虚拟现实在消化内镜培训中的研究进展

梁 宏 管 鑫 华雯俏 姜相君

青岛市市立医院消化科(266011)

消化内镜是诊断和治疗消化道疾病的重要工具，因此对消化内镜医师的培训尤为重要。传统的消化内镜培训模式是基于患者、在临床环境中通过监督、操作、训练进行学习。此种训练方法存在一定弊端，包括增加检查持续时间及其相关经济负担、增加患者的不适和风险等[1]。尤其是在无痛胃、肠镜检查中，除增加内镜检查本身的风险外，还会增加麻醉风险。采用模拟技术训练胃肠道内镜操作的历史可追溯至19世纪60年代，其标志着内镜培训由“手把手”教学向模拟器辅助教学的转变。随着时代的进步，目前的消化内镜模拟器已发展至利用虚拟现实(virtual reality,VR)技术以更好地为内镜训练服务[2]。国外的内镜培训已完成由传统“手把手”教学向VR模拟器辅助教学的转变，而中国的VR模拟器辅助教学仍处于起步阶段。本文就VR技术在消化内镜培训中的应用和研究进展及其优势、局限性和发展方向作一综述。

一、VR模拟器的种类和应用进展

1.VR模拟器的种类：VR模拟器结合了触觉和视觉界面，使学员可在不同条件下学习内镜知识，练习内镜技术。目前商业用途的VR模拟器主要有GI Mentor(3D Systems)和CAE EndoVR(CAE Healthcare)两类,此外亦有非商业用途的模拟器，如Endo TS-1(Olympus Keymed)。近年有研究[3]开始尝试使用头戴式显示器(head mounted display)进行消化内镜培训和检查。

VR模拟器可提供内镜实时图像，学员可通过其进行常规内镜检查、内镜逆行胰胆管造影(endoscopic retrograde cholangiopancreatography，ERCP)、内镜超声检查(endoscopic ultrasonography，EUS)等操作。此外，还可通过计算机模拟患者行为，如患者抱怨不适或需要停止检查，以及模拟术后出血、穿孔、血管扩张反应等不良事件[4-5]。大量证据表明，针对初学者，使用VR模拟器可优化学员的学习曲线、安全性、插管时间等多项指标[6-9]。各种VR模拟器可搭配相应模块用以练习对应的操作，目前市场上开发的模块主要包括上消化道检查模块、下消化道检查模块、EUS模块和ERCP模块。

2.VR在消化道内镜培训中的应用进展：多项研究表明，VR模拟器在新手内镜医师培训方面发挥积极作用，接受过VR模拟器培训的新手学员与传统方式培训的学员相比成绩更为优异[8,10-13]。对于培训时间，一些研究认为5～10 h的模拟器训练即可提高初学者的内镜技能[8,14-15]。

VR模拟器用于下消化道内镜培训目前已发展地较为成熟，多项研究对VR模拟器与传统方式结肠镜培训进行比较，结果显示接受VR模拟器培训的学员，客观评价指标如盲肠插管率和插管时间、解襻时间、总体操作时间、黏膜可视化程度、正确使用腹部压力、结肠镜撤出速度等均明显优于接受传统方式培训的学员[16-18]。VR模拟器还可通过模拟结肠镜进镜阻力、结肠短缩程度、结襻程度等情况给予学员反馈，以获得更好的真实性[4,18-19]。此外，数项研究指出，结合专家实时反馈和自我调节的学习模式比仅使用VR模拟器进行训练更具优势[20-22]。在训练时间和训练次数方面，Haycock等[18]发现，结肠镜训练16 h后，VR模拟器训练组与真实患者训练组相比内镜插入时间更短。而Koch等[23]通过比较VR训练次数发现，VR模拟器训练的学习效果在训练60次后不再提高。一项大型多中心随机对照试验结果表明，在VR模拟器训练后的前80例基于患者的结肠镜检查中，学员能力得到明显提升[24]。

3.VR在ERCP培训中的应用进展：对于模拟器辅助在ERCP培训中的作用，大多数研究系使用机械模型，关注VR模拟器的研究尚少，且目前仍处于明确其有效性的阶段。Bittner等[25]的研究通过使用GI Mentor Ⅱ ERCP模块中的两种治疗方案相结合的形式验证了ERCP模块的结构效度(construct validity)，同时该研究中大多数参与者(92%)表示VR模拟器具有明确的培训潜力。Sahakian等[26]通过使用 CAE EndoVR模拟器证实VR模拟器可区分专家与新手在ERCP操作中的表现，60%的参与者认为VR模拟器有助于提升操作技能，80%认为其可降低ERCP相关风险 。

4.VR在EUS培训中的应用进展：目前仅有GI Mentor可搭载EUS诊断模块，基于该模拟器开发的EUS模块称为EUS Mentor(Simbionix)，可提供基于人体解剖学的实时计算机模拟EUS图像。然而，此种交互式仿真系统仅有助于学习基本的解剖结构，迄今为止，该系统尚不能模拟细针穿刺等操作[4]。Kefalides等[27]指出，必须进一步验证该系统是否提供了真实的操作体验，并认为该系统在作为训练工具使用之前仍需进一步改进。

二、VR在消化内镜培训中的优势

1.客观评价学员能力：由新手进行内镜检查存在一定的并发症风险，对患者具有潜在的安全损害，且缺乏客观评价标准。为克服传统培训的缺点，内镜检查的培训正逐步向规范化培训转变。与传统“手把手”教学相比，VR模拟器可通过使用一些客观指标，如总体操作时间、效率、环路形成、盲肠插管时间、黏膜可视化程度等评估操作者的技能掌握情况，并可通过计算机分析操作者的行为并发现错误。对于VR模拟器的模拟效果评价，多使用结构效度这一指标，结构效度来自于询问内镜专家，通过客观评价VR模拟器的仿真度进行评价。对于目前使用的VR模拟器，Ekkelenkamp等[7]进行的高质量系统回顾显示，Simbionix GI Mentor VR、GI Mentor、Endo TS-1进行消化内镜培训的有效性良好，可明显提高初学者的学习曲线。另有众多研究表明，可通过构造具有有效结构效度的VR模拟模型建立客观的学员评价系统[19,28-29]。

2.有助于消化内镜培训的规范化：近10年来，一些消化内镜培训已较为成熟的国家陆续建立起基于VR技术的消化内镜规范化培训流程。在美国，胃肠和内镜外科医师学会要求所有在2017—2018学年或之后毕业的外科医师必须完成名为内镜外科基础(fundamentals of endoscopic surgery,FES)的测试方能获得认证，该测试系用于评估内镜医师的基础知识和技能，从而建立更为安全的内镜检查流程[30]。Vassiliou等[31]使用VR模拟器按顺序排列5个FES任务中的每一项任务，为监考人员提供了标准化脚本，并对其进行培训以管理考试，这5个任务的得分显示出良好的可靠性，有助于提高内镜检查能力，同时亦为VR模拟器用于标准化内镜培训提供了证据。美国德克萨斯州外科技能实验室学会开展的一项多中心研究[32]基于共享GI Mentor Ⅱ腹腔镜模块开发的平台，建立了新的适用于消化内镜训练的培训课程。在英国，Suzuki等[33]应用多层面课程表(内容包括使用VR模拟器训练和内镜知识评估、基本的操作技能练习)，并将其与有经验丰富的高级内镜医师在场的真实环境中的现场案例相结合，随后进行自我反馈和监督者反馈分析，发现新手医师的内镜知识和操作技能获得明显提升。

近年来，一些发展中国家也开始逐步建立新的消化内镜培训课程。一项来自阿根廷布宜诺斯艾利斯大学的研究[34]实施了包含3个项目的VR消化内镜培训课程，观察到在心理素质和内镜技能方面，训练前与训练后的差异有统计学意义。我国的内镜规范化培训尚处于起步阶段。张杰等[35]使用Simbionix GI Mentor Ⅱ模拟器，采用1周VR+1周真实+1周VR+1周真实的内镜培训模式，分析显示模拟器与真实内镜交替进行更有利于提高学员的内镜学习效果，但该研究未就培训中的时间阈值和学习曲线作出详细说明。

3.降低传统培训的费用支出：传统消化内镜培训需内镜专家耗费大量时间和精力去训练学员。一项成本分析研究对早期内镜培训的财务负担进行了量化，结果显示，培训新手内镜医师使得每台手术时间延长了10.0%～37.5%，平均每台手术损失565美元[4]。购买一台VR内镜模拟器的费用为49 950～134 000美元，模拟器带有基本的检查模块和设备单元，而更先进的模块，如ERCP和EUS则需单独购买附加设备。尽管购买一台VR模拟器的成本较高，但从长远角度考虑仍具有成本-效益优势。在中国，由于各地经济水平和医保政策的差异，关于VR模拟器培训的研究有限，在消化内镜领域，VR模拟器相较于传统训练方式的经济优势并不明确。

4.减轻患者不适，降低医疗风险：传统消化内镜训练方式是新手学员由高级内镜医师在旁监督，直接对患者进行内镜操作以获取内镜技能，此种方式可能加重患者的不适。众多研究证据表明使用VR模拟器教学与传统教学相比可减轻患者的不适，在由VR模拟器训练的学员进行的操作中，患者经历的疼痛明显较轻[14,16,18,36]。此外，传统训练模式所带来的手术时间延长还可能增加无痛胃、肠镜检查的风险。研究[37]显示，2010—2015年美国使用无痛胃、肠镜进行了428 947例次检查，共报道了4 441例次并发症(1.03%)，严重并发症1 349例次(0.31%)，并认为较长时间的内镜操作与严重并发症显著相关。而在内镜培训早期应用VR技术可缩短实际操作时的总体操作时间，由此尽可能地降低麻醉相关风险[17,23,34]。

三、VR模拟器的局限性和展望

目前VR模拟器仍处于发展阶段，由于现阶段技术尚无法再现人体组织的弹性、组织特性和触觉反馈，VR模拟器对于高级别的内镜切除术如内镜黏膜切除术(endoscopic mucosal resection,EMR)、内镜黏膜下剥离术(endoscopic submucosal dissection,ESD)的培训效果并不理想，目前EMR和ESD仍多采用离体模型进行训练[38]。但有研究[39]采用认知任务分析的方法，识别与ESD程序任务相关的认知主题，这可能为基于VR模拟器的ESD培训系统设计提供信息。随着VR技术的不断进步，带有触觉反馈的VR设备已开始应用于外科手术培训领域[40-41]。因此未来VR模拟器可能在高级内镜技术的培训中获得更高的有效性，从而有利于EMR、ESD等高级消化内镜技能的培训。

VR内镜模拟器通常用于内镜训练，尽管其在外科手术中亦有较广泛的应用[42-44]，可用于术前模拟术中操作、术中出血、术中烟雾等情况，但少有研究关注VR模拟器在消化内镜检查中的价值。近年Hann等[3]对VR模拟器用于内镜检查进行了深入研究。研究者使用头戴式显示器VR模拟器Oculus Rift(Oculus VR)和HTC VIVE (HTC Corporation)，利用跨平台游戏引擎Unity开发了一款系统，该系统可用于放大内镜医师头部向前移动时的内镜图像，从而实现在实时内镜检查过程中放大感兴趣区域，称为直观缩放，这一成果还提示更轻便、价廉的头戴式显示器或许也适用于消化内镜培训。此外，该研究还使用光强度实现了3D重建，并认为其有利于内镜医师根据内镜下消化道浅表性肿瘤巴黎分型更好地评估病变。

2017年发布的《中国早期胃癌筛查流程专家共识意见(草案)》[45]指出，我国早期胃癌的诊治率低于10%，远低于日本(70%)和韩国(50%)，中国应进一步建立并完善癌症筛查和早诊早治策略，而胃镜检查仍是胃癌诊断的“金标准”。日本政府已于2016年将胃癌内镜筛查作为一项国家计划，但由于农村地区医疗资源不足，开展胃癌筛查仍较困难，缺少合格的内镜医师是制约内镜筛查的关键因素[46]。而在我国，缺少合格的内镜医师同样是实施胃癌筛查计划的主要阻力之一。2012年普查数据显示，我国共有26 023名消化内镜医师，占全部注册医师的1.06%，每百万人口仅拥有消化内镜医师19.59名，远低于发达国家水平(日本132名/百万人口)[47]。随着我国城市化进程的不断加速，医疗资源将不断向城市集中，率先在城市中开展大规模的消化内镜医师培训和消化道肿瘤内镜筛查成为可能。在全国各地三甲医院建立消化内镜培训VR基地，以三甲医院为主要培训点，向下级医院输送经培训人员的新的规范化培训模式将成为未来的趋势。

总之，随着消化道肿瘤筛查项目的扩大和人民生活水平的提高，越来越多的患者和无症状健康人群将接受消化内镜检查。VR模拟器具有客观性、安全性、经济性等优势，其应用有助于逐步推进和完善我国消化内镜医师的规范化培训模式。