混合现实技术在住院医师规范化培训外科手术教学中的应用研究

李鹏超，袁文博，万芬，吴启开，吴昊，黄华兴

（1.南京医科大学第一附属医院泌尿外科，江苏南京 210029;2. 南京医科大学第一附属医院急诊科，江苏南京 210029；3.南京医科大学，江苏南京 210029）

在传统教学模式下，住院医师规范化培训外科带教方式难以满足学员职业发展的需要。在住院医师规范化培训的第一阶段，规培医师在外科各个专科轮转三个月时间，外科规培过程包括接诊患者、诊断、手术和术后诊疗。手术教学过程是重中之重，从观摩手术、配合手术再缓慢过渡到在上级医师指导下开展小手术。三个月的传统教学只能使学员对小手术有初步认识，对大中型手术往往只有比较肤浅的理解，学员对手术理解和掌握程度不足[1]。用人单位招聘住院医师往往期盼其能快速开展手术，但经过规范化培训的学员到工作单位开展外科手术时，往往暴露出其对外科疾病认识肤浅和缺乏实践的缺陷，难以在短期内胜任工作。

计算机技术的飞速发展正在改变现代教育，近些年来，3D打印、虚拟现实（virtual reality, VR）[2]和增强现实（augmented reality, AR）[3]等新技术开始在医学教育中应用，在一定程度上推动了医学教育的进步。对于外科手术教学，3D打印成本高，难以实现断层解剖打印，而且割裂了目标区域和周围器官组织的关系，这些局限性使得其难以在外科手术教学中得到广泛和有效的应用。和3D打印技术相比，VR技术进一步推动了医学教育的发展，当前VR技术主要针对手术图像进行模拟，难以让用户对所要学习的对象进行反复互动，对于模拟手术操作的实用性不强。

混合现实（mixed reality, MR）技术是虚拟现实技术的进一步发展，包括增强现实和增强虚拟，该技术将数字化的信息全息投射到真实的物理环境中，在虚拟世界、现实世界和用户之间搭建起一个交互反馈的信息回路，来实时产生新的可视化环境，以增强用户体验的真实感。目前MR技术应用于外科手术教学尚处于起步阶段[4]，有研究报道了MR技术在骨科[5]和口腔颌面外科[6]教学中的应用，但在住院医师规范化培训的系统化教学中应用的报道较少。MR在外科教学中也存在一些限制性因素，包括设备昂贵，相对缺乏，数据库建立费时费力耗资大，需要带教教师才能快速适应手术实战。为此，本研究尝试将该技术系统性应用于住院医师规范化培训的手术教学，总结问题所在并且采取多项策略解决问题，探讨其应用价值。

1 对象与方法

1.1 研究对象

2019年1 月至2022年2月于南京医科大学第一附属医院外科接受住院医师规范化一阶段培训的84名学员分为两组进行研究，对A组（42人）采用混合现实技术辅助带教法进行手术教学；对B组（42人）采用讲授式教学模式进行手术教学。两组学员在性别、年龄、培训时间、工作年限和学历等方面经统计学检验，无统计学差异(P〉 0.05)。

1.2 研究方法

1.2.1 多种手术MR场景数据库构建

对于准备行外科手术的常见疾病，依据影像资料构建虚拟现实场景，获取患者病灶CT 的原始DICOM 数据，将其导入到三维医学影像工作站（StarSource Medical Image Workstation，Visual3D，北京维卓致远医疗科技发展有限责任公司）进行分割，通过切层勾画、布尔运算、多平面插值等技术对目标组织提取，得到网格模型（STL）文件，输入到工作站内部的场景编辑模块进行编辑，编辑后通过“星图”混合现实影像系统，以V3D格式进行输出，获得全息影像数据，建立MR手术场景数据库并且同步将手术过程进行录像。本数据库包括普外科、胸外科、泌尿外科、骨科、神经外科、急诊外科等亚专科的常见疾病的MR手术场景，如胰腺肿瘤、肺肿瘤、食管癌、胃肠道肿瘤、胆囊癌、胆囊结石、阑尾炎、肝脏肿瘤、肝囊肿、膀胱肿瘤、肾和输尿管结石、肾脏肿瘤、脊柱肿瘤、腰椎间盘突出、硬膜外血肿、脑膜瘤、脑出血和四肢骨折等。

1.2.2 MR辅助术前规划

外科带教教师选取具有代表性的常见疾病MR场景，给学员进行术前规划。带教教师预先给学员讲解手术步骤, 然后同步佩戴现实全息眼镜（Hololens，Microsoft Corp，USA）进行体验和反馈，对学员进行基本手势练习和操作训练后,对全息投影在空间的虚拟三维模型进行缩放、隐藏、透明、旋转等操作,逐层滤过目标区域周围的器官、血管和神经，并进一步将目标器官进行亚分割，分析手术密切相关目标区域的解剖结构。

1.2.3 MR辅助模拟手术

外科带教教师带领学员使用全息眼镜剖析目标器官的邻近手术解剖，使用手术录像讲解手术步骤，让学员在手术录像中还原MR场景，进一步思考关键的手术步骤，从而加深学员对手术的理解。观看手术录像后，带领学员再次观看相应的MR手术场景，模拟解剖目标区域周围的器官、血管和神经，并对目标器官模拟从不同视角进行观察，最大化利用MR场景预演手术。

1.2.4 MR辅助现场术中教学

在手术过程中，带教教师和学员同步佩戴Hololens眼镜，带教教师引导学员观摩手术，把MR手术场景投射在手术现场，让学员现场同步观看术前勾画的场景，带教教师在现场讲解手术，用同步和真实的手术过程印证MR场景中目标器官的邻近解剖，让学员预判目标器官周围和器官内部的手术解剖结构。在数次MR辅助术中现场教学的基础上，指导学员操作并配合手术，重点包括寻找和定位病变器官，对周围脏器牵拉显露目标区域，训练学员及时吸引术野积液，并且夹持目标器官和血管，术后进行回顾分析，加以修改完善MR场景。

1.3 考核方法

通过客观与主观两种形式进行评估。客观考核包括理论考核和手术操作技能考核。理论考核为各个轮转科室的理论考试，各科满分为100分。外科各科室教研室同样根据专科规培教学大纲制定手术操作技能考核表，考科内容包括：手术相关重要解剖标志术中辨识（手术解剖入路的器官组织辨识10分，病变器官邻近解剖标志辨识10分），病变部位的定位（结合影像学检查识别病变部位10分，病变部位在病变器官组织中的具体定位10分），牵拉周围器官组织以显露术野（主动有效配合程度10分，能合理应用不同手术器械协助显露10分），目标器官的夹持（固定或者抓持器械的使用手法10分，同术者的配合意识和效果10分），术野积液和污染物的吸引（及时程度10分，主动程度10分），总分共计100分，两名规培考官打分后取平均值。主观考核以调查问卷体现，对教学方法进行满意度测评，包括非常满意、满意、一般和不满意，让学员反馈教学方法的不足之处，收集学员对教学方法的建议和意见。对带教教师同样发放调查问券，收集带教教师对该教学方法的建议和意见，分析限制混合现实教学实施的主客观因素。

1.4 统计学方法

对A组和B组考试成绩进行t检验，P〈 0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 制作多种外科MR手术场景

目前已经构建多个MR手术场景，包括肺段切除术、食管癌根治术、胃大部切除术、胃癌根治术、胆囊切除术、肝部分切除术、阑尾切除术、肾和输尿管镜碎石取石术、经皮肾镜碎石取石术、肾部分切除术、输尿管镜检查、膀胱镜检查、经尿道膀胱肿瘤电切术、肾癌根治术、肾上腺肿瘤切除术、胰十二指肠根治术、硬膜外血肿钻孔引流术、脑膜瘤切除术、肱骨骨折、胫腓骨骨折、内外踝骨折、髌骨骨折等骨折内固定术。采用以上MR手术场景进行术前规划，术中现场教学和模拟手术训练。术者和学员佩戴Hololens眼镜进行术前规划和手术教学（见图1）。

图1 应用MR场景辅助现场术中教学

2.2 基本手术操作技能考核

对两组学员均进行理论考试，各科室教研室根据专科规培教学大纲制定理论考试试卷，采用MR辅助带教组成绩与讲授式带教组无统计学差异（见表1）。对两组学员均进行外科手术操作技能考核并予以比较分析，采用MR辅助带教组的平均手术操作考核成绩高于讲授式带教组（见表2）。

表1 出科理论考试成绩(均分)

表2 手术操作技能考核单项成绩及总成绩(均分)

2.3 调查问卷总结和应对策略

2.3.1 满意度调查

本研究收回84份问卷均有效，结果见表3，结果显示MR辅助带教组学员中非常满意的比例总体高于讲授式教学组（88.1% vs 59.5%，P=0.003）。

表3 两种教学模式的调查问卷统计表

2.3.2 主要问题

学员对MR设备不熟悉，MR场景和实际手术操作差距，MR设备数量和使用时间受限都限制了MR辅助教学的广泛实施。有40.5%（17/42）的学员表示对MR设备不熟悉，容易出现操作失误，需要一段时间学习才能熟练操作Hololens眼镜，由带教教师同步操作才能比较快速有效使用MR场景。带教教师同样建议对使用MR设备的教师进行预培训。此外Hololens眼镜长期佩戴之后会引起头部不适感。

2.3.3 应对策略

定期开展MR辅助教学前培训，制定Hololens眼镜的使用教程提前给学员学习。在教学过程中，教师带领学员对目标器官进行全方位观察，引领多位学员使用Hololens眼镜，方便学员在短时间内掌握Hololens眼镜的使用方法。此外，各科室分配固定的MR辅助教学时间，增加设立MR设备的预约制度，组织学员组队使用MR设施互相沟通和交流，方便教师和学员利用空闲时间来轮流使用MR设备。对于能够熟练使用MR设备的学员，在术前预先建立MR手术场景，实行术中MR引导手术，让学员边观摩手术，边印证场景刻画的解剖，加深学员对目标器官手术解剖的认识，从而实现更好的教学效果。

3 结语

计算机技术的发展正在改变医学教育，从VR、AR到MR，均在医学教育中逐步应用。VR技术是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者完全进入模拟的虚拟世界，观察三度空间内的事物，但不能反馈[7,8]。AR是通过电脑技术，在现实世界上叠加计算机生成的信息，通过视觉、听觉、触觉甚至嗅觉等传感器提供一个混合交互式体验，从而实现虚拟信息对真实环境的强化[9]。混合现实技术日趋成熟,其能够将真实视野通过特殊眼镜与虚拟视野叠加。相对 VR 和 AR 技术，MR 技术更加直观,使用者仅需佩戴眼镜，不影响其正常视野，不只是简单地在相机图像上叠加了虚拟图像，可以将计算机生成的图像锚定在真实世界的某一个点上。本课题组前期研究将临床CT/MRI影像学扫描数据使用InSpace和3D 的图像后处理软件进行处理，重建出可指导泌尿外科手术的三维影像模型，并成功应用于外科手术教学中[10]。在此基础上，本项目组对模型进行改良和完善，制作出外科常见MR场景，应用于规培学员的手术教学，采用理论考试、调查问卷和操作考核的方式进行阶段性评价，MR辅助教学组学员操作考核成绩优于讲授式教学组，满意度高。

目前的住院医师外科规培化培训手术教学存在诸多限制性因素。当前的主流外科规培教学方法包括术前阅片、术中带教结合手术视频教学，但由于学员在各专科轮转时间短（一般2-3月），参与手术的机会相对较少，对各专科的解剖知识认识不足，手术中难以通过主刀者的视野体验和学习手术，因此难以短期掌握常见疾病的外科手术方法。优秀的外科手术教学需要把知识点在教师和学员脑海中立体分层呈现，而讲授式教学和手术视频给学员的信息相对较少且缺乏立体感，视频录制往往仅能从单一角度进行录制，需借助空间想象力将这些二维信息在大脑中形成三维立体图像，无法全面在脑海中展现手术场景，因此传统的教学方法难以解决轮转时间短、接触病例少、手术参与度低等难题。

本研究将MR技术应用在规范化培训外科手术教学，体现出以下三重优势：（1）优化手术相关解剖基础知识教学。MR技术先采用计算机进行勾画、处理病灶解剖场景，再让用户通过Hololens 眼镜多角度、多层次显示病灶解剖3D图像，可以根据自身需要来进行观测，能够按照使用者的要求添加或者去除从体表到靶器官的所有脏器组织，比如皮肤、肌肉、骨骼、腹腔脏器、血管甚至靶器官的组成部分，提供真实的3D立体全息影像[11]。在本研究中，外科各学科遴选的带教教师均积极参与构建优质MR场景，结合相应的影像资料和手术录像，给规培学员传授手术相关解剖知识和规划手术方案，让学员预习手术，有利于学员理解手术和术中配合操作。（2）优化术中教学。在实际手术过程中，带教教师和学员使用Hololens 眼镜，能够同时观察虚拟与真实的手术场景，全程实现数字模型与现实世界的衔接，并且具有一定的导航价值，在术中预见和印证目标器官的解剖分离[12,13]。有学者报道，MR场景对于泌尿外科手术具有辅助作用，有利于制定手术路径和预判术中风险[14]。本研究使用MR技术辅助手术教学，进一步让学员在手术台上印证眼前的MR场景，有助于引导学员协助手术，在外科手术操作考核中表现优于传统教学组。（3）拓展手术教学时空。针对目前住院医师规范化培训外科手术教学时间短、机会少、上手慢的现状，部分案例可遇不可求，观摩手术和参与手术机会相对不足，难以在3-6月的时间内完成既定的教学目标，不利于学员的职业发展。本研究建立了小型MR场景库，并且实行固定教学和机动灵活的预约制，提供给学员更多的MR和手术实战结合的机会，有利于学员快速成长。本研究发现，规培学员在外科轮转的短暂过程中，通过MR场景来规划和体验手术，并进行模拟训练，确实优于讲授式教学。MR技术还可以应用于第三视角视频录制，制作手术场景数据库，从而拓展学习时间和空间，有助于进一步提升教学效率、缩短学习曲线[15]。

目前MR辅助教学尚存在一定的缺陷，MR场景设备价格昂贵，设备和数量相对不足，学员MR场景制作耗时，带教教师培训不足，MR场景模拟手术缺乏触觉反馈，术中突发情况难以通过MR场景进行展现，均需进一步完善。在本研究中，外科各学科的带教教师积极参与建设MR场景并提供相应的手术录像。设立MR设施预约制度，增加学员使用MR设施学习手术的机会，加强对带教教师的培训，组织学员组队使用MR设施，互相沟通和交流，一定程度上可解决以上诸多问题。

本研究探索了将MR技术应用到外科规范化培训教学中，发现MR技术和传统讲授式教学相比，在术前教学、术中教学、非现场教学等方面均展现了优势，有助于提高规培学员学习兴趣，降低学习难度，缩短学习曲线，提高学员的外科手术实战水平。本研究存在一定局限性，包括研究样本量偏小、研究时间较短、考核方式不全面等，后续研究将扩大和完善外科MR手术场景数据库，采取多种措施逐步优化MR辅助手术教学，进一步解决外科规范化培训教学时间短、操作机会少的难题。