VR技術(shù)在神經(jīng)外科教學(xué)中的應(yīng)用探討

王毅 葛玥 呂波 毛宏亮 程宏偉

摘?要：近年來，隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（virtual?reality，VR）技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用于日常生活的方方面面。本文將從VR技術(shù)的基本原理、神經(jīng)外科教學(xué)的現(xiàn)狀和存在的問題入手，探討VR技術(shù)在神經(jīng)外科教學(xué)中的應(yīng)用，包括模擬手術(shù)、三維可視化、交互式學(xué)習(xí)、遠(yuǎn)程教學(xué)和病例演示等方面。通過對(duì)現(xiàn)有研究和實(shí)踐的總結(jié)和分析，提出了VR技術(shù)在神經(jīng)外科教學(xué)中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)和不足之處，并對(duì)未來的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：VR技術(shù)；神經(jīng)外科教學(xué)；模擬手術(shù)；三維可視化

一、概述

神經(jīng)外科是指能夠進(jìn)行與神經(jīng)系統(tǒng)有關(guān)的診斷和外科治療的實(shí)踐活動(dòng)。神經(jīng)外科的研究范疇包括先天性發(fā)育異常、外傷、感染、腫瘤、血管病變和遺傳代謝障礙，功能障礙性疾病等［1］?。由于神經(jīng)外科屬于臨床學(xué)科，其實(shí)踐的對(duì)象為患者，因此，神經(jīng)外科對(duì)醫(yī)生的實(shí)踐能力和經(jīng)驗(yàn)要求極高。做好神經(jīng)外科的教學(xué)工作是培養(yǎng)合格優(yōu)秀的神經(jīng)外科醫(yī)師的重要保障和基礎(chǔ)條件。傳統(tǒng)的神經(jīng)外科教學(xué)主要是通過課堂授課、病例討論和實(shí)踐操作等方式進(jìn)行。然而，傳統(tǒng)神經(jīng)外科教學(xué)模式存在一些問題，主要體現(xiàn)在患者風(fēng)險(xiǎn)大、教學(xué)成本高、實(shí)踐操作機(jī)會(huì)少等。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（virtual?reality，VR）越來越廣泛地應(yīng)用于日常生活的方方面面，包括藝術(shù)培養(yǎng)、設(shè)計(jì)開發(fā)、影視制作、安全培訓(xùn)等。將VR技術(shù)應(yīng)用于神經(jīng)外科的教學(xué)，可以有效地解決傳統(tǒng)教學(xué)中所存在的問題。本文將從VR技術(shù)的基本原理、神經(jīng)外科教學(xué)的現(xiàn)狀和存在的問題入手，探討VR技術(shù)在神經(jīng)外科教學(xué)中的應(yīng)用，包括模擬手術(shù)、三維可視化、交互式學(xué)習(xí)、遠(yuǎn)程教學(xué)和病例演示等方面。通過對(duì)現(xiàn)有研究和實(shí)踐的總結(jié)和分析，提出了VR技術(shù)在神經(jīng)外科教學(xué)中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)和不足之處，并對(duì)未來的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

二、VR技術(shù)的基本原理及應(yīng)用

VR技術(shù)中文名為虛擬現(xiàn)實(shí)，又稱為靈境技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)是通過計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)建三維場(chǎng)景并借助特定設(shè)備讓用戶感知并支持交互的一種體驗(yàn)，它是仿真技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)接口技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)的集合［2］?。具體來說，VR技術(shù)是一種基于計(jì)算機(jī)模擬的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，它通過計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境，讓用戶身臨其境。VR技術(shù)的基本原理是通過頭戴式顯示器、手柄、追蹤器等硬件設(shè)備，將用戶的視覺、聽覺、觸覺等感官輸入接口與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連接，實(shí)現(xiàn)用戶在虛擬環(huán)境中的交互體驗(yàn)。VR技術(shù)主要包括以下幾方面：3D建模：通過計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)，將真實(shí)世界中的物體、場(chǎng)景等建模成三維模型。頭戴式顯示器：通過頭戴式顯示器等設(shè)備，將虛擬環(huán)境和虛擬對(duì)象的信息呈現(xiàn)給用戶。交互設(shè)備：通過手柄、手套等交互設(shè)備，讓用戶感知和控制虛擬環(huán)境和虛擬對(duì)象。計(jì)算機(jī)視覺和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)：通過計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，讓計(jì)算機(jī)能夠感知用戶的動(dòng)作和表情；通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，讓多個(gè)用戶在同一虛擬環(huán)境中進(jìn)行交互。目前，VR技術(shù)可以分為三種類型：非沉浸式、半沉浸式和全沉浸式VR技術(shù)。其中，全沉浸式VR技術(shù)是最為先進(jìn)和完整的一種技術(shù)，它可以讓用戶完全沉浸在虛擬環(huán)境中，使用戶身臨其境。

目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)在許多行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，包括但不限于以下行業(yè)：游戲行業(yè)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)成為游戲開發(fā)中的一個(gè)重要組成部分，可以讓玩家沉浸在游戲世界中，提高游戲體驗(yàn)。教育行業(yè)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以為學(xué)生提供更加生動(dòng)、直觀的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，例如可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)帶領(lǐng)學(xué)生參觀博物館、歷史遺跡等。醫(yī)療行業(yè)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以為醫(yī)生和護(hù)士提供更加真實(shí)、直觀的手術(shù)模擬和訓(xùn)練，提高手術(shù)成功率和減少風(fēng)險(xiǎn)。建筑行業(yè)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以幫助建筑師和設(shè)計(jì)師更加直觀地了解建筑設(shè)計(jì)效果，提高設(shè)計(jì)效率和減少錯(cuò)誤。旅游行業(yè)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以為游客提供更加真實(shí)、直觀的旅游體驗(yàn)，例如可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)帶領(lǐng)游客參觀名勝古跡、自然景觀等。軍事行業(yè)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以為軍事訓(xùn)練提供更加真實(shí)、直觀的模擬環(huán)境，提高軍事訓(xùn)練效果和減少風(fēng)險(xiǎn)。娛樂行業(yè)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以為觀眾提供更加生動(dòng)、直觀的娛樂體驗(yàn)，例如可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)帶領(lǐng)觀眾參觀演唱會(huì)、體育比賽等。

三、開展神經(jīng)外科教學(xué)工作的原則和方法

神經(jīng)外科教學(xué)工作是指針對(duì)神經(jīng)外科學(xué)科的學(xué)生，通過教學(xué)手段和方法，傳授神經(jīng)外科學(xué)科的理論知識(shí)和實(shí)踐技能，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)和實(shí)踐能力，以滿足神經(jīng)外科醫(yī)療服務(wù)的需求。神經(jīng)外科教學(xué)工作的開展需要遵循以下原則：教學(xué)目標(biāo)明確：教學(xué)目標(biāo)應(yīng)該明確具體，與學(xué)生的實(shí)際需求和職業(yè)發(fā)展緊密相關(guān)。教學(xué)內(nèi)容全面：教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該涵蓋神經(jīng)外科領(lǐng)域的各個(gè)方面，包括基礎(chǔ)理論、臨床實(shí)踐、手術(shù)技能等。教學(xué)方法多樣：教學(xué)方法應(yīng)該多樣化，包括講解、演示、實(shí)踐、模擬等多種方式，以滿足不同學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。教學(xué)資源充足：教學(xué)資源應(yīng)該充足，包括設(shè)備、材料、人力等方面的支持，以保證教學(xué)質(zhì)量和效果。教學(xué)評(píng)估有效：教學(xué)評(píng)估應(yīng)該科學(xué)有效，包括考試、實(shí)踐評(píng)估、學(xué)生反饋等多種方式，以評(píng)估學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和實(shí)踐能力，為教學(xué)改進(jìn)提供依據(jù)。在開展神經(jīng)外科教學(xué)工作時(shí)，可以采用以下具體措施：建立教學(xué)團(tuán)隊(duì)：建立由專業(yè)教師、臨床醫(yī)生、實(shí)踐專家等組成的教學(xué)團(tuán)隊(duì)，共同制定教學(xué)計(jì)劃和教學(xué)內(nèi)容。采用現(xiàn)代化教學(xué)手段：采用現(xiàn)代化的教學(xué)手段和技術(shù)，例如虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、模擬手術(shù)技術(shù)等，提高教學(xué)效果和質(zhì)量。加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)：加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，提供更多的實(shí)踐機(jī)會(huì)，讓學(xué)生能夠親身參與和實(shí)踐，掌握實(shí)踐技能［2］?。提供多元化教學(xué)資源：提供多元化的教學(xué)資源，例如圖書、期刊、網(wǎng)絡(luò)資源等，讓學(xué)生能夠自主學(xué)習(xí)和深入研究。建立有效的教學(xué)評(píng)估體系：建立科學(xué)有效的教學(xué)評(píng)估體系，包括考試、實(shí)踐評(píng)估、學(xué)生反饋等多種方式，為教學(xué)改進(jìn)提供依據(jù)［3］?。

四、神經(jīng)外科教學(xué)的現(xiàn)狀和存在的問題

神經(jīng)外科是一門高難度的學(xué)科，對(duì)手術(shù)操作技術(shù)要求極高，同時(shí)對(duì)醫(yī)生的實(shí)踐能力和臨床經(jīng)驗(yàn)也同樣有著極高的要求。傳統(tǒng)的神經(jīng)外科教學(xué)主要是通過講課、病例討論和實(shí)踐操作等方式進(jìn)行，但傳統(tǒng)教學(xué)模式存在以下一些問題。

（一）患者風(fēng)險(xiǎn)大

神經(jīng)外科是一門以臨床操作和實(shí)踐為主要目標(biāo)的學(xué)科。在臨床教學(xué)方面，一些操作需要學(xué)生在帶教教師的指導(dǎo)下完成，例如常規(guī)的換藥、縫合硬腦膜、腰椎穿刺等。然而，無論帶教教師如何指導(dǎo)，最終的操作必須要學(xué)生的完成才能達(dá)到學(xué)習(xí)目標(biāo)。因此，在操作過程中，患者存在相關(guān)的一些風(fēng)險(xiǎn)。由于神經(jīng)系統(tǒng)的特殊性，患者面臨的風(fēng)險(xiǎn)顯著高于其他學(xué)科。

（二）教學(xué)成本高

神經(jīng)外科的很多操作都是有特殊專門的設(shè)備及系統(tǒng)。例如腰穿包、神經(jīng)外科動(dòng)力系統(tǒng)、顯微鏡、內(nèi)鏡等。在操作教學(xué)過程中，這些設(shè)備及系統(tǒng)均會(huì)帶來相關(guān)的損耗，而不當(dāng)?shù)牟僮鲃t可能會(huì)損壞設(shè)備及系統(tǒng)。因此，傳統(tǒng)教學(xué)模式下神經(jīng)外科的教學(xué)成本較高。

（三）教學(xué)資源有限，實(shí)踐操作機(jī)會(huì)少

由于患者風(fēng)險(xiǎn)大，教學(xué)成本高，帶教醫(yī)師在教學(xué)過程中有所顧慮，進(jìn)而導(dǎo)致很多可以由學(xué)生完成的操作均由帶教教師直接完成，從而造成了學(xué)生實(shí)踐操作機(jī)會(huì)少，無法充分鍛煉技術(shù)技能。

（四）教學(xué)內(nèi)容及模式單一，教學(xué)效果不理想

傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容包括神經(jīng)外科基礎(chǔ)及臨床。教學(xué)模式主要是通過課堂授課、病例討論、實(shí)踐操作等方式進(jìn)行，但這些教學(xué)方法忽略了對(duì)手術(shù)解剖結(jié)構(gòu)和病理生理的深入了解，也很難讓學(xué)生真正理解手術(shù)過程和操作技巧。

上述問題都嚴(yán)重制約了神經(jīng)外科教學(xué)的發(fā)展，因此，我們需要結(jié)合發(fā)展情況尋求新的教學(xué)方式來解決這些問題。

五、VR技術(shù)在神經(jīng)外科教學(xué)中的應(yīng)用

VR技術(shù)由于其直觀性、可控性、可模擬性、可重復(fù)性，其在教學(xué)中的應(yīng)用已經(jīng)成為一個(gè)熱門話題。目前，VR技術(shù)在教育教學(xué)方面廣泛應(yīng)用于藝術(shù)、裝備制造、現(xiàn)代物理及臨床醫(yī)學(xué)［36］?。結(jié)合其特點(diǎn)，以下是一些VR技術(shù)在神經(jīng)外科教學(xué)中的應(yīng)用場(chǎng)景：

（1）模擬手術(shù)。利用VR技術(shù)建立標(biāo)注化病例模型，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合VR可穿戴設(shè)備、傳感系統(tǒng)等在標(biāo)準(zhǔn)化模擬病例上進(jìn)行手術(shù)模擬，使學(xué)生在虛擬環(huán)境中仍然可以達(dá)到實(shí)踐手術(shù)技能、提高手術(shù)技術(shù)、增加手術(shù)經(jīng)驗(yàn)的目的。這種方法既可以解決傳統(tǒng)教學(xué)模式患者承擔(dān)巨大風(fēng)險(xiǎn)的問題，又能讓學(xué)生在沒有真實(shí)患者的情況下提高手術(shù)能力。

（2）三維可視化。三維可視化是VR技術(shù)最廣泛的應(yīng)用［7］?。神經(jīng)系統(tǒng)解剖學(xué)是神經(jīng)外科的重要基礎(chǔ)，也是學(xué)習(xí)神經(jīng)外科的必要知識(shí)儲(chǔ)備。然而，神經(jīng)解剖學(xué)的知識(shí)抽象且復(fù)雜。因此，一直以來，教師的教學(xué)及學(xué)生的學(xué)習(xí)均存在諸多困難。教師不知道如何教授這些復(fù)雜抽象的解剖學(xué)知識(shí)，學(xué)生不知道如何學(xué)習(xí)。VR技術(shù)可以將復(fù)雜抽象的神經(jīng)外科手術(shù)的解剖結(jié)構(gòu)以三維形式呈現(xiàn)，讓學(xué)生更好地理解手術(shù)過程，從而提高學(xué)生的解剖學(xué)知識(shí)儲(chǔ)備，提高臨床技能。

（3）交互式學(xué)習(xí)。在教學(xué)過程中，將VR技術(shù)與實(shí)際手術(shù)過程結(jié)合，實(shí)現(xiàn)交互式學(xué)習(xí)的目的。VR技術(shù)可以提供交互式學(xué)習(xí)體驗(yàn)，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中與手術(shù)過程進(jìn)行互動(dòng)。這種方法可以增強(qiáng)學(xué)生的參與感和興趣，提高學(xué)習(xí)效果。在交互式學(xué)習(xí)過程中，VR技術(shù)可以提供實(shí)時(shí)反饋，讓學(xué)生及時(shí)了解自己的操作情況和不足之處，進(jìn)一步提高手術(shù)技能。通過VR技術(shù)，學(xué)生可以獲得實(shí)時(shí)反饋，了解自己的手術(shù)操作情況和不足之處，從而及時(shí)調(diào)整自己的操作方式，提高手術(shù)技能和經(jīng)驗(yàn)。

（4）遠(yuǎn)程教學(xué)。VR技術(shù)在遠(yuǎn)程教學(xué)中也有著廣泛應(yīng)用［8］?。在神經(jīng)外科教學(xué)中，部分學(xué)生可能無法在現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)中獲得學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。利用VR技術(shù)可以進(jìn)行遠(yuǎn)程教學(xué)，讓學(xué)生在不同地點(diǎn)均能參與神經(jīng)外科教學(xué)過程。利用VR技術(shù)結(jié)合遠(yuǎn)程設(shè)備開展神經(jīng)外科教學(xué)活動(dòng)，既可以節(jié)省時(shí)間和成本，又能夠提高教學(xué)效率。

（5）病例演示。在神經(jīng)外科臨床實(shí)踐中，存在不同診斷不同情況的患者，因此神經(jīng)外科的臨床學(xué)習(xí)周期較長(zhǎng)，提高速度慢。同時(shí)，部分特殊病例可能屬于少發(fā)病、罕見病，甚至部分學(xué)生、帶教教師也很少接觸這類病例，失去了寶貴的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。合理利用VR技術(shù)可以用來展示不同的神經(jīng)外科病例，包括常見病、多發(fā)病及少見病、罕見病等。利用VR技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)病例演示過程，從而讓學(xué)生了解不同病例的處理方法和手術(shù)技巧。

六、VR技術(shù)應(yīng)用相較傳統(tǒng)模式在神經(jīng)外科教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)

（1）提高手術(shù)技能和經(jīng)驗(yàn)。相較傳統(tǒng)教學(xué)模式，在神經(jīng)外科教學(xué)中，結(jié)合VR技術(shù)可以提供更加真實(shí)和生動(dòng)的手術(shù)模擬，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行手術(shù)練習(xí)，體驗(yàn)身臨其境的手術(shù)過程，降低患者風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也可以提高學(xué)生的手術(shù)技能和經(jīng)驗(yàn)。在真正臨床實(shí)踐中，可以提前建立特定患者的VR模型，首先在模型上不斷操作并練習(xí)，在熟練度達(dá)到一定程度后再真正進(jìn)行相關(guān)操作，進(jìn)一步保障患者的安全。

（2）降低學(xué)習(xí)成本。傳統(tǒng)的神經(jīng)外科教學(xué)需要患者的參與。實(shí)踐過程中，一位患者可能面對(duì)多位學(xué)生的練習(xí)?；颊叱袚?dān)風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量也無法得到保障。利用VR技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)一套設(shè)備多人使用練習(xí)，結(jié)合遠(yuǎn)程技術(shù)，可以進(jìn)一步降低學(xué)生的學(xué)習(xí)成本。

（3）提高學(xué)習(xí)效率。VR技術(shù)可以提供實(shí)時(shí)反饋，讓學(xué)生及時(shí)了解自己的操作情況和不足之處，進(jìn)一步提高手術(shù)技能。在具體操作過程中，可以實(shí)時(shí)反饋、復(fù)盤。對(duì)于操作中的難點(diǎn)可以反復(fù)練習(xí)。同時(shí)，VR技術(shù)可以將神經(jīng)外科手術(shù)的解剖結(jié)構(gòu)以三維形式呈現(xiàn)，學(xué)生可以結(jié)合教材，多角度、多維度地去觀察病變，理解病變和周圍相關(guān)解剖結(jié)構(gòu)的關(guān)系，讓學(xué)生更好地理解手術(shù)過程，提高學(xué)習(xí)效率。

七、VR技術(shù)在神經(jīng)外科教學(xué)中的挑戰(zhàn)

雖然VR技術(shù)目前在多學(xué)科多場(chǎng)景中得到廣泛應(yīng)用，但其自身仍存在相關(guān)問題［910］?。在神經(jīng)外科教學(xué)中，該技術(shù)的相關(guān)問題主要包括：

（一）技術(shù)限制

VR技術(shù)需要大量的技術(shù)支持，包括軟件開發(fā)、硬件設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)帶寬等方面的支持。能夠達(dá)到VR技術(shù)應(yīng)用相關(guān)硬件軟件支持條件的單位仍然有限，這些限制會(huì)影響VR技術(shù)在神經(jīng)外科教學(xué)中的應(yīng)用、推廣及普及。

（二）真實(shí)性問題

雖然VR技術(shù)可以提供更加真實(shí)和生動(dòng)的手術(shù)模擬，但是目前的模擬技術(shù)仍然存在力學(xué)反饋、畫面色彩、空間解析度失真的問題。同時(shí)，學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行手術(shù)練習(xí)時(shí)，仍可能會(huì)遇到一些虛擬環(huán)境無法模擬的情況，這可能會(huì)影響學(xué)生的手術(shù)技能和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于臨床實(shí)際問題的判斷也會(huì)造成影響。

（三）費(fèi)用問題

VR技術(shù)需要大量的人力、物力和財(cái)力投入，這可能會(huì)增加教育部門和學(xué)生的負(fù)擔(dān)，從而影響VR技術(shù)在神經(jīng)外科教學(xué)中的應(yīng)用。

結(jié)語

綜上所述，VR技術(shù)在神經(jīng)外科教學(xué)中的應(yīng)用具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的潛力市場(chǎng)。集合VR技術(shù)，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行操作模擬，從而提高手術(shù)技能和經(jīng)驗(yàn)；VR技術(shù)可以將神經(jīng)外科手術(shù)的解剖結(jié)構(gòu)以三維形式呈現(xiàn)，讓學(xué)生更好地理解手術(shù)過程；VR技術(shù)可以提供實(shí)時(shí)反饋，讓學(xué)生及時(shí)了解自己的操作情況和不足之處，進(jìn)一步提高手術(shù)技能。雖然VR技術(shù)在神經(jīng)外科教學(xué)中面臨一些技術(shù)限制、真實(shí)性及費(fèi)用問題，但是隨著科技的不斷發(fā)展和應(yīng)用成本的不斷降低，VR技術(shù)必將能更廣泛地應(yīng)用于臨床教學(xué)，VR技術(shù)也有著更廣闊的應(yīng)用空間。

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基金項(xiàng)目：安徽省衛(wèi)健委健康科研項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：AHWJ2022b080；安徽省轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院科研基金，項(xiàng)目編號(hào)：2022zhyxC23

*通訊作者：程宏偉（1974—?），男，副教授，博士研究生導(dǎo)師，主要從事神經(jīng)外科基礎(chǔ)臨床及教育教學(xué)研究。