虚拟现实技术在脊柱外科临床带教中的应用

蔡璇 秦杰 黄珊 易晓青

脊柱外科由于脊柱具有复杂的解剖结构和和重要的生理功能，故非常强调医师临床实践的重要性。传统的手术录像结合标本模型的教学形式缺乏直观性和可操作性，教学效果有限。近年来，随着虚拟现实（VR）技术的发展，为医学临床实践教学提供了新的手段。VR 技术是一种计算机创建的模拟现实世界环境的仿真技术，能够为用户提供沉浸式、交互式的三维动态影像[1]。在医疗领域中，VR 技术多用于临床技能训练、术前计划和实际手术中，能够为学习者提供安全，可靠和受控的环境，同时，逼真有效的虚拟环境也能有效增强学生的探索兴趣[2-4]。目前尚无将VR 技术用于脊柱外科临床实践教学方面的报道。本研究拟采用VR 技术用于脊柱外科临床带教，探讨该教学方法的效果。

1 资料和方法

1.1 研究对象

以2018 年5 月—2019 年5 月在西安交通大学第二附属医院脊柱外科实习的临床医学本科生50 名为研究对象，以随机数字表法分为为VR 教学组和传统对照组，每组25 人。其中VR 教学组男性10 人，女性15 人，年龄在21～23 岁，平均年龄（22.13±0.97）岁；对照组男性13 人，女性12 人，年龄在21～23 岁，平均年龄（22.75±1.23）岁。两组学员在性别、年龄等一般资料方面相似，差异无统计学意义（P＞0.05）。

1.2 教学方法

所有教学工作均有由长期从事脊柱外科临床教学工作的2 名高年资副主任医师负责，两组学员所处的教学环境相同，授课内容为“腰椎间盘突出症”，教学时长为3 课时。VR 教学组采用虚拟现实技术辅助教学，（1）理论学习：将腰椎CT 和MR 影像数据导入工作站中构建三维虚拟模型，利用该模型向学生讲授腰椎解剖，椎间盘突出病理生理、腰椎间盘突出症手术治疗等理论知识。通过虚拟现实技术评估手术风险、制定手术方案，同时利用虚拟手术平台进行反复操作，掌握手术步骤。（2）手术教学：挑选典型腰椎间盘突出症患者2 例录制VR 教学视频，1 例行开窗髓核摘除术，1 例行腰椎减压植骨融合内固定术，术前告知患者并签署知情同书，报医院伦理委员会批准。采用头戴式全景摄像头录制手术全过程，导出视频文件并剪辑后备用；在理论学习完成后进行VR 手术视频教学，学员使用VR 眼镜（VIVE，HTC 公司，中国台湾）观看手术视频，继续学习解剖结构和手术过程，加深理解。对照组采用传统教学方法，利用PPT、解剖图谱、骨骼模型和影像图片讲授腰椎解剖，椎间盘突出病理生理、腰椎间盘突出症手术治疗等理论知识，理论课完成后学员进入手术室观摩手术，在手术过程中再次讲解相关知识，加深理解。

1.3 教学效果评估

在教学结束后对两组学生进行考核，采用试卷形式，共100 分，分为选择题，名词解释和问答题三部分，内容涵盖腰椎解剖（20分），腰椎椎间盘突出病理生理（10 分）、临床表现及查体（30 分）、腰椎间盘突出症手术治疗方式（20 分）、手术入路（10 分）、手术并发症（10 分）等方面。同时采用自制量表对教学满意度进行调查问卷，总分100 分，包含一般情况、学习兴趣、教学满意度、教学建议等部分组成。

1.4 统计学分析

使用SPSS 19.0 软件对数据进行统计分析，计量资料使用（）表示，两组间比较采用t检验。P＜0.05 表示差异具有统计学意义。

2 结果

VR 教学组平均出科考试成绩为（85.78±9.37）分，传统对照组平均出科考试成绩为（78.82±11.47）分，两组间差异具有统计学意义（P＜0.05）；VR 教学组教学满意度（97.34±10.55）分，显著高于传统对照组（88.67±12.44）分，其差异具有统计学意义（P＜0.05）。

表1 两组学生出科考试成绩及教学满意度比较（分，）

表1 两组学生出科考试成绩及教学满意度比较（分，）

3 讨论

脊柱外科主要涉及脊柱和脊髓相关疾病，由于脊柱脊髓的解剖结构复杂，毗邻重要组织器官，位置较深，同时疾病多样，因此学生普遍反映学习难度较大[5-6]。同时，由于手术视野局限和无菌要求，学生很难更加细致全面的观摩手术过程。此外，传统的脊柱外科临床教学多利用多媒体幻灯、骨骼模型、尸体标本及解剖图谱等作为载体，学生缺乏直观感受和可操作性，面对复杂的脊柱脊髓解剖结构，往往难以理解和掌握，丧失学习的积极性和兴趣[7]。这些都对临床带教提出了更高的要求，因此，有必要探寻更加有效的临床带教方法。

近年来，基于VR 技术的教学方法已被应用于航空航天、核电、军事及医疗健康等多个领域，使用VR 技术训练医学院的学生和外科医生正变得越来越普遍[8]。VR 技术的应用极大的促进了医学教育的革新，其凭借其独特的直观性和交互性为临床教学提供了新的手段，具有无可比拟的优势。VR 模拟技术让医学生可以毫无阻碍的、任意角度的观摩学习。使传统单一枯燥乏味的教学方法变得更具灵活性、交互性、沉浸性，能够更好的培养学生学习兴趣、营造良好学习环境、激发学生创造性思维、提高学生的综合素质和能力。目前VR 技术在骨科教学中应用最为广泛的是关节模拟器[9]，Rebolledo 等[10]进行的一项随机对照研究表明，利用VR 技术学习和培训的学生在尸体关节解剖操作测试中的表现明显优于传统方法培训的学生。国内部分研究将VR 用于创伤骨科临床见习中，结果均显示采用VR 教学的学生对常见骨折受伤机制、骨折复位及固定方法的理解显著优于普通授课法[11-12]。但目前国内尚无关于VR技术在脊柱外科临床带教中应用的研究报道。基于此，我们设计了该项研究，对比传统方法和VR 辅助教学两种方法的教学效果，结果显示，VR 辅助教学方法较单纯的传统骨科临床带教方法更有优势，学生在脊柱解剖结构及手术入路的理解方面具有显著提高，充分调动了学员的学习热情和兴趣。

笔者认为，在脊柱外科临床教学中，VR 辅助教学相较于传统教学方式的优势在于：其一，它能够建立虚拟的三维立体人体解模型，借助感应球、感应手套等交互设施，学生可以非常直观、全面的学习人体脊柱解剖结构。其二，基于VR 技术的手术示教，能够以术者视角向学员无死角的全面展示手术全过程，弥补了脊柱手术由于解剖位置较深、视野局限所导致的观摩困难和污染术区等缺陷。其三，基于VR 的模拟器可以为学生提供不受限制的训练机会，大幅提高其动手学习的的频率并减少其他资源如尸体、动物标本的占用和浪费。尸体标本十分昂贵且制作耗时，不能重复使用，同时还存在道德伦理和潜在感染疾病的风险[13]。因此，对于学生而言，逼真有效的VR 虚拟训练环境使得脊柱外科手术学习具有较强的吸引力。其四，使用VR 技术可以通过调整难度水平来增强学生的动手能力，使其在最短的时间内达到陡峭的学习曲线的效果。例如，椎弓根螺钉置入技术作为脊柱手术中最广泛使用的技术需要时间和经验的积累，在椎弓根螺钉置入过程中需要特别小心以避免对周围的神经结构造成损伤[14]，虽然术中导航系统可以为椎弓根螺钉的植入提供更高的精度，但它有增加患者及术者的辐射暴露和延长手术时间等缺点，VR 模拟技术可以完全规避上述风险，允许学习者反复练习基本技能掌握准确的椎弓根螺钉植入技术。

总体而言，VR 技术以其沉浸性、多样性和交互性的独特优势，能显著提高脊柱外科临床教学质量，激发学生的兴趣。但现阶段VR 教学所需的硬件及其相关软件价格仍较为昂贵，需要较高的维护成本，不利于广泛推广。同时，其建模的精度、分辨率等指标与真实标本相比仍有差距。此外，与文献报道相同，本研究中部分学生佩戴VR 眼镜后出现会眩晕等不适感，影响学习效果[15]。相信随着技术的发展和相关从业人员的共同努力，上述问题会得到进一步的解决。