外科临床技能培训中虚拟现实技术的思考

2020-02-13 22:24:47曾小燕

解放军医院管理杂志 2020年7期

曾小燕,赵静,张椿*

(1.陆军军医大学第二附属医院普外科，重庆 400037；2.陆军军医大学第二附属医院医务处，重庆 400037)

虚拟现实(virtual reality)技术，简称VR技术，又称人工环境或灵境技术，最早由计算机图形之父萨瑟兰于1965年在论文“The Ultimate Display”中提出，是以计算机技术为基础，模拟人体触觉、视觉、听觉等多种感知觉，结合计算机图形处理、人机交互、传感、网络传输及人工智能等多项技术而产生的一项综合性应用技术[1-2]。虚拟现实技术具有被多数学者认可的三个特点：沉浸性、交互性及想象性，这三个特点让体验者可以通过特定的设备在模拟现实环境中体验到身临其境的感觉，经过人机交互和在模拟现实的环境中对事物进行更好的观察，启发体验者的思维[3]。

虚拟现实技术给体验者呈现的场景是完全利用电脑模拟出来的一个虚拟的三维空间，无法完成虚拟与现实的结合[4]。作为虚拟现实技术的一个发展迅速的分支，增强现实(augmented reality，AR)技术可将虚拟信息添加到真实世界，更好地让体验者将虚拟与现实进行交互[5]。此后，由于人工智能技术的快速发展，在虚拟现实技术和增强现实技术的基础上发展出一项新技术——混合现实(mixed reality，MR)技术，该技术使得体验者更好地沉浸在虚拟世界与现实世界实时交互而形成的一个新的可视化世界中，更加精确地进行一些操作[6]。随着科学技术的发展进步，2014年，HTC与Valve游戏公司合作开发的HTC Vive、谷歌推出的 Google Cardboard廉价纸质版VR眼镜、2015年美国国家航空航天局与索尼联合制作的Mighty Morphenaut等使虚拟现实技术被更多人了解，相关技术体系更加成熟、完善，在教育、医学、科技研发、军事训练等多个领域的应用更加广泛[7]。

随着医学的发展，在医学生及临床医生的培养过程中，相关临床技能的学习成了必不可少的一个环节。传统的外科临床技能培训中，由于操作模型缺乏，多以教师口头授课、模型分析、辅以幻灯等手段教学，存在形式单一、教学时间有限、场地限制、临床操作和实践机会少等问题，因此，动手能力无法得到很好的锻炼，授课中学习积极性不高，主动性不够。并且，传统外科技能的学习中，基础解剖结构的掌握程度在一定程度上决定操作的准确性和安全性，学习基础解剖的过程中往往会涉及动物或人体标本不够，部分解剖结构无法充分暴露，导致解剖结构的学习过程中学生掌握不够，后期相关外科临床技能的学习操作中不敢动手，怕出安全问题。将虚拟现实技术运用在外科临床技能培训中可以保证在有限的场地，给更多的学生提供操作平台，有效地解决传统技能培训中教学资源不足，学生学习时间受限，操作场景无法适应等问题，让学生在培训过程中更好、更快地掌握相关技能。通过虚拟现实技术模拟现实环境快速掌握手术操作技能，加速新理论、新概念、新技能的学习。

1 在骨科临床技能培训中的应用

骨科的学习过程中，需要培养良好的立体感知能力，熟悉解剖整体与局部之间的关系，清楚骨与关节及周围相关的结构，包括重要的神经、血管结构以及走形，肌腱及韧带的起止点。骨科涉及四肢和脊柱等多个复杂的结构，传统的学习方法，主要通过尸体解剖、图片以及多媒体等方式进行，尸体有限、伦理道德、图片无立体感等原因导致不能保证教学效果。VR技术在骨科的解剖虚拟主要通过电脑将人体的CT、MRI等资料输入虚拟现实系统的工作站，重建三维可视模型，直观、准确、形象地为医学生提供骨科模型，为其提供一个反复可操作的虚拟环境，这项技术可在不破坏表层结构的前提下显示深层解剖结构毗邻情况，且可以任意旋转模型，从不同角度认识骨折的部位及类型，既丰富教学模式、调动学生的主观能动性，又节约教学成本、提高教学效果。范敏[8]等人的研究结果显示，与传统的骨科解剖学习相比，在使用VR技术后，学生对于解剖的学习兴趣明显提高，知识掌握效果也有明显改善。

临床上，骨科手术的传统教学大多是在手术室、高级外科医生的操作过程中进行的，这种教学方法由于成本高、工作时间限制、学习资料无法很好保存等原因，导致培养临床医生周期过长、耗资过大。此外，现代医疗为减轻患者的痛苦、促进早期愈合，多采用微创的技术，手术切口小，进一步限制医学生的学习。在国外的多个研究中都有发现在手术教学中应用VR技术是一项有效的教学新模式，能让学习者体验手术的真实感，提高手术技能，更快地适应骨科手术的临床思维，提高学习效率，大幅度推动学习者骨科手术学习的主观能动性[9-11]。

骨科最常见的疾病以骨折居多，有经验的临床医师可以通过手法复位解决简单的骨折，但随着科技的进步，车祸骨折、各种器械造成的骨折越来越多，也越来越复杂，膝关节、髋臼、骨盆等，结构复杂、毗邻结构多，骨折后复位一直是骨科面临的困难之一。有经验的医师通过现有的检查手段，可能也无法评估手术的风险。VR技术通过现有的影像资料，重建虚拟人体结构可准确反映出骨折的类型，以及移位的方向和程度，并且可任意旋转实现内固定的手术模型，能为患者在术前进行合理规划，制定个性化的手术方案，减少不必要的损伤，更好地为临床教学提供清晰的思路。临床上，黄若昆[12]等人将虚拟现实应用于髋关节的复位，通过多种评估手段证明虚拟现实技术有利于制定个性化的手术方案。王枚[13]等人研究虚拟手术系统可对复杂性髋臼骨折进行分析，提供直观的三维重建模型，并动态反复演示手术技巧如个性化的手术入路、邻近骨性结构的适度磨除，钢板最适的固定方式、如何安全处理毗邻血管神经等。Handel[14]等人把虚拟现实技术应用于骨肿瘤手术中的髋关节重建，在临床中取得良好的反馈结果。虚拟现实技术能全方位、多层次、多样反馈三维虚拟人体结构组织，让刚刚进入骨科的医生、实习医生、轮转医生沉浸在虚拟的场景中，通过多种感官了解、学习、练习相关的各种手术实际操作，最终加速外科医生的知识积累，提高骨科手术中的操作技能。虚拟现实技术能够极大地弥补骨科教学上的不足，调动学生学习主观能动性，提高教学质量，促进骨科的发展和进步。

2 在泌尿外科临床技能培训中的应用

泌尿外科已取得快速发展，从传统的开腹手术到腔镜，再到现在的机器人手术，手术朝着微创化和精细化方向发展。传统的培训手段已经满足不了现阶段人才发展需要，虚拟现实技术可以弥补传统培训的不足，提高临床培训教学水平和效果。虚拟现实技术可模拟手术室、手术器械、人体脏器模型等，让学习者身临其中，实现外科手术的虚拟仿真性。在临床技能培训过程中医学生可以借助虚拟现实技术进行“解剖”分解，全方位掌握泌尿系统的解剖结构。而且同时也可以借助3D技术，实现对各种类型的手术操作，结合网络设置功能，培训过程可以模拟特殊情景，提高应对能力，提升手术技巧。使用虚拟现实技术更可以清楚认识到泌尿外科的解剖结构和周围毗邻情况，清楚掌握不同情况下腔镜手术的入路、游离、显露、结扎及缝合等规范化操作。

现阶段，根据泌尿系统多腔隙的特点，手术以内镜下操作为主。虚拟现实技术在泌尿外科内镜中的应用主要体现为仿真内镜(又称虚拟内镜)。仿真内镜主要通过一系列影像处理技术(CT、MRI等)，在计算机中重建出空腔脏器的黏膜及腔外的部分毗邻结构。其不仅显示出传统光镜的内容，而且还能显示出传统光镜不能到达的地方，如部分腔外结构。主要包括仿真输尿管镜、仿真膀胱镜、仿真尿道镜等。因此，在临床应用过程中，仿真内镜成为大多数患者能够耐受的非创伤性检查，也让医学生在技能培训过程中更好地模拟现实情况进行操作练习，其最大的特点就是能避免患者出血、感染、穿孔等并发症以及麻醉带来的风险。Takebayashi[15]等首次报道仿真输尿管镜在诊断肾盂、输尿管肿瘤方面的可靠性，认为它能清晰地显示输尿管狭窄部位以及远端、肾盂内的情况，但是限于目前检查技术的障碍，无法很好地显示肿瘤的质地以及对毗邻结构浸润等情况。Neri[16]等人研究MRI仿真内镜发现，当输尿管直径大于5mm时，MRI仿真内镜能够很好地显示肾盂输尿管处到输尿管狭窄处的结构。传统的光学膀胱镜存在尿路感染、穿孔、出血、焦虑等不适，仿真膀胱镜能够明确肿瘤的分期分级，又能确定肿瘤的病灶大小、位置，在临床上的应用范围较广。此外，蔡建良[17]等人的研究发现学员经过泌尿仿真内镜虚拟模拟培训系统训练后，各项软性输尿管操作评分明显有所提高。

3 在肝胆外科临床技能培训中的应用

肝脏有两重血供，又有胆管、肝静脉穿行其中，再加上胆囊位置特殊，造成肝胆系统结构极其复杂，这给肝脏外科的手术医生以及学习者造成相当大的障碍。肝脏的功能非常重要，一旦肿瘤生长在肝脏中央部位以及位于血管和胆管中间，手术难度相当大。这就需要手术者对于肝胆系统解剖结构有非常深的理解，术前制定详细的方案，明确肿瘤和血管树之间的关系，确定手术的入路、术式等。传统的教育方式无法让医学生对肝脏解剖结构形成很好的理解和应用，这就为后期的肝脏外科教学以及手术教学增加难度。董家鸿院士早在2006年就提出“精准肝脏外科”理念，精准外科指的是病情评估、临床决策、手术规划、手术作业和围手术期在内，以手术为中心的外科实践全过程[18]。

现阶段，肝胆外科的手术以腹腔镜为发展主流，传统的术式因为出血多、易感染、恢复周期长等，而被逐渐淘汰。以腹腔镜为主的手术对肝脏的解剖结构要求更加严格，因此如何培养一名优秀的肝胆科医生成为教学医院研究的重点。随着虚拟现实技术的出现，很好地解决这一问题。虚拟现实技术可以360°观察肝脏的解剖结构、肝内肿瘤与血管、胆管的关系，且可以藏匿各管道，让每个学生对肝门部以及肝内结构进行清楚的了解和认识，让学生在脑海里建立三维模型，加深肝胆结构的理解。除此之外，学习肝胆结构的学生可以借助虚拟实验室，反复进行虚拟的尸体解剖和各种手术练习直至熟练和掌握。曾宇[19]等人通过在3D打印技术和三维可视化的基础上采用虚拟现实技术进行肝脏解剖的临床教学，发现该教学模式能明显提高教学效率。吴琛[20]等人的研究结果显示，在肝胆外科超声介入的操作培训中引入虚拟现实技术可以明显提高技能培训的效率。

虚拟现实技术在肝胆外科的术前规划培训中也有较好的应用。虚拟技术可以通过现在已知的影像技术(CT、MRI等)，重建患者的肝脏模型，通过计算机的测量和处理，可直观地显示肝门部以及肝内的解剖以及肝内胆管有无变异；可清楚测量肿瘤的大小和周围的胆管之间的关系，通过数据库分析和对比，显示出最佳的手术入路方式，甚至可以模拟手术的操作全过程，让手术者能够快速掌握手术的技能，降低患者的风险率。Dongen[21]等利用Lapsim微创手术模拟器对不同资质的医生进行训练，发现模拟器均能够提高手术的精准度。

4 在其他手术科室临床技能培训中的应用

临床上，普通外科的传统手术方式已经逐渐被腹腔镜技术取代，普通外科相应的临床技能操作培训中腹腔镜的培训显得不可缺少。由于实习生或规培生在开始学习的时候技术不够熟练，导致教学过程中无法让学生实际操作，相应的临床技能教学无法正常开展。随着虚拟技术的发展，虚拟腹腔镜模拟器在国内外临床技能教学中很好地被使用。此外，Choi[22]等人发明食管镜手术模拟训练系统，在临床外科技能培训中取得良好的效果。国外的研究表明，大多数受训者认为在技能培训中使用腹腔镜模拟器训练是有益的，能显著提升受训者的学习曲线[23-24]。除上述领域外，虚拟现实技术在神经外科[25-27]、颌面外科[28-31]、眼科[32-35]及妇产科[36-38]等手术科室的技能培训中也有应用。

5 展望