利用VR技术构建海战环境中手术技能培训的应用

庞 涛，姜晓瑜，水锨崎，宋 超，张 磊，郑勇军，刘 洋

(海军军医大学附属长海医院外科教研室，上海 200433)

虚拟现实技术(virtual reality，VR)，通过结合计算机、电子信息、仿真等技术，构建虚拟环境，是使用者具有环境沉浸感的一项实用技术[1]，目前，该项技术已广泛应用于游戏设计、军工、医疗、教学辅助等各个方面[2]。目前各个医学院校针对临床医学生的手术训练，主要通过传统尸体解剖直接过渡到手术室的观摩，或是见缝插针的在患者身上“练手”，不但缺乏关联性，难以形成系统化的教学，而且存在较高的潜在风险。这也造成很多学员手术学习机会不对等，形成越没有“悟性”，动手机会就越少的恶性循环。临床军医除了面临以上问题外，毕业后大部分身处一线作战部队，包海岛、舰艇、潜艇等，主要担负着随船官兵的医疗、预防、保健等任务。大多按舰艇编制配备，流动性差，缺乏后续有效的继续培训，目标及针对性也不及美军突出，由于条件及相应政策限制，部分军医存在工作积极性主动性不高，业务能力提高明显受限，应对突发及战时情况特别是急救手术能力较差[3]，而相关的继续教育主要依靠海上卫勤演习实施，以活体动物为主要实施对象，存在成本支出高，缺乏实战适应性，训练效果不理想等不足，无法独立开展紧急手术，如果战时，无法形成有效的救治力量。由此，我们提出了构建基于虚拟现实技术构建海战环境下的手术训练系统，从而可以让学员更好地应对海战环境下的手术实施，在提高心理素质、加强手术技能、熟悉救治流程和应对突发事件等方面均得到充分训练，同时也降低了训练成本，缩短了学习曲线。

1 海战医疗急救手术特点

各类大规模杀伤武器，包括：导弹、鱼雷、核生化武器、海水浸泡等的使用，使现代海战的伤类、伤情复杂严重[4]，而这些伤情在军医平时较为少见，学员多从书本获取相关理论知识，实践技能匮乏，应对复杂伤情，手术目的以快速急救为主，维持伤者生命体征，为后送医疗支持争取时间，手术准备时间有限，对医生手术方式决策、解剖要求及手术技能要求较高，而这些正是缺乏实践经验军医的弱势，第二次世界大战中，美国所有参战舰艇返航率的14%是因为舰艇军医不能独立处理伤员而造成的[5]，所以一线军医如何应对复杂伤情的急救手术成为海战医疗的最大难点。

在海上环境下，海战伤的外科处理具有手术处理时间长、手术风险大、手术治疗效果差等特点[6]。海上风浪较大时，舰船摆幅较大，不但会降低手术操作精度，延长手术时间，而且易造成术者出现晕船症状，以致无法完成手术。因此平时除了常规抗晕训练外，在晃动中的手术操作技巧也应加强训练[7-8]。海上湿热环境对医务人员、患者影响也十分明显，体力消耗大、影响切口愈合[9]，同时由于海水高渗、碱性、低温的理化性质，对浸泡组织造成严重影响[10]。这是海战时进行手术的另一大难点。

海战时，战斗也可引起军医一系列的心理生理应激变化和损害，战争环境中的手术往往对医护人员造成较大的心理压力，甚至心理冲击[11]。因此，适应海战环境下应激状态下的手术训练，也是海战急救手术的又一难点。

2 VR技术在外科手术中的应用

2.1 清晰的解剖

VR允许以与自然感知相同的方式向所有人类感知呈现虚拟对象[12]。德国汉堡 Eppendof大学构建了三维全息人体虚拟解剖系统(VOXEL-MAN)，不但可以通过这套系统了解各脏器的位置、结构、血供等诸多解剖情况，还可以模拟放射成像及各种操作，如解剖、手术、穿刺等。从而避免了传统解剖场地限制、尸体使用，缩短了学习时间[12-13]。这也为构建模拟手术系统提供了基础条件。

2.2 外科手术培训

柳叶刀全球外科手术委员会的数据显示，由于外科手术培训体系不健全，仍有50亿人无法获得安全、负担得起的手术[14]。虚拟手术通过建模、全息人体解剖、应力变形仿真、传感、反馈等技术，构建虚拟手术操作，可有效提高受训者的手术操作技能，减少手术失误，并通过反复训练课提高手术精度、缩短手术时间[15]。VR手术环境已在皇家伦敦医院首次全球直播成功试用，同时可构建各种手术突发情况模块，如出血、损伤周围脏器及各类手术并发症等，避免初学者在患者手术时引发的安全问题，并且可通过模拟器的客观数据，监控学员的进度、进行伤害评价、患者监测以及创伤管理[16-17]。Panait[18]等研究表明VR培训应用于普外手术中，可明显提高培训者的技能水平及灵活性。沉浸式虚拟手术训练系统(MinimalInvasive Surgery Trainer-Virtual Reality, MIST-VR)，如LapSim系统，是一种常用的VR模拟器，具有更高级的图形界面，具有从摄像头处理到腹腔镜胆囊切除术，结肠切除术，疝气修复和减肥手术等程序的多个模块[17]。2004年由美国胃肠内窥镜外科医师学会(SAGES)制定的腹腔镜外科基础知识(FLS)培训计划，已形成集技能训练和评估于一体的培训系统[19]。随着虚拟现实技术的不断完善，如高保真性和触觉反馈的出现，使VR技术在手术训练中越发真实，也越发具有普及意义。

2.3 VR技术模拟海战环境下紧急外科手术的培训

对于海上急救手术的训练，目前主要通过传统授课模式，通过书本教材、临床常规案例、录像教学及急救操作等方法进行，大多数学员在有限的时间内接受效果不理想，而且缺乏结合舰艇相关的多发病、海战伤的培训内容，并难呈现多维度的战场环境，战创伤救治实战要素构成不全面[20]，而较大规模的卫勤演习，虽已有海上环境及动物实验，但海浪大小、伤情病情等仍无法实现针对性训练，VR技术可构建贴近适应实战的训练模块，通过构建海战环境模型，使受训者在感官层面身处战争现场，再通过VR技术特有的前瞻性及预见性优势，模拟不同战争类型及复杂伤情，还可在训练的推进过程中模拟战情和伤情的各种演化进程。在我国，陆军军医大学已着手基于VR 和 AR 技术的虚拟仿真实验教学中心的建设[22]，不但适应模拟战场环境的需要，也为各种高危教学及高难度操作提供平台，并避免了教学及实验资源的浪费[21]，有效地积累战伤手术救治经验。VR手术训练模型及海战环境模型结合，可有效提升军医应对作战环境下手术救治的能力。

3 VR技术模拟海战环境下紧急外科手术培训的优势及意义

3.1 VR技术在外科手术中的应用优势

①VR技术提供了手术中快速定位病灶(肿瘤、感染部位等)和腹腔关键部位、结构(动脉、血管、神经等)的引导和判断作用；②有助于在手术学习期间，实时获取图表、手册、注释及语音指导信息；③设置虚拟手术路径，保证手术切除范围，并避免副损伤[22]。

3.2 多重模型相结合的优势

指构建VR场景所需的所有数学模型。包括视听觉模型，我院已成功使用高科技的音像设备，如PD3投影仪、环形屏幕、高保真音响、动感座椅等，可模拟海浪、爆炸等视觉、听觉刺激，建成虚拟现代战场环境的学员训练教室[11]。分级救治模型，根据战斗类型不同，造成伤员伤情轻重缓急不同，将伤员进行分级救治，从而对伤病员救治进程及结果产生影响。此模型可以我军卫勤分级救治为基础[23]。伤情模型，模拟在不同海战现场出现的各种伤病情，以至于受伤部位、严重程度等。手术模型，构建已较为成熟，可基于我院各类急症、创伤类病例数进行收集，纳入丰富素材至VR培训系统。救治效果模型，根据患者伤情、分级后送准确性、手术效果及治疗资源等情况演化病程进展，判断救治效果，也可由此作为判断训练成果标准。目前已有手术模拟的人机交互设备，但针对海战场景及救治模式并未研发，依据海战伤的特殊性，收集大量数据及训练样本，不断完善训练模块。

3.3 远程医疗对接加强技术支持的优势

有报道显示，VR技术的手术教学训练系统也可与远程医疗、辅助检查、影像检查等系统进行对接[24]，美国陆军早在2003年建立作战前沿远程医学系统，该系统可以获得前线战士的生命体征、身体状况信息，通过远程技术进行医疗支持[25]，随着5G时代的来临，信息的传递越来越便捷，远程教学、远程训练将会得到大范围普及。而舰艇军医也可从输送给后方医院的“伤情”信息反馈得到更准确的救治指导和指正，这不但可以应用于平时训练，也可应用于战时急救，可收到一举多得的效果。

3.4 在模拟训练过程中大量数据积累不断调高训练效果

一名临床外科医生的培养很大程度上是在临床工作中点滴积累，较少的动手机会以及较大的风险致使外科手术的培训较为缓慢，训练量和频次也难以控制[26-27]。而海战伤救治积累的数据病例更为有限，因此，在以往的训练模式下仅仅通过训练舰出海对动物进行手术救治的卫勤演练，时间紧张，可重复性差，成本较高。VR技术的引进，可以在不断模拟改进和扩增素材，借助人工智能算法，生成合理的模型数据，有效地提高了海战救治训练的持续改进和优化[28]。

4 展望

虚拟现实技术目前已广泛应用于军事、教学和医疗，美军已将其应用于高级创伤救治技术模拟训练系统 、胸部创伤救治模拟训练系统、VR-Demo精神运动技术训练系统和环甲软骨切开术模拟训练系统。美陆军利用国防部的高级军事演习模拟的伤员具有出血、休克，显示创伤和病理学引起的生命体征变化的功能，而受训人员除了具有视觉、知觉、触觉、声音等，还包括力反馈以及手术者的“感觉”[25]。我军自海军成立以来，真实海战实战少，海战救治经验积累较少，为战而准备的系统化、大规模有效海上救治训练难以实施，而VR技术的更大优势是它和军事仿真模拟结合起来，既能创造出逼真的海上环境、战场环境、战斗场景，是受训者应对晕船、应激等方面得到锻炼你，同时，模拟系统会随着环境改变、救治流程选择不同以及手术操作推进演化手术训练的“伤者”预后[29]，以此多因素影响下的海战手术训练模式可进一步提高我军的海战救治能力。