虚拟现实技术在骨科临床教学中的应用

李 嘉，袁 娜

西安交通大学第一附属医院：1骨科；2超声科，西安 710061

虚拟现实技术在骨科临床教学中的应用

李 嘉1，袁 娜2

西安交通大学第一附属医院：1骨科；2超声科，西安 710061

虚拟现实技术是目前研究的热点，其在骨科临床教学中亦有着较广泛的应用。虚拟现实技术既能丰富教学模式、调动学生的积极性，又减轻了教师的负担、提高教学效果。文章从虚拟解剖、手术培训及考核、术前计划和手术直播等方面探讨了虚拟现实技术在骨科教学中的应用，分析了该技术的意义并指出了其目前存在的问题以及对未来的展望。

虚拟现实技术；骨科；临床教学

虚拟现实技术（virtual reality，VR）是20世纪60年代逐渐发展起来的一项新技术。它通过电脑模拟产生一个三维逼真的虚拟环境，为使用者提供关于听觉、视觉及触觉等多种感官的模拟，让使用者仿佛身临其境般，能够及时且没有限制地观察三维空间内的事物。VR技术是多种技术的综合，包括计算机图形学、数字图像处理、生物力学、人工智能、机械力学、多媒体技术、传感器、网络等技术［1］。

目前，随着VR技术的不断发展，其已在医学、军事和娱乐等多个领域得到广泛运用。在医学领域中，VR技术的快速发展为医学教育、手术模拟、术后康复、疾病诊断及远程医疗等带来新的气象，同样也为骨科临床教学提供了新的方法和平台。VR技术的迅速发展使其在骨科教学中的应用亦越来越广泛。

1 虚拟现实技术的特点

虚拟现实的概念最早由Jaron Lanier在20世纪60年代初期提出，经过近些年的发展，虚拟现实技术现如今己被广泛用于医疗、军事、娱乐等多个领域。

虚拟现实技术具有沉浸性、交互性和构想性等特征［2］。所谓沉浸性是指参与者可身临其境地沉浸于虚拟环境中，与模拟环境相互融合；交互性是指参与者可以对虚拟环境中的对象进行操作，同时虚拟环境会根据参与者的操作调整环境中相关对象的状态以对参与者进行反馈；构想性是指虚拟现实技术赋予参与者广阔的想象空间，参与者可以主动地、创造性地对虚拟环境进行观察和操作。医学教育只有与时俱进并不断创新才能保持旺盛的生命力，虚拟现实技术以其沉浸性、交互性和构想性等特点促进了其在骨科临床教学中的应用。

2 虚拟现实技术在骨科临床教学中的应用

2.1 虚拟解剖

骨科涉及四肢和脊柱等多个复杂的结构，这些结构周围往往伴随着重要的神经、血管，因而骨科手术操作风险较高。传统教学中医学生往往通过尸体解剖及相关图片或文字描述来了解和掌握骨科相关解剖特点，这种教学效果有限、教学难度大，而且由于尸体标本来源受限，通常无法满足教学要求。随着信息技术的发展，虚拟现实技术为解剖教学提供了具有巨大潜力的工具。虚拟现实技术可将人体的CT、MRI、CTA、MRA等影像资料输入到虚拟现实系统的工作站中加以融合，并直观、准确、高效地构建出人体三维解剖模型，为医学生提供一个直观、形象、逼真并且可重复操作的虚拟解剖环境。这项技术由于不受标本、场地等条件的限制，所以能大大降低培训费用。此外，虚拟现实技术可在不破坏表层解剖结构的情况下既能显示深层解剖结构，且可以对解剖结构进行任意角度旋转，便于学生从不同角度进行观察。这有助于帮助医学生理解骨科复杂解剖结构的立体关系，极大地节约了教学时间，缓解了传统解剖教学尸体不足和标本损耗的现状，增强了学生学习的积极性，提高了教学效果。范敏等对引入和没有引入虚拟现实技术的人体解剖学教学效果进行了对比，发现采用虚拟现实技术可以极大地提高学生的学习兴趣，使学生对知识的掌握更加牢固［3］。赵亚群等评估了虚拟现实技术在岩骨解剖手术教学中的价值，发现虚拟现实三维影像模型用于岩骨手术解剖教学效果良好［4］。

2.2 手术培训及考核

16世纪以来，尸体常被用来进行外科手术培训，直至目前尸体仍是手术锻炼的一种有效方法。然而用尸体进行手术锻炼花费较高，尸体来源少，往往涉及医学伦理问题，且目前多数医学院校解剖尸体严重不足，严重限制了尸体在手术培训中的应用。通过在手术室观摩手术是传统手术学习的另一种方式，然而该教学方法中教学内容会随着患者疾病的不同而发生变化，往往缺乏系统性。

随着医学生培训期望值的提高以及患者的安全性越来越受到重视，传统的教学培养模式已不能满足教育的要求，必须进行相应的教学改革［5］。骨科手术是复杂、高风险的手术，对于外科医师来说，边进行复杂的操作边对医学生进行培训是一件很困难的事情。研究表明，医学生的出现尽管不会增加手术的并发症，但常会导致手术时间的延长及手术室资源的使用增多［6］。在进行手术培训的过程中，医学生难免会犯各种错误，且存在学习曲线的问题。基于上述种种原因，越来越多的非临床培训方法受到重视，其中基于虚拟现实的手术培训成为一种提高骨科手术教学效果的方法。虚拟现实技术可提供理想的虚拟手术培训平台，受训医学生既可以观察到清晰的三维人体结构，又可以在手术操作时感受到器械的反作用力，就像在真人身上手术一样。这既不会对患者造成损伤，又可以反复多次练习，因此虚拟现实技术又具有降低培训费用、提高患者安全性等优点。目前，虚拟手术平台已能模拟关节置换、关节镜、骨折切开复位等多种手术，尤其是关节镜虚拟手术平台已在国外被广泛使用［7-8］。

目前，国外多项研究结果均表明骨科医师对虚拟现实技术在手术锻炼中的应用持肯定态度。Blyth等在新西兰骨科医师中进行的一项研究表明，77%的骨科医师认为基于虚拟现实技术的手术模拟器是锻炼外科手术操作的一种有效方法［9］。美国骨科医师协会在4 549名医学生中进行了一项调查，结果发现86%的医学生认为虚拟现实手术模拟器应成为骨科训练及技能考核的必备器材［10］。Aim等系统回顾了10项关于虚拟现实手术模拟器在关节镜培训中有效性的研究，10项研究结果均表明虚拟现实手术模拟器可显著提高受训者的手术技能［11］。Riener等研究结果表明虚拟现实技术的应用可以通过减少高风险、昂贵的诊断性操作改善目前骨科教育和培训的不足［12］。陈为坚等研究发现虚拟膝关节镜系统对初学者的手术操作技能起到良好的培训效果［13］。王博等亦评估了膝关节镜虚拟仿真模拟手术系统对骨科医师的培训效果，结果表明虚拟膝关节镜系统能够较大幅度地提高骨科医师的关节镜手术技能，有效地提高了培训效率和质量［14］。

除了技能培训外，虚拟现实技术亦可用于骨科操作技能考核。研究表明，有经验的外科医师可以比医学生更快速、有效地完成虚拟手术操作，提示虚拟现实手术模拟器可被用于技能考核［15-16］。Frank等的一项研究结果提示虚拟手术操作表现与临床手术经验呈正相关［17］。Vaughan等证实虚拟现实手术模拟器可有效地对多种临床操作进行考核评分［18］。

2.3 术前计划

在对患者进行比较复杂的手术之前，为减少手术风险，可先通过虚拟现实术前计划系统进行视觉、触觉等多重感官体验及练习，模拟手术中的操作技巧，提前了解手术的难易程度，评估手术风险，并制定个体化的手术方案。此外，利用虚拟现实术前计划系统可对术前诊断进行验证和进一步完善，对患者影像资料更加深入的理解，对确定最佳手术入路、制定和优化手术方案、缩短手术时间、降低手术风险、缩小手术切口等方面提供帮助，使手术的安全性和有效性大大提高。Rieger等评估了基于CT的虚拟现实术前计划系统在桡骨远端骨折手术中的有效性，随访结果表明虚拟现实术前计划系统能够促进骨折解剖复位及腕关节活动度的恢复，提示虚拟现实术前计划系统是一种辅助手术的有效手段［19］。Handels等将虚拟现实术前计划系统用于骨肿瘤手术中的髋关节重建亦取得了良好的效果［20］。黄若昆等将虚拟现实技术应用于髋部骨折手术模拟，通过虚拟现实技术重建了髋部骨折的三维模型，并对骨折进行了虚拟手术复位固定，建立了髋部骨折数字化虚拟可视重建及手术模拟的技术方法，有助于制定合理的个体化手术方案［21］。赵志球等建立了基于虚拟现实技术的股骨远端骨折复位虚拟手术系统，可用于手术培训和术前计划［22］。金丹等设计了踝关节骨折虚拟手术系统并将其初步应用于临床，取得了良好的效果［23］。

2.4 手术直播

由于手术室无菌环境的要求及观察角度的限制，医学生在观摩外科手术时往往不能清楚地看到手术区域。此外为了减少患者痛苦、促进快速康复，医师经常会进行微创手术，手术切口很小，这进一步限制了医学生的学习。尽管目前腔镜手术可以通过腔镜的显示屏观察手术过程，但传统的摄像头拍摄的画面是没有方位感和空间感的，这给医学生的学习带来相应的困难。随着科技的进步，目前基于虚拟现实技术的手术直播已成为一种非常好的手术学习手段。虚拟现实技术通过架设在手术室主刀医师上方的特殊全景相机，把第一现场的场景360°完全摄录下来，然后经过专门拼接融合传输到云端，医学生就可以通过现有的虚拟现实设备身临其境般地观摩手术，并通过视觉焦点进行切换，自由地选择观看的角度和内容。这种新形式的手术直播，让原本被动的观众变得更为主动，让观众沉浸式地学习，这对于骨科教学具有非常大的意义。2016年4月14日下午，英国医师莎菲·艾哈迈德在伦敦皇家医院手术室，成功为一名70多岁的结肠癌患者实施肿瘤切除手术，并在全球首次通过虚拟现实技术对手术全程进行了360°全景直播。2016年5月30日上午，瑞金医院的手术室里面，中国腹腔镜外科专家郑民华教授成功为一名80多岁的右半结肠癌患者实施肿瘤切除手术，并通过虚拟现实技术对手术全程进行了直播，这也是国内首次利用虚拟现实技术进行手术直播。2016年6月7日，上海市第六人民医院骨科张长青教授进行了中国首例骨科虚拟现实手术直播。随着虚拟现实手术直播技术的进一步发展及普及，必将使得临床医学教育再次创新，提高临床教学效果。

3 结语

随着信息技术的迅猛发展及虚拟现实技术的不断完善，虚拟现实技术必将融入医疗的各个方面。将虚拟现实技术引入骨科教学中不仅弥补了传统教学的缺点，又能够给学生带来三维立体的模拟体验，激发学生学习的主动性，使学生更好地了解及掌握骨科操作要点，从而显著提高骨科临床教学效果。然而虚拟现实技术并不能完全代替传统教学，从虚拟现实培训中得来的经验必须经过实际操作才能真正应用于临床。而且由于目前影像学分辨率的不足，往往难以显示细小的解剖结构。此外，目前虚拟现实技术存在触觉体验不甚完善等不足。

尽管虚拟现实技术在国内临床教学方面的应用已取得了一定成果，国内在这方面的研究尚处于实验和探索阶段，与国外相比，还存在较大差距。因此，我们应进一步增加虚拟现实相关硬件设备的投入，加快虚拟现实技术支撑软件的开发研制，与国际上虚拟现实技术的发展与应用趋势接轨。相信随着我国虚拟现实技术的进一步发展，虚拟现实教学与传统教学必将融合到一起，做到虚实结合、相互弥补，在我国骨科临床教学方面发挥更大的作用。

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Application of virtual reality technology in clinical teaching of orthopedics

Li Jia1，Yuan Na2

1Department of Orthopedics；2Department of Ultrasonography，the First Affiliated Hospital of Xi＇an Jiaotong University，Xi＇an 710061，China

Virtual reality technology is a research focus at present and it is now widely applied in clinical teaching of orthopedics.The technology can enrich the teaching mode，improve students’initiative in learning，lessen teachers＇burden and improve the teaching effects.This paper introduces the application of virtual reality in orthopedics teaching，including virtual anatomy，surgical training and assessment，preoperative planning and operation live broadcast.In addition，this paper analyzes the significance of virtual reality and points out its existing problems and its prospect.

virtual reality technology；orthopedics，clinical teaching

G434

：A

：1004-5287（2017）04-0392-04

：10.13566／j.cnki.cmet.cn61-1317／g4.201704009

2017-01-18

李嘉（1989-），男，河南鹤壁人，助理研究员，博士，主要研究方向：脊柱脊髓损伤。

袁娜（1989-），女，江苏泰兴人，助理研究员，博士，主要研究方向：肌骨关节系统超声。电话：13468679973；E-mail：780239718＠qq.com