虚拟现实技术在骨科临床教学中的应用初探

韩俊柱，朱勋兵，陈建方

（1.蚌埠医学院第二附属医院 骨科，安徽 蚌埠233040；2.蚌埠医学院 医学影像学系，安徽 蚌埠 233030）

临床实践教学是医学教育中最重要的教学环节之一，是医学理论向具体实践操作转化的桥梁阶段，是成功实现医学教育目标的关键步骤[1].骨科临床实践教学更是如此，由于很多部位解剖结构和损伤机制的复杂性，正常结构标本或模型很难全面揭示其特点，而且对于各类手术方式也缺乏相应的体现[2].多媒体教学是传统教学方法中效果较好的方法，但仍缺乏直观性和可操作性，对骨科临床教学来说教学效果仍不令人满意.近年来，随着3D打印、虚拟现实等新技术的发展和应用，出现了很多新的教学方法，给骨科临床教学效果的提高带来了新的希望.基于此我院尝试将虚拟现实技术应用于骨科临床教学，并取得了良好的教学效果，现汇报如下：

1 资料和方法

1.1 研究对象

以2018年1月至2018年3月在蚌埠医学院第二附属医院骨科实习的临床医学本科生60名作为研究对象，以入科序号按照单双号随机分为实验组和对照组，每组30人.其中，实验组男16人，女14人，年龄 22-24岁，平均年龄（23±0.3）岁；对照组男15人，女15人，年龄21-24岁，平均年龄（23±0.1）岁.两组实习生的性别、年龄、入科专业课理论考试成绩比较差异不明显（P＞0.05），存在可比性.

1.2 教学内容

以人民卫生出版社出版的《局部解剖学》[3]中的踝与足部章节及《外科学》[4]中的踝部骨折章节为参考，重点学习踝部骨折的解剖、分型、术前规划及手术培训，分三节课，每节课40分钟进行教授，第一节课为踝部骨折的解剖及分型，第二节课为踝部骨折的术前规划，第三节课为踝部骨折的手术培训.

1.3 教学方法

实验组采用虚拟现实技术辅助教学，即将踝关节CT、MRI等影像资料输入到工作站中加以融合，构建出逼真的三维虚拟解剖模型，便于学生进行体验式学习；通过虚拟现实术前计划系统进行操作体验，评估手术风险，制定手术方案；再利用虚拟现实手术平台反复操作直到熟练掌握手术的每个步骤.对照组采用传统方法教学，即借助教师制作的多媒体课件和PACS系统中踝关节手术前后的影像资料讲解，帮助学生理解踝关节的解剖特点、骨折分型、术前规划及手术步骤.

1.4 教学评价标准

对两组学生进行理论及实践（操作）考核，理论考核内容包括踝关节的局部解剖、踝部骨折的分型、踝关节骨折的常用手术入路、不同手术入路的优缺点及适应征，题型包括选择题20分、名词解释题20分、简答题40分及论述题20分，满分100分；实践（操作）考核内容为在带教老师监督下完成1例同一类型踝关节骨折的手术操作，切口选择10分、骨折显露20分、骨折复位20分、内固定选择10分、内固定技术20分、无并发症20分、严重并发症-20分，满分100分.再用自制评分量表对两组实习生对相应教学方法感兴趣程度进行评价，评价标准：10分＞兴趣浓厚≥8分、8分＞兴趣一般≥6分、不感兴趣＜6分.

1.5 统计学处理

应用SPSS24.0统计软件对数据进行统计分析，计量资料使用（±s）表示，用x2检验来表示计数资料，组间比较采用t检验，以P＜0.001表示差异有统计学意义.

2 结果

2.1 两组实习生学习成绩比较

实验组实习生的理论成绩、操作成绩及总成绩均高于对照组，组间比较差异明显，具有统计学意义（P＜0.001），详见表 1.

表1 两组实习生学习成绩比较（±s，分）

表1 两组实习生学习成绩比较（±s，分）

组别 n 理论成绩（分） 操作成绩（分） 总成绩（分）实验组 30 87.70±2.09 89.10±1.75 88.40±1.50对照组 30 69.90±3.50 66.77±2.27 68.33±2.31 t值 23.94 42.70 39.92 P 值 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001

2.2 两组实习生对相应教学方法感兴趣程度的比较

实验组对虚拟教学兴趣浓厚学生数占比93.33%（28/30），对照组对传统教学兴趣浓厚学生数占比33.33%（10/30），组间比较差异有统计学意义（x2=20.742，P＜0.001），详见表 2.

表2 两组实习生对相应教学方法感兴趣程度比较（n，%）

3 讨论

骨科学是一门实践性和理论性较强的学科，培养学生的目的主要是应用于实践[5]，传统的医学教学存在实验教学资源有限、教学内容抽象难懂、教学实验危险性高以及临床实践机会有限等问题[6].多媒体教学是以多媒体课件（如PPT）为主进行教学的一种方法，其利用声音、图像、动画等方式能够在一定程度上增加教学的趣味性，被视为传统教学方法较好的教学方法.但对骨科临床教学来说仍缺乏直观性和可操作性，学生在遇到脊柱或关节周围等局部解剖结构较为复杂的损伤和畸形，往往难以理解和掌握，手术操作能力的培养更是效果不佳.本研究中对照组采用传统方法教学，借助多媒体课件并辅以PACS系统中踝关节手术前后的影像资料进行讲解，课后部分学生对踝关节骨折的损伤机制及分型仍不十分理解，故对如何治疗就更难以理解，加之讲授治疗时缺乏直观性和可操作性，实践操作的要点更是难以把握，考核的理论成绩（69.90±3.50）、操作成绩（66.77±2.27）及总成绩（68.33±2.31）均不让人满意.作为临床带教老师，如何在学生的实习阶段更好地指导学生将理论基础运用到临床实践，如何运用理论知识分析和解决临床实际问题，需要每一位带教老师不断积极寻找有效的带教方法[7].

虚拟现实（virtual reality,VR）技术是一门建立在多学科高端发展成果上的新兴边缘技术，涉及计算机图形学、人工智能、网络技术、计算机仿真技术、人机交互接口、传感与测量、微电子技术和精确力反馈系统等众多相关科研领域，具备沉浸感、想象性和交互性三个本质特征[8].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的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[9].凭借上述特性，将虚拟现实技术应用于临床实践教学或手术培训，理论上能够显著提高教学效果.国内外一些学者也据此进行了一些尝试.Touch Surgery公司开发了一款名为Touch Surgery的软件，从摆放体位到消毒铺单，再到术式模拟（包括切口选择、术区探查、骨折复位、钢板螺钉选择固定、缝合收尾等），通过模拟整个手术流程让医学生得到沉浸式的锻炼[10].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[11].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[12].广西医科大学附属肿瘤医院龚文锋等采用Myrian肝脏三维手术规划系统软件对肝癌患者的CT数据进行肝脏重建并进行模拟手术切除，并通过与对照组对比研究后发现：两组学生在肝脏内外部解剖掌握情况、肝脏肿瘤认识情况、学习兴趣性、教学方法满意度、手术方式认识程度等方面差异有统计学意义（P＜0.05或P＜0.01），两组学生考核成绩差异有统计学意义（P＜0.01）；实验组考核成绩优秀率67.86%，对照组优秀率23.21%，差异有统计学意义（P＜0.01）[13].南方医科大学附属小榄医院王小平等术前将患者CT图像数据集导入Mimics10.01软件，建立复杂胫骨Pilon骨折三维数字化模型，对骨折块进行复位、植入内固定等虚拟手术.结果发现重建的Pilon骨折三维数字化模型可准确反映骨折特点，辅助术者准确对骨折分型；虚拟手术可逼真模拟临床手术[14].虚拟手术系统提供了一个虚拟的3D环境以及可交互操作平台，较之传统手术教学，具有无损耗、可重复性和可指定性等优点，有助于在短时间内提高手术操作的熟练度和精细度[15].本研究中我们对实验组采用虚拟现实技术辅助教学，将踝关节影像资料输入到工作站中加以融合，构建出逼真的三维虚拟解剖模型，便于学生进行体验式学习；通过虚拟现实术前计划系统进行操作体验，评估手术风险，制定手术方案；再利用虚拟现实手术平台反复操作直到熟练掌握手术的每个步骤.研究结果发现：实验组的理论成绩（87.70±2.09）、操作成绩（89.10±1.75）及总成绩（88.40±1.50）均高于对照组，两组实习生成绩的差异性显著，具有统计学意义（P＜0.001）.两组实习生的学习兴趣相比后发现：实验组对虚拟教学兴趣浓厚学生数占比93.33%（28/30），对照组对传统教学兴趣浓厚学生数占比33.33%（10/30），组间比较差异有统计学意义（x2=20.742，P＜0.001）.据此，我们认为将虚拟现实技术应用于骨科临床教学中，能够提高教学效果和增强学生学习兴趣.

虚拟现实技术具有沉浸性、交互性、构想性等特性，将其应用于骨科临床教学，有助于激发学医学生学习兴趣，提高骨科临床教学质量，但其尚处于实验和探索阶段，还需与传统教学方法进行融合，做到虚实结合，相互补充，以进一步提高骨科临床教学效果.