差異。

圖8 VR組與傳統(tǒng)訓(xùn)練組得分比較的森林圖

表1 文獻(xiàn)基本情況

續(xù)表1

表2 研究資料的基本信息

3 討 論

隨著精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的快速發(fā)展及臨床醫(yī)生對(duì)微創(chuàng)外科理念的不懈追求，腹腔鏡手術(shù)逐漸成為大部分腹部手術(shù)的首選，較傳統(tǒng)開放手術(shù)，具有創(chuàng)傷小、臟器功能干擾輕、康復(fù)快等優(yōu)點(diǎn)。近年，達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的普及更是讓腹腔鏡技術(shù)達(dá)到了前所未有的新高度。但與此同時(shí)，腹腔鏡手術(shù)具有操作難度大、培養(yǎng)周期長等特點(diǎn)，這使年輕醫(yī)生的培養(yǎng)遇到了不小的挑戰(zhàn)[18]。隨著科技的發(fā)展，基于VR技術(shù)的腹腔鏡培訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，其在解剖教學(xué)、手術(shù)入路培訓(xùn)、視頻學(xué)習(xí)等方面的獨(dú)特優(yōu)勢，可明顯縮短青年醫(yī)生與醫(yī)學(xué)生的學(xué)習(xí)曲線，近年逐步在我國醫(yī)科院校、醫(yī)院的教學(xué)培訓(xùn)中得到推廣應(yīng)用，成為推動(dòng)智能醫(yī)教改革發(fā)展的技術(shù)力量[19]。

基于VR技術(shù)的腹腔鏡培訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)利用多媒體技術(shù)、數(shù)字影像技術(shù)與仿真技術(shù)相結(jié)合生成逼真的視、聽、觸覺一體化的虛擬手術(shù)環(huán)境，受訓(xùn)者借助手術(shù)設(shè)備及VR設(shè)備對(duì)虛擬環(huán)境中的解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行腹腔鏡手術(shù)操作的訓(xùn)練，目前已有研究證實(shí)了基于VR技術(shù)的腹腔鏡培訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)是有效的；此外Jin等[2]的一項(xiàng)研究表明，對(duì)沒有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)學(xué)生或新手外科醫(yī)生更有益，它似乎可提高參與者第一次腹腔鏡手術(shù)的表現(xiàn)。本研究再一次證實(shí)基于VR技術(shù)的腹腔鏡培訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)是有效的，進(jìn)一步探討了基于VR技術(shù)的腹腔鏡培訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)與箱式訓(xùn)練器、傳統(tǒng)訓(xùn)練的效果差異，結(jié)果表明基于VR技術(shù)的腹腔鏡培訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)優(yōu)于另兩者。

結(jié)合所納入文獻(xiàn)分析VR訓(xùn)練器的優(yōu)勢與劣勢,我們發(fā)現(xiàn)，在縫合訓(xùn)練方面，VR訓(xùn)練器較箱式訓(xùn)練器更勝一籌[16,20]，這可能因VR訓(xùn)練器具有以下優(yōu)勢：(1)每一步訓(xùn)練都有相應(yīng)教學(xué)視頻教授標(biāo)準(zhǔn)操作方法；(2)每一步關(guān)鍵步驟都有提示，引導(dǎo)學(xué)員循序漸進(jìn)；(3)每項(xiàng)任務(wù)完成后都有自動(dòng)評(píng)價(jià)，并指出其錯(cuò)誤與需要改進(jìn)的地方；(4)更加真實(shí)，使學(xué)員更加身臨其境。同時(shí)有文獻(xiàn)[21]指出，模擬訓(xùn)練箱較VR訓(xùn)練器可提供更加真實(shí)的觸覺反饋，這可能因應(yīng)用VR訓(xùn)練如切割、電灼、移動(dòng)易位中鏡頭是由計(jì)算機(jī)操作。此外，VR受訓(xùn)者的觸覺反饋是計(jì)算機(jī)根據(jù)電運(yùn)動(dòng)計(jì)算模擬出來的，沒有模擬訓(xùn)練箱使用真正的手術(shù)器械得到觸覺反饋那么準(zhǔn)確。其次，對(duì)比VR訓(xùn)練組與傳統(tǒng)訓(xùn)練組教學(xué)效果時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)剔除Nickel的研究后，研究結(jié)果發(fā)生了變化，VR組的得分高于無訓(xùn)練組，VR組的培訓(xùn)教學(xué)效果優(yōu)于傳統(tǒng)訓(xùn)練組。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，Nickel的研究中，對(duì)照組采用了多種傳統(tǒng)訓(xùn)練方法相結(jié)合的混合培訓(xùn)教學(xué)方案，達(dá)到了與VR組相似的訓(xùn)練效果(P=0.92)，這是否也間接說明了混合培訓(xùn)教學(xué)方法的訓(xùn)練效果優(yōu)于單一的傳統(tǒng)訓(xùn)練效果，尚需后續(xù)的研究討論。

雖然VR訓(xùn)練器優(yōu)于盒式訓(xùn)練器、傳統(tǒng)訓(xùn)練，但由于其費(fèi)用高昂[22]、便攜性較差、后期需要大量的維護(hù)與技術(shù)支持的缺點(diǎn)，并不適合我國當(dāng)前的國情特點(diǎn)與需求[17]。但我們?nèi)詰?yīng)看到VR技術(shù)在腹腔鏡手術(shù)培訓(xùn)教學(xué)中的巨大潛力，其通過模擬臨床場景，為醫(yī)學(xué)生提供了無風(fēng)險(xiǎn)、標(biāo)準(zhǔn)化的學(xué)習(xí)環(huán)境，同時(shí)也革新了腹腔鏡教學(xué)模式，即從各環(huán)節(jié)相對(duì)獨(dú)立的“教-學(xué)-實(shí)驗(yàn)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤袄碚?模擬實(shí)操+反饋”，這是其他教學(xué)方式所無法達(dá)到的[23]。因此，我們也提出了自己的想法，是否可通過利用新一代5G互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與VR技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建腹腔鏡教學(xué)培訓(xùn)平臺(tái)來降低基于VR技術(shù)的腹腔鏡手術(shù)培訓(xùn)教學(xué)的成本，提高了便攜性與通用性，以實(shí)現(xiàn)推廣。這值得我們進(jìn)一步討論與實(shí)踐。

本研究也具有一定的局限性，首先,由于目前國內(nèi)開展的基于VR的腹腔鏡手術(shù)培訓(xùn)教學(xué)相對(duì)較少，所納入的國內(nèi)文獻(xiàn)較少。其次，由于所納入文獻(xiàn)的訓(xùn)練手段及評(píng)分系統(tǒng)存在差異，研究間的可比性不足。最后，由于目前針對(duì)VR技術(shù)對(duì)患者安全性的研究較少，本研究未進(jìn)行討論，希望后續(xù)研究對(duì)此加以補(bǔ)充。