膝关节镜虚拟仿真模拟手术系统的培训效果评价研究

王博，杨群，张卫国，张光前，宋媛，张俊，董擂

（1. 大连医科大学附属第一医院骨外科，辽宁 大连 116011；2. 大连理工大学，辽宁 大连 116024；3. 大连医科大学，辽宁 大连 116044；4. 大连医科大学附属第一医院普外科，辽宁 大连 116011）

虚拟现实技术（virtual reality technology, VRT）是采用以计算机技术为核心的各种技术生成逼真的视、听、触觉一体化虚拟环境，使用者借助必要的设备以自然的方式(如头的转动、手的运动等身体“语言”)与虚拟环境中的对象进行交互、相互影响，通过视觉、听觉以及触觉等触发设备使使用者产生亲临等同真实环境的感受和体验[1]。在医学领域，虚拟现实技术与人体解剖、生理、生化以及现代外科手术学结合产生了虚拟医学系统，为临床医学教学以及手术指引与评估提供了全新的模式，显示了它的巨大潜力和实用前景[2]。本研究采用膝关节镜虚拟仿真模拟手术系统对骨科医师进行手术培训，评价其培训效果。

1 对象与方法

1.1 对象及分组

选取2012年1月1日至2013年12月31日来大连医科大学附属第一医院骨科进修的医师36名作为研究对象，将其随机分为实验组和对照组，其中实验组20名，对照组16名，记录每位医师的年龄、性别、职务。对两组医师均进行为期45 d的理论教学和手术观摩，其中实验组医师另增加膝关节镜虚拟仿真模拟手术系统培训。

1.2 仿真系统及训练方法

本研究采用膝关节镜虚拟仿真模拟手术系统软件由 ITK、VTK等开发包组成，采用 CMake 跨平台编译器和Microsoft Visual C++.NET2003作为编程语言，对以上开发包进行了整合和开发，将计算机断层扫描（CT）、核磁共振成像（MRI）等获取的病人影像信息进行三维重构，生成适合虚拟医学教育系统的几何模型。建立膝关节镜手术系统模块，使用带有传感器的设备模拟操作手术器械的移动、旋转等相应动作。虚拟操作过程器械和组织之间的接触应根据虚拟对象的自身特性进行模拟，非刚性的组织器官碰撞到器械会发生表面形变，需要通过计算碰撞表面的位点改变重新绘制图形。学生通过应用虚拟医学系统的模拟临床实践过程中可反复进行手术操作，基本技能培训项目包括镜头导向、仪器导向、镜头与仪器运用协调训练、抓放物体训练、组织切断训练、抬物和夹针训练、关节清理、游离体摘除、仪器操作准确性与速度训练等。

1.3 结果评价及统计分析

于培训期的第15、30、45天进行考核，采用实际手术中由专家给予打分的方式考核，评分标准见表1，共5项满分25分，同时记录手术完成时间、手术出错次数。手术评分、手术完成时间采用均数±标准差（s）来表示，两组之间的比较采用两独立样本t检验，手术出错次数的检验采用Fisher确切概率检验，检验水准α=0.05，P<0.05认为有统计学意义，所有分析均采用SPSS17.0完成。

表1 关节镜手术评分标准

2 结果

2.1 两组基本情况

实验组与对照组的性别、年龄、职称均检验均无统计学意义（P>0.05）,具体情况如表2。

表2 两组基本情况

2.2 两组手术得分比较

两组医师第一次手术得分经检验无统计学意义（P>0.05）, 实验组第二次手术得分高于对照组，经检验有统计学意义（P<0.05）, 实验组第三次手术得分高于对照组，经检验有统计学意义（P<0.01）,如表3。

表3 两组三次手术得分比较

2.3 两组手术出错次数的比较

两组手术出错次数均呈下降趋势，但实验组的出错次数下降较对照组明显，除第一次两组手术出错次数经检验无统计学意义外（P>0.05），第二次、第三次实验组与对照组手术出错次数经检验均有统计学意义（P<0.05），如表4。

表4 两组三次手术出错次数比较

3 讨论

虚拟现实技术作为一种由计算机技术生成的高技术模拟系统，自20世纪90年代被关注以来，已在城市规划、军事航天、室内设计、工业仿真等多个领域得到了应用，在生物医学领域，虚拟人、虚拟手术的应用也逐渐成为了热点[3]。目前国内运用虚拟显示训练进行膝关节镜手术培训仍是一个崭新的领域，如何恰当的运用这种教学模式是亟待解决的问题。本研究即采用膝关节镜虚拟仿真模拟手术系统对骨科医师进行膝关节镜手术培训，评价其培训效果，以期为虚拟现实技术在骨科医师培训中的应用提供依据。

本研究结果显示膝关节镜虚拟仿真模拟手术系统能够较大幅度的提高实验组医师的手术技能，随着培训期加长，其手术得分也不断提高，手术出错次数不断下降，同时与对照组相比，其差异有统计学意义，这与陈为坚等[4]的研究一致。由于关节镜手术技术难度较大，培训医师直接在病人身上进行操作风险较高，而实验动物在疾病特征、解剖结构、组织强度等方面均与病人有加大差异，故手术的能力也无法完全通过动物实验训练获得[5]。虚拟现实技术可通过模拟手术场景，使培训医师在不使用真实的病人、动物和尸体或者仅仅使用机械模型模拟器来进行训练和评估，获得所需要的手术技能。相较于传统的理论教学和手术观摩，采用理论教学、手术观摩和虚拟现实技术模拟结合的培训，更易于培训医师对培训内容进行直观体验，熟悉手术流程、掌握手术操作，可以有效地提高其培训效率和质量。

虚拟现实技术也已应用到了如腰椎间盘镜手术、腹腔镜手术、眼科手术等[6-8]多种手术技能的培训当中，并获得了良好的效果，但目前仍有诸多因素制约着其在临床技能培训中的应用。一方面质量较好的虚拟现实模拟系统价格较高，且体积一般较大，限制了其广泛应用，另一方面虚拟现实模拟系统的仿真度、操作力度等方面仍与现实有一定差距，需要进一步提高。故综合利弊，建议将虚拟现实模拟系统与传统理论教学、动物实验、手术观摩等方式结合起来，提供骨科手术技能培训的优良方法。

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