腹腔镜阑尾切除术虚拟仿真实验平台的开发与应用研究

肖 焘,金紫薇,揭志刚1,

南昌大学:1.第一附属医院;2.第一临床医学院, 南昌 330006;3.东京大学医学部附属病院, 日本 东京 113-8655

近年来,随着新兴信息技术的快速发展,使得虚拟仿真技术开始应用于高等教育的实验教学[1]。截至2021年9月,国家级虚拟仿真实验项目中医学相关项目达366个[2]。由此可见,虚拟仿真技术在医学教育中被广泛应用。在外科技能教学中,虚拟仿真实验教学平台能让信息与实验资源的共享程度达到最大化,具有强大的交互能力并支持多方协作,极大地改善了临床手术教学中所面临的问题[3-6]。笔者所在团队在既往三维重建技术研究的技术累积下[7],基于虚拟现实技术开发了一个腹腔镜阑尾切除术虚拟仿真实验平台,并用于外科专业型硕士的技能教学。通过该虚拟实验平台,学员可以手控三维重建虚拟模型自主学习相关外科解剖知识和手术操作步骤,再通过游戏化的教学过程逼真体验虚拟手术,从而让学员将枯燥的理论知识和抽象的技能操作通过虚仿教学过程内化并掌握,实现与后续临床实践的有效衔接,进而提升外科临床技能教学的效率与质量。

1 腹腔镜阑尾切除术虚拟仿真教学系统

腹腔镜阑尾切除术虚拟仿真软件系统采用Unity3D引擎开发,旨在以虚代实、以虚补实、以虚拓实、虚实结合[8]该系统逻辑上采用Manager of Managers架构设计,将音频模块、模型模块、动作模块、交互模块、答题模块等在空间上独立,各模块相互之间是一种弱耦合的逻辑关系,方便维护与扩展;渲染部分采用URP渲染技术,在保证效果的前提下尽可能降低性能要求。虚拟手术场景参考某真实医院手术科室,布设仪器、手术台、治疗车等,真实还原腹腔镜阑尾切除术手术场景。场景中的模型用具是对真实模型仪器拍照及测量,通过3Ds Max软件1∶1建模,再运用Photoshop,BodyPaint 3D,Substance Painter等工具制作贴图完成。整个设计开发过程采用了3Ds Max,Maya,Photoshop,BodyPaint 3D,Substance Painter,ZBrush,Unity3D,Visual Studio等工具。该腹腔镜阑尾切除术虚拟仿真软件系统对于计算机软硬件配置要求如下:CPU为Intel Core i5-9400 同级别及以上;主板为B360同级别及以上;内存为8GB DDR4同级别及以上;显卡为NVIDIA GTX 1050 4GB 同级别及以上;硬盘为128GB固态硬盘+500GB机械硬盘,SATA;系统为Windows 10 专业版1803及以上。交互硬件包括鼠标和键盘等,运行模式为独立模式。腹腔镜阑尾切除术虚拟仿真软件系统技术实现模式如图1所示。

图1 腹腔镜阑尾切除术虚拟仿真实验软件技术实现模式

2 实验设计

2.1 实验整体设计思路

从虚实结合的角度出发,以打破传统的灌输式教学、提升学生的实践能力为目标,以三维重建与虚拟现实等先进信息技术为依托,构建一个涵盖实操、互动、评价、在线答疑的教学一体化虚拟仿真实验平台,提升学生的临床思维与临床技能。

2.2 实验教学方法设计

在整个虚拟仿真实验过程中,学生通过交互性的虚拟仿真手术操作、案例分析、操作视频、在线答疑等方式进行学习,不受时间、地点限制。通过腹腔镜阑尾切除术的训练与学习,学生可掌握基本的腹腔镜手术操作技能,从而在包括腹腔镜阑尾切除术在内的各类腹腔镜手术中熟练运用。实验教学方法设计如图2所示。

图2 腹腔镜阑尾切除术虚拟仿真实验教学方法设计

2.3 实验考核设计

①操作考核学生完成操作后,平台根据操作过程中的正确与否进行评分,此评分作为判断学生掌握情况的重要指标之一。

②理论考核学生撰写实验报告,重点阐述操作过程中遇到的问题,并进行随堂测验,这些作为平时成绩的重要补充部分。

3 实验实现

3.1 实验概述

教师通过虚拟仿真实验教学软件系统,向学生展示三维重建后的正常人体三维解剖结构与临床病例三维重建解剖图像,并同时告知需要掌握的重要知识点(如图3a所示)。教师利用虚拟仿真教学软件演示手术过程,并通过软件的虚拟手术操作功能对各组织器官进行模拟大体解剖,逐层展示各组织器官的名称、位置、结构及与病变组织器官的位置关系,详细讲述普外科手术常规手术入路、操作平面、操作技巧等(如图3b所示)。

图3 腹腔镜阑尾切除术虚拟仿真实验概述示意图

教师授课完成后,讲解虚拟仿真教学软件的基本功能和操作要点,随后学员开始在虚拟仿真实验室利用虚拟仿真教学软件系统完成虚拟手术技能实践。实践完成后设置小组讨论,并布置课后作业。授课结束后,教师在虚拟实验教学平台上对学生进行问卷调查,主要从提高学习积极性、学习效率、自主学习能力、培养临床思维等方面进行调查。所有课程完成后组织考试,包括理论知识和手术操作实践考核。

3.2 实验过程描述

学生登录该虚拟仿真实验项目后,即可开始进行腹腔镜阑尾切除术的手术操作。主界面展示了腹腔镜阑尾切除术的概述(如图4所示)、适应证与禁忌证、案例与手术用物准备。阅读完相关基础知识后,就进入了手术操作模块,学生根据系统提示选择相应的手术器械完成手术操作。内容包含消毒、穿手术衣、戴手套、铺巾等最基本的手术技能操作,腹腔镜的术前准备如建立气腹、建立观察孔和操作孔、组装腹腔镜并对白调焦,最后进入阑尾切除操作。

图4 腹腔镜阑尾切除术虚拟仿真软件主界面

阑尾切除操作步骤如下:①点击“过程”正式进入操作步骤,摆好患者体位后,在患者的腹部选择正确的三孔法穿刺点;②贴电极片,消毒,穿手术衣戴手套,铺巾;③建立气腹;④建立观察孔和操作孔,开始探查腹腔寻找阑尾;⑤找到病变阑尾后,游离阑尾系膜并裸化阑尾动脉,结扎离断阑尾动脉,游离裸化阑尾根部并结扎,离断阑尾后取出阑尾,擦净周围盆腔积液;⑥再依次探查腹腔,确认无误后,撤气腹,缝合,贴纱布,手术结束。

3.3 实验考核要点

学生完成操作后,系统根据操作的正确与否进行打分,赋分模型的内容包括穿刺点的位置选择、消毒范围、铺巾的顺序、腹腔探查的顺序、游离阑尾动脉、游离阑尾系膜、取出阑尾等操作是否正确。教师根据学生的分数判断学生对知识点的掌握情况并进行针对性的教学。学生根据自己的掌握情况,可重复进行学习。学习完成后,填写问卷,可对该平台提出建议并进行评价。 实验内容与考核要点如表1所示。

表1 腹腔镜阑尾切除术操作考核要点

4 结束语

该项目以南昌大学第四批校级示范性虚拟仿真实验教学项目为基础,先后通过南昌大学校级教改课题(NCUJGLX-19-131)、教育部产学合作协同育人项目(201901090002)及中国医药学研究生在线教育教学研究重点课题(A-YXC20200202-05)等项目的理论研究,随后在福建水立方三维数字科技有限公司的技术支持下,经2年时间顺利完成,并取得计算机软著权1项(国家版权局登记号:2022SR1119440)。基于上述虚拟仿真实验平台设计的虚拟仿真实验课程——腹腔镜阑尾切除术技能训练虚拟仿真教学,在2021年被评为江西省虚拟仿真实验教学一流本科课程。目前,该项课程正面向全省医学院校应用推广,以期实现更大社会效益。

《教育部关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》指出,虚拟仿真实验教学项目的研发要以完成教学要求和内容为目标,综合应用多媒体、大数据、三维建模、人工智能、人机交互、传感器、超级计算、虚拟现实、增强现实、云计算等网络化、数字化、智能化技术手段,提高实验教学项目的吸引力和教学有效度[9]。由此可见,虚拟仿真实验教学在医学教育中必将发挥不可估量的作用,将成为未来医学教育发展的趋势[10-12]。该研究团队设计开发的腹腔镜阑尾切除术虚拟仿真实验平台是顺应时代发展的产物,推动了外科技能教学模式改革。该虚拟仿真实验平台虽不能完全替代传统的手术技能教学,但极大地克服了传统教学模式的弊端,有利于培养专业技能过硬、高素质高水平的医学人才。基于医学虚拟仿真技能教学中“虚实结合,虚实互补”的原则[13],该团队将始终把对学生的实践与创新能力的培养放在首位,不断地完善虚拟仿真教学平台的功能,增加更多种类的外科手术技能教学模块,为医学技能实验教学改革提供有益探索。