腹腔镜技术系统虚拟仿真实训平台的构建和应用

邵永 ，李颖 ，李龙 ，黄琳燕 ，洪健 ，姚立彬 ，朱孝成 ，曾令宇

1.徐州医科大学附属医院减重代谢外科中心，江苏徐州 221004；2.徐州医科大学医学技术学院，江苏徐州 221004

虚拟现实医学创始人凯斯科萨瓦达斯曾指出：“医学已经进入精准医疗、人工智能、虚拟现实的时代，需要借助新技术来提升医学教学质量和水平[1]。 ”《2018 年教育信息化和网络安全工作要点》（教技厅 [2018]1 号）文件中要求要“加快推进示范性虚拟仿真实验教学项目建设”。 由此可见，作为临床医学教学改革的重要举措，虚拟仿真教学必将成为未来发展的重点方向。

减重手术最早应用于治疗肥胖症，既可有效减轻体重，还能改善肥胖相关性疾病[2-3]，已成为肥胖症治疗的“金标准”。但是，由于受缺乏统一的培训大纲、质量控制标准等因素的影响，较大地限制了减重代谢外科的健康发展[4]。 利用现代信息技术和数字化资源开发虚拟实训教学软件，通过网络平台实现虚拟实训教学，其优越性和效果是不可估量和不可比拟的[5]。

1 平台的软件要求、硬件保障和技术指标

1.1 网络条件及软件环境

平台以校园网为基础进行构建，与学院门户网站及教务管理系统等互联，并可接入互联网。 学院设有专用高性能服务器， 可靠地保障了高流量使用和多点访问，能够满足500 人同时使用的网络要求包括服务器带宽不低于100 M，校园网接入方式终端访问带宽不低于20 M，互联网接入方式终端访问带宽不低于50 M。

平台的软件环境支持Microsoft 公司正版服务器操作系统。 ①服务器：操作系统 Win server 2012 及以上版本；②终端：Windows10 及以上均可；③浏览器：Chrome（谷歌） 版本 103.0.5060.114 或360 极速浏览器版本13.5.2022.0，分辨率建议调整：1920*1080。

1.2 硬件保障

目前配置的硬件设施可容纳70 余名学生在线开展虚拟实训实验。 ①服务器配置：CPU E5-2620V4/内存16G*2（DDR4 -2133MHz）/硬盘 1T*2/电源 495W 单电，塔式或机架；②终端使用要求：电脑配置达到或高于（电脑配置：CPU i5 以上，4 G 独显，256 G 固态硬盘） 或者新建不低于以上配置的机房，学生自备电脑均可使用。

1.3 技术指标

平台为B/S 架构，支持通过PC 浏览器访问平台，方便网络化开放管理及日常应用，可支持基础医学、临床医学等实训教学课程的线上教学。 平台可将基础知识、标准视频、案例分析、课程管理、学习任务发布、在线训练及考核等各阶段学情数据进行统计分析，形成阶段性和形成性评价报告供用户参考。 平台具有良好的扩展性，可根据教学实际需求实现平台容量和功能的扩充及与其他网站相链接，且支持离线任务。

2 平台功能模块

平台采用模块化设计，主要包括5 个模块：①腹腔镜系统模块；②腹腔脏器解剖模块；③手术技能训练模块；④病例库模块；⑤测评考核模块。实训中有引导和考核两种模式，引导模式自由练习，考核模式记录成绩，所有实训项目均可交互和重复。

平台软件分服务端和客户端两部分。服务端配有独立数据库和服务端运行程序，通过管理员操作可为虚拟实训提供全面的辅助服务。客户端可提供用于操作的虚拟腹腔镜设备和器械，运用多媒体技术在平台上营造临床腹腔镜手术各环节的虚拟实训情境，学员可通过人机交互完成仿真模拟实训。 此外，平台留有充足的开放接口，可根据需要拓展其他学科虚拟实验、微课、试题等数字化资源，形成多专业课程交叉融合、共建共享的教学平台。

3 平台使用方法

3.1 平台登录

平台支持与院校统一登录认证系统对接，实现一站式登录。 电脑系统win7 及以上64 位操作系统，校区内登陆时可选择局域网网址：http://172.27.0.67:1234，校园网服务器链接直接访问平台首页。 校外登陆时教师、学员需登陆徐州医科大学网站，通过VPN 账户登录。 平台首页界面登录用户类型有管理员、 教师或学员3 种，分别输入各自的用户代码和初始密码进入系统，即可完成权限允许的任何操作。

3.2 管理员端操作

管理员进入界面后可以创建、删除和导入所有类型用户，维护学校、院系、年级及班级等信息，查看实验成绩、学习日志及管理日志等，实现对虚拟仿真实训教学的管理。

3.3 教师端操作

教师端可以创建和编辑课程、题库和试卷，进行教学资源上传等操作。 点击进入教师端，再点击添加试题按钮，选择试题类别、试题难度，试题题目及答案解析之后，点击保存试题按钮；随后点击实验详情页面测试按钮，进入试题页面即可看到该试验下的所有试题。

3.4 学员端操作

实验中的引导模式可自由练习。学员可在互联网内的任何一台电脑上进行交互式操作，通过账号密码或手机验证码在仿真实训平台上登录，即可进行相应实训项目的学习和训练。

3.4.1 腹腔镜仪器虚拟实验 点击进入腹腔镜系统任务栏，学员可通过三维虚拟仿真场景，学习腹腔镜系统设备的结构、原理、功能、使用方法及注意事项，并可仿真演示、操作、控制其临床实际工作过程。

（1）组件：①显示器；②摄像主机；③摄像模块；④冷光源；⑤气腹机；⑥摄像头；⑦光学镜；⑧刻录系统；⑨3D 摄像头；⑩手术器械。

（2）组装：①在台车上自上而下放置显示器、主机、模块、冷光源、气腹机及刻录系统，连接所有设备的电源；②连接模块和主机的数据联系；③连接主机和显示器DVI 数据线；④连接摄像和模块；⑤连接气腹机至钢瓶；⑥导光束连接光源和光学镜，光学镜卡入摄像头。

（3）调试：①打开主机、冷光源、摄像模块和气腹机，调节白平衡、清晰度及焦距；②光源亮度调至1/3 处，气腹机压力调至12~15 mmgh；③连接腹腔，建立气腹，穿刺器打孔；④将光学镜置入腹腔开始提供画面。

3.4.2 腹腔脏器解剖及腹腔镜技能训练虚拟实验 学员点击进入脏器解剖任务栏，选择对应项目可模拟观摩虚拟患者脏器解剖，使学员看到的解剖结构更真实、清晰。点击进入各步骤界面后， 就会出现契合此教学环节的图、文、音、视、动画等素材。

手术技能训练任务栏中，学员可在虚拟场景中使用腹腔镜器械进行钳夹、止血、切割等操作训练，并可将每一个操作分解，不熟练的部分进行重复练习。 每完成一个操作步骤，均可看到相应的实时影像，系统适时出现语音、动画或弹出对话框，对操作要领、原理、相关知识等提问、注释，对错误的操作或执行进行提醒、打分、修正，以保障实操训练的规范化和安全性，此软件获得了国家版权局计算机软件著作权。

3.4.3 病例库虚拟实验 点击病例库任务栏进入技能训练类型选择界面， 有 “腹腔镜袖状胃切除术（LSG）”/“LSG+双通路术”等标准化虚拟仿真手术等实训项目可供选择。 进入该项目分步技能实训，可学习包括病例特征、术前准备、手术过程、操作要点及注意事项等内容。

（1）临床案例：王某，男，30 岁，因“进行性体重增加5 年，伴血糖进行性增高3 月”入院，身高170 cm，体重110 kg。 诊断为“代谢综合征、糖尿病”，拟在全麻下行“LSG+双通路术”。

（2）术前准备：①手术环境保持安静，地面及设备清洁。 湿度在50%~60%，温度在18~22℃。②患者准备：术前 12 h 禁食，4~6 h 禁水； 做好个人卫生， 注意切口清洁；入手术室前摘除贵重物品及假牙，戴好手腕带。③医务人员准备：着装规范，准备手术器械，核对患者信息。

（3）模拟减重手术过程：①全身麻醉；②患者取平卧位并固定；③腹部消毒、铺巾、铺单；④连接气腹机器、腔镜机器和光源；⑤连接手术器械；⑥经脐部建立气腹；⑦置入腹腔穿刺鞘；⑧悬吊肝脏；⑨经患者口腔置入胃支撑管，并调整至合适位置；⑩超声刀游离胃大弯侧大网膜；11○将胃支撑管放入至胃窦，沿胃支撑管使用腹腔切割闭合器将胃大弯组织切除；12○胃大弯侧切缘全程包埋缝合；13○取出胃组织，检查术区无出血；14○取小肠与胃窦行胃肠吻合术；15○关闭肠系膜裂孔；16○置腹腔引流管，关闭切口。

3.4.4 虚拟实验测评考核 本软件既能了解学员对此次操作的整体认识及完成等级情况，可对操作熟练度有量化认识，还可通过练习数据的对比发现操作时没关注和需要改进的地方[6]。实验中的考核模式可记录成绩。测试题只有在老师添加试题后才会出现，点击“测试”可答题练习，点击“实验报告”可填写实验报告，点击“查看结果”可查看提交的实验成绩，页面最下方可提交留言。

4 平台使用效果

4.1 平台使用

自2020 年开放运行以来， 医学技术虚拟仿真实训平台的使用达到3 170 人次。 项目已服务本校2019 级、2020 级医学检验专业本科生实验实训教学， 共计200余人，师生反映良好，取得了较好的教学效果。

4.2 问卷调查

对106 名学员通过平台开展实训教学进行了问卷调查，回收且有效的答卷106 份，回收率为100%。 统计结果显示对通过平台开展实训教学的满意度高，71.7%学员认为通过平台可获得更多的实训机会，81.2%学员认为平台有利于理论知识的理解和掌握，69.8%学员认为有较高的现实意义和推广价值。但也有少数学员对实训平台某些方面的评价持否定态度。 见表1。

表1 学生对于通过平台开展实训教学的评价[n(%)]

5 平台的应用价值

开展虚拟仿真实训可将线下教学中难以表现的操作通过线上加以展现，实现操作者与虚拟环境之间的互动与反馈，激发无限的想象力和开放性思维，给予学员身临其境的感官刺激，获得接近真实的临场感受和实验效果[7]。

5.1 提高教师水平，增强教学效果

软件不仅可模拟手术过程及关键操作步骤[8]，还有助于学员更好地掌握腹腔脏器解剖和手术技能，增强实训教学效果。通过虚拟仿真软件模拟腹腔镜技术系统训练，可培养一批懂解剖、会带教的专培师资，以提升手术带教水平和效果。

5.2 优化教学模式，利于学员实训

虚拟仿真技术具有沉浸感、真实感和实时性等优势[9]，学员既不用担心因操作失误造成实验设备的损坏，还可通过人机互动对训练过程进行评价、反思和改进，大大激发学员的自主学习热情，并提供给学员更多的训练机会。

5.3 丰富教学资源，促进学科建设

平台的搭建大力推动了医疗资源向教学资源的有效转换[10]，丰富了教学资源并实现了开放共享。 实践证明，外科医生在虚拟仿真技术实训后其临床技能得到快速提高。很多专业尝试开展了虚拟仿真腹腔镜手术教学[11]，在取得良好教学效果的同时，也推动了学科建设。

6 反思及设想

平台的应用较好地解决了医学专业核心技能课程的实训问题， 既能利用现有的教学资源实现共用共享，又有利于提高实训质量，具有一定的现实意义和推广价值。 随着实践教学的开展也发现了一些问题，如网络环境不稳定、系统安全性欠佳、教学资源不足及学员计算机能力差异大等，给实训教学的实施与管理带来了一定的困难[12]。

为适应教育信息化的趋势， 保证项目的可持续，今后的建设重点是开辟新的模块软件，打造更多的网络精品课程[13-14]。同时，开发多版本（PC 版、移动版、虚拟现实版等）虚拟实验实现“多平台虚实结合”实训教学，不仅保障全方位、多途径的技能训练，还可满足不同区域、不同层次高校的需求。 此外，采用开放式虚拟仿真实验教学管理能提供跨专业、跨学科应用的开放环境，使之成为更广范围内实训教学的共享资源平台，不断提高学校的现代化教育教学水平。