虚拟现实技术在腹腔镜手术培训教学中的应用效果Meta分析

薛伟男，武慧铭，赵思佳，刘彦龙

(1.哈尔滨医科大学附属肿瘤医院结直肠外科，黑龙江 哈尔滨，150081；2.哈尔滨医科大学第三临床医学院医学影像学系)

自1987年法国医生Mouret开创了腹腔镜手术的新时代[1]，近年腹腔镜手术逐渐成为腹部外科医生的必备技能。但同时，腹腔镜手术具有操作难度大、培养周期长等特点，这使年轻医生的培养遇到了挑战。虚拟现实(virtual reality，VR)作为新兴技术，以其仿真程度高的特点，受到腹部外科医生的青睐，越来越多关于VR技术在腹腔镜手术中应用的研究如雨后春笋般涌现[2]。通过将VR应用于腹腔镜手术的培训教学，不仅可训练腹腔镜手术的基本操作，还可仿真模拟手术操作的整个过程，使受训的医生及医学生身临其境地模拟在真实人体上完成手术操作。但同时相较其他培训教学方式，基于VR的腹腔镜手术培训教学系统也有费用较高、便携性较差、后期需要大量的维护与技术支持的缺点[3]。本研究旨在通过研究基于VR的腹腔镜手术训练系统是否有效，以及与其他训练方法相比效果有无差异，总结腹腔镜手术教学培训与推广的经验。

1 资料与方法

1.1 检索策略 中文检索关键词：虚拟现实、培训教学、虚拟教学、腹腔镜手术、腹腔镜检查、腹腔镜辅助手术、妇科、泌尿外科、结直肠外科。英文检索关键词：Virtual Reality、VR、training、virtual teaching、laparoscopic surgery、laparoscopy、laparoscopic assisted surgery、gynecology、urology、colorectal surgery。检索关键词通过“AND”与“OR”拼接使用。限定英语与中文为检索语言在中国知网、万方、NCBI、Medline、Springer数据库检索截至2021年8月的文献，并将查阅论文的参考文献作为补充。

1.2 文献选择标准 纳入标准：(1)与腹腔镜手术培训教学相关的随机对照试验；(2)纳入研究的参与者均为医学生、实习生、住院医生、专家;(3)已公开发表的文献；(4)可获得本研究所需的关键数据，且统计方法正确。排除标准：(1)个案分析、基础研究、摘要、会议文章、评论；(2)非中英文稿件；(3)无法获得研究所需要数据；(4)重复发表。

1.3 质量评估与数据提取 在推荐分级评估、制定与评估工作组的指导下，使用GRADEprofiler 3.6评估本研究纳入的文献质量。文献质量由两名评价员独立进行评价，如遇分歧则请教第三名评价员，并讨论解决。数据的提取由两名研究者独立进行，全程采用盲法，并在最后进行核对。对文献全文仔细阅读，并对分歧进行讨论。提取的文献信息包括作者姓名、出版年份、VR训练设备类型、参与者数量、评估方法、主要结果。提取的数据包括VR组与无训练组相比，基于操作时间与评分的评价；VR组与箱式训练器组相比，基于操作时间与评分的评价；VR组与传统训练组基于得分的评价。

1.4 统计学处理 首先应用EXCEL进行数据的整理与计算。数据分析时采用Cochrane协作网提供的 RevMan 5.3软件。因为所纳入研究采取的测评手段有所区别，因此使用标准均数差(standardized mean difference，SMD)作为综合效应值，以消除实验数据尺度不同带来的影响。在RevMan 5.3软件中各项研究进行χ2检验异质性。若P≤0.10且I2≥50%说明纳入文献间具有异质性，选择随机效应模型，反之则说明参考文献之间具有同质性，选择固定效应模型。

2 结 果

2.1 纳入文献的基本情况 剔除同一作者不同时期的文章及同一项实验的不同文献，以及个案分析、基础研究、摘要、会议文章、评论。最终纳入14项随机对照研究，涉及426名医生及医学生，其中应用VR组纳入210人，无训练组64人，箱式训练器组93人，传统训练组59人。文献筛选流程见图1，文献基本情况见表1，研究资料基本情况见表2。纳入文献偏倚风险的具体内容见图2，可见只有一项研究的偏倚风险相对较高。低风险、高风险及不明确风险比例的偏倚风险总摘要见图3，可见所纳入的大部分文献只有实施偏倚不明确，大部分文献其他偏倚风险较低。整体而言，所纳入研究的文献质量高。

图1 文献筛选流程

图2 所纳入研究偏倚风险总结

图3 所纳入研究偏倚风险摘要

2.2 Meta分析结果

2.2.1 VR组与无训练组训练效果的比较 6项研究对比了VR组与无训练组基于操作时间评价的训练效果，Meta分析结果发现，VR组操作时间较无训练组显著缩短[SMD=-0.94,95%CI(-1.31,-0.57),P<0.00001],异质性检验I2=0，P=0.77,异质性低,采用固定效应模型，见图4。2项研究对比了基于评分评价的训练效果，Meta分析结果表明，VR组训练得分较无训练组显著提高[SMD=1.39，95%CI(0.67，2.10)，P=0.0002]，异质性检验I2=34%，P=0.22，异质性低,采用固定效应模型，见图5。

图4 VR组与无训练组操作时间比较的森林图

图5 VR组与无训练组得分比较的森林图

2.2.2 VR组与箱式训练组训练效果的比较 5项研究对比了VR组与箱式训练组基于操作时间评价的训练效果，异质性检验I2=83%，P=0.0001，异质性较高，通过逐一排除文献法进行敏感性分析发现，剔除Mohammadi的研究后(图6)，研究异质性降低为低异质性I2=0，P=0.40，采用固定效应模型，Meta分析结果显示，VR组操作时间较箱式训练组明显减少[SMD=0.54，95%CI(0.16，0.92)，P=0.006]。3项研究对比了基于评分评价的训练效果，Meta分析结果(图7)表明，两组得分差异无统计学意义[SMD=-0.21，95%CI(-2.37,1.94)，P=0.85]，异质性检验I2=88%，P=0.0002，异质性较高，通过逐一排除文献法进行敏感性分析后无明显改变，提示Meta分析结果稳定，因此采用随机效应模型。

图6 VR组与箱式训练组操作时间比较的森林图

图7 VR组与箱式训练组得分比较的森林图

2.2.3 VR组与传统训练组训练效果的比较 3项研究对比了VR组与传统训练组基于得分评价的训练效果，异质性检验I2=89%，P=0.0001，异质性较高，通过逐一排除文献法进行敏感性分析发现剔除Nickel的研究后，研究结果发生变化(图8)，研究异质性降低为I2=55%，P=0.14，采用固定效应模型，VR组得分较传统训练组高[SMD=1.98，95%CI(1.08，2.88)，P<0.0001]，该文献对研究结果的影响较大，造成结果改变的原因可能是系统或专家评估的具体任务存在差异。

图8 VR组与传统训练组得分比较的森林图

表1 文献基本情况

续表1

表2 研究资料的基本信息

3 讨 论

随着精准医学的快速发展及临床医生对微创外科理念的不懈追求，腹腔镜手术逐渐成为大部分腹部手术的首选，较传统开放手术，具有创伤小、脏器功能干扰轻、康复快等优点。近年，达芬奇手术机器人系统的普及更是让腹腔镜技术达到了前所未有的新高度。但与此同时，腹腔镜手术具有操作难度大、培养周期长等特点，这使年轻医生的培养遇到了不小的挑战[18]。随着科技的发展，基于VR技术的腹腔镜培训教学系统应运而生，其在解剖教学、手术入路培训、视频学习等方面的独特优势，可明显缩短青年医生与医学生的学习曲线，近年逐步在我国医科院校、医院的教学培训中得到推广应用，成为推动智能医教改革发展的技术力量[19]。

基于VR技术的腹腔镜培训教学系统利用多媒体技术、数字影像技术与仿真技术相结合生成逼真的视、听、触觉一体化的虚拟手术环境，受训者借助手术设备及VR设备对虚拟环境中的解剖结构进行腹腔镜手术操作的训练，目前已有研究证实了基于VR技术的腹腔镜培训教学系统是有效的；此外Jin等[2]的一项研究表明，对没有经验的医学生或新手外科医生更有益，它似乎可提高参与者第一次腹腔镜手术的表现。本研究再一次证实基于VR技术的腹腔镜培训教学系统是有效的，进一步探讨了基于VR技术的腹腔镜培训教学系统与箱式训练器、传统训练的效果差异，结果表明基于VR技术的腹腔镜培训教学系统优于另两者。

结合所纳入文献分析VR训练器的优势与劣势,我们发现，在缝合训练方面，VR训练器较箱式训练器更胜一筹[16,20]，这可能因VR训练器具有以下优势：(1)每一步训练都有相应教学视频教授标准操作方法；(2)每一步关键步骤都有提示，引导学员循序渐进；(3)每项任务完成后都有自动评价，并指出其错误与需要改进的地方；(4)更加真实，使学员更加身临其境。同时有文献[21]指出，模拟训练箱较VR训练器可提供更加真实的触觉反馈，这可能因应用VR训练如切割、电灼、移动易位中镜头是由计算机操作。此外，VR受训者的触觉反馈是计算机根据电运动计算模拟出来的，没有模拟训练箱使用真正的手术器械得到触觉反馈那么准确。其次，对比VR训练组与传统训练组教学效果时，我们发现剔除Nickel的研究后，研究结果发生了变化，VR组的得分高于无训练组，VR组的培训教学效果优于传统训练组。进一步分析发现，Nickel的研究中，对照组采用了多种传统训练方法相结合的混合培训教学方案，达到了与VR组相似的训练效果(P=0.92)，这是否也间接说明了混合培训教学方法的训练效果优于单一的传统训练效果，尚需后续的研究讨论。

虽然VR训练器优于盒式训练器、传统训练，但由于其费用高昂[22]、便携性较差、后期需要大量的维护与技术支持的缺点，并不适合我国当前的国情特点与需求[17]。但我们仍应看到VR技术在腹腔镜手术培训教学中的巨大潜力，其通过模拟临床场景，为医学生提供了无风险、标准化的学习环境，同时也革新了腹腔镜教学模式，即从各环节相对独立的“教-学-实验”转变为“理论+模拟实操+反馈”，这是其他教学方式所无法达到的[23]。因此，我们也提出了自己的想法，是否可通过利用新一代5G互联网技术与VR技术相结合，构建腹腔镜教学培训平台来降低基于VR技术的腹腔镜手术培训教学的成本，提高了便携性与通用性，以实现推广。这值得我们进一步讨论与实践。

本研究也具有一定的局限性，首先,由于目前国内开展的基于VR的腹腔镜手术培训教学相对较少，所纳入的国内文献较少。其次，由于所纳入文献的训练手段及评分系统存在差异，研究间的可比性不足。最后，由于目前针对VR技术对患者安全性的研究较少，本研究未进行讨论，希望后续研究对此加以补充。