虚拟现实技术在血管外科临床教学培训中的应用价值

郭发才，张翔宇，张洮路，沈 瑜，周 栋*

（1.兰州大学第二医院，甘肃 兰州 730000；2.兰州大学第二临床医学院，甘肃 兰州 730000；3.兰州交通大学电子与信息工程学院，甘肃 兰州 730000）

血管腔内治疗的出现从根本上改变了血管外科与其他外科的区别，在许多血管疾病的治疗中，血管腔内治疗取代了大部分开放手术，改变了血管外科临床教学培训模式。随着医学与信息化技术的迅猛发展与深度融合，虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）出现，推动了微创手术教学的发展，也为血管外科临床教学培训提供了练习操作技能的新方法。

1 血管外科临床教学培训的发展

1.1 血管外科临床教学培训的起步阶段

以前的血管外科不存在专门的培训，最初的血管外科医生是由普通外科医生和心胸外科医生来代替，最初的血管外科培训计划基本上是学徒制，最早的此类培训之一是由加州大学旧金山分校的医学博士埃德温·怀利（Edwin J. Wylie）发起的，Wylie 博士呼吁开展正式的血管外科住院医师培训[1]，由此血管外科医生的教育和培训发生了演变。血管外科培训始于20 世纪60 年代，包括1 年的外科医生学徒期，这些外科医生在他们的工作机构建立了血管外科，并有外科住院医师轮转。血管外科学会（SVS）是由心血管和普通外科先驱于1947 年创立的，最初的目标是促进血管疾病的学习和研究，并每年召开一次科学会议，以更好地定义手术在周围血管疾病中的作用，其主要目的之一是鼓励医院为该领域的年轻外科医生开展特殊培训。在20 世纪60 年代和70 年代，在SVS 和国际心血管学会北美分会的领导下，从事血管外科的医学生越来越多，而且美国每年进行的动脉手术的数量也在增加（>70 000）[2]。1969 年，罗林斯·汉龙（C. Rollins Hanlon）在SVS 的主席演讲中，要求他的同事在血管外科新专业中制定严格的标准和培训计划，以更好地发展血管外科这一新兴学科。承认血管外科作为一个独立的外科专业是20 世纪70 年代和80 年代激烈讨论的话题，1974 年，美国血管学会向美国外科委员会（ABS）提交了一份提案，要求建立“血管外科特殊能力认证”，以认可这一发展中的外科专业的独特教育、培训和知识。1979 年，联合血管外科委员会（SVS 和国际心血管学会北美分会）对血管外科培训计划进行了认证，最初批准了17 个项目，到1982 年，有52 个项目得到了血管学会的认可[3]。血管腔内治疗的出现从根本上改变了血管外科与其他外科的区别，并在未来血管外科医生所需的教学和培训中提出了独特的挑战：如何很好地训练一名成熟的血管外科医生。

1.2 血管外科临床教学培训的快速发展阶段

近年来，手术技能和模拟中心已经出现在美国各地的学术机构中。血管外科学会（SVS）、美国心脏病学会（ACC）和血管医学和生物学学会（SVMB）[4]在2005 年发表的一份共识声明中指出，为了帮助具有不同背景和技能的医生达到一个共同的熟练基准，基于指标的模拟应该纳入培训。模拟器提供了执行多个程序的能力，同时避免了现实生活中麻醉诱导、房间转换和文书工作的时间限制。模拟可以允许新手在相同的干预下重复尝试，而不会对真实患者造成伤害。如果使用得当，模拟还可以节省训练时间，这可能是外科训练计划中最有价值的资源。此外，越来越多的证据表明，受训者以及血管教育者越来越支持将模拟集成到培训规范中。在过去的几年里，血管外科受训者模拟训练的实施已迅速发展。

1.3 血管外科临床教学培训的特点

血管外科与普通外科等其他外科的不同之处首先在于患者群体。患者所患的全身性疾病往往超出血管外科专科范畴，反映在许多不同的器官系统中，会导致患者出现多病态。所以血管疾病学也与心脏病学、肾脏病学、神经病学、胃肠病学、糖尿病学和内分泌学等专业学科交叉联系。为了学习交叉学科，需要新的方法来培训学生，教育工作者所熟知的“网络化教学”在学生医学实践教学中还相对欠缺[5]。在SVS 的牵头下，已经建立了由内科和放射科参与的跨学科病例讨论会议。在未来几年的教学中，血管外科与内科学科的交叉也将越来越多。

2 血管外科模拟器的分类

2.1 平台式吻合模型

平台式吻合模型只需要一个稳定的平台、移植材料、缝合和基本的器械。有了这些模型，可以进行结构化、低风险的实践，并被证明对提高技能是有用的（主要对初级住院医生）。模拟模型的保真度也不相等，血管解剖可以使用简单的塑料管和复杂的合成材料进行综合模拟，该项目的模拟模型一般价格低廉，是初级住院医生血管模拟使用最广泛的工具。高保真模型可以模拟血管外科手术过程，例如加压管系统可用于模拟支架放置和导管操作[6]。隐股交界区腹股沟模型[7]模拟了人类隐股交界区大隐静脉及其属支，该模型允许切开皮肤，并通过浅表脂肪层和深层筋膜层进行解剖，可以辨认出充满液体的大隐静脉及其5 条腹股沟静脉属支，结扎并断开隐股交界处大隐静脉主干及其属支。运用隐股交界区腹股沟模型在训练之后受训者的手术操作水平显著提高。

2.2 动物模型

动物模型具有高度的真实感，动物实验室仍然用于血管腔内治疗和开放手性术训练。它们可模拟整个手术过程，如髂股血管成形术和放置支架，以及开放式主动脉髂动脉置换术。动脉狭窄和动脉瘤疾病可分别通过内皮损伤或弹力蛋白酶灌注进行人工诱发[8]。动物模型的使用受到成本和场地的限制，而且动物实验对象需要特殊的设备和仪器，同时与人类相比在解剖结构和尺寸上也存在差异，所以其使用存在很多限制。此外，使用动物模型还有伦理和法律方面的考虑。

2.3 人类尸体模型

人类尸体模型为血管腔内治疗训练和开放手术训练提供了现实条件。Irfan 等[9]描述了如何在新鲜的人类尸体动脉系统中进行溶栓手术，使用该模型进行了33 例标准动脉穿刺和闭合的血管内手术。因此，新鲜尸体是学习血管暴露的首选模型，但是尸体的可用性和成本限制了尸体模型在血管外科模拟训练中的使用。

2.4 VR 模拟器

在医学领域中，虚拟现实技术又可以称为VR 模拟器，萨塔瓦于1997 年首次提出使用手术模拟器。VR 模拟器具有无限重复使用的优势，并且没有相关使用的伦理问题。VR 模拟器可以将放射学图像中患者的具体解剖细节转移到模拟器中，因此降低了患者术中风险。随着VR 技术的发展，一些新的血管内VR模拟器已经上市。

2.4.1 配备训练系统应用程序的模拟器 配备训练系统应用程序的模拟器包括血管成形术模块和颈动脉、肾、冠状动脉、股浅动脉和髂动脉支架释放模块，还能够模拟主动脉瘤修复、卵圆孔封堵、腔静脉滤器和心脏起搏器植入[10]。这类模拟器有（VISTM）（Mentice AB，Götenborg，瑞典），ANGIO MentorTM（Simbionix，克利夫兰，俄亥俄州）和SimSuiteR（医疗模拟公司，丹佛，科罗拉多州）[11]。这些高保真模拟器包括触觉、视觉和听觉界面，提供了接近真实的模拟手术过程。ANGIO MentorTM终极血管内训练器具有与VISTTM相似的模拟动脉手术功能，它与VISTTM的不同之处在于它更强调对患者的监测、给药和对疾病的反应。例如，阿托品可用于纠正与模拟颈动脉窦刺激相关的心动过缓，对于缺氧和高血压也以提供适当的治疗；ANGIO MentorTM终极血管内训练器允许模拟并发症的发生，从而可以在虚拟环境中进行并发症的管理[12]。

2.4.2 可促进多学科团队培训的模拟器 SimsuiteR是一个更大的模拟器系统，最多有6 个交互屏幕，可以实现多学科团队的培训，该系统提供多范围专业培训包和人员来支持培训计划。这些模拟器可以进行术前分析、患者干预和术后总结，类似于ANGIO MentorTM系统，能够对患者生理反应进行模拟也是该模拟器的一个特点[13]。

2.4.3 经济、便携、可手持的模拟器 ANGIO Mentor Express 和ANGIO Mentor Mini 具有类似功能的模拟包，但外围附件较少，因此，ANGIO Mentor Mini 可以放在手持盒中运输[14]。同时，我们也要看到使用VR 模拟器进行血管内手术训练存在的一些限制。最明显的就是模拟器的成本高，这些设备的单价大多在10万美元以上，随着时间的推移，维护费用还要增加数万美元。血管内模拟器需要一定的放置空间和定期维护，经常需要更新软件和校准，需要相关技术人员来处理技术故障[15]。通常使用的降低成本的方法是为其建立区域培训中心，住院医师可以定期前往培训中心接受VR 模拟器短期训练。VR 模拟器在触觉反应和虚拟环境的真实感方面仍然需要进一步改进及提升。除非这些VR 模拟器的真实性和高成本得到较好的改善，否则很难将这些设备从研究实验室转移到培训项目中[2]。

3 虚拟现实技术在血管外科临床教学培训中的应用

3.1 模拟器可以分为低保真度模型和高保真度模型

低保真度模型对初级住院医生提高开放手术技能有利。这些模型被用于练习开放手术技能，包括隐股区剥离和结扎、颈动脉内膜切除术。低保真度模型通常由硅胶或橡胶制成，只需要一个稳定的平台、移植材料、缝合用的基本器械，就可以进行结构化、低风险的手术。这些模型便于携带和设置，它们对于学习基本的血管内技能是有效的，并且允许学习者在使用真正的导丝、导管、球囊和支架时体验触觉反馈。

3.2 虚拟现实技术的模拟系统结构

系统结构包括以下四部分[16]：第一，解剖空间；第二，组织建模；第三，视觉反馈；第四，实时系统集成。Mitchell 等[17]建议将模拟整合到课程中，但应考虑以下顺序：（1）解剖学、生理学、病理学相关指示的解说，以及手术教学和程序步骤的指导；（2）常见错误的说明和描述；（3）在进行技术、技能培训之前熟悉教学材料；（4）基于模拟器的技能培训；（5）模拟过程中的错误反馈；（6）具体培训课程结束时的总结性反馈。

3.3 虚拟现实技术在血管外科临床教学培训中的有效性

虚拟现实技术提供了一种标准化复制课程的方法，提供了学员在以前“学徒”模式中无法获得的经验。各种类型的手术模拟器已有效地用于各级外科教学，大多数模拟实际手术表现的外科模拟系统都是基于虚拟现实技术。许多模拟器允许学员在没有教练在场的情况下进行练习，但为了获得最佳学习效果，仍然需要一个真实或虚拟的“教师”。相关证据表明，虚拟现实技术对腔内血管治疗水平的提升有较大益处。血管国际基金会开发的脉动流主动脉模型[18]，以使用脉动流系统和腹腔脏器虚拟现实为特征，它使用可替换的主动脉，受训者在进行吻合时可以体验到血管壁的真实感觉。另外，腹腔脏器虚拟现实模型允许模拟牵拉器和夹钳的放置，该系统的最大好处是脉动流，可以识别动脉吻合中的陷阱。其主要缺点是价格昂贵且不易携带，这可能会妨碍学员日常使用[19]。Eason 等[20]回顾文献发现：（1）虚拟现实技术允许医生在安全的环境中进行训练，而不会使患者处于危险之中；（2）它可以评估危机管理（如评估颈动脉内膜切除术期间可能发生的中风风险）。Maertens 在两项研究[21]中证明，ANGIO Mentor 模拟器可以区分32 名外科实习生、20名血管外科医生和29 名医学生的血管内手术表现，并对所有研究收到了良好的反馈和对技术指标的改进，例如减少了透视时间、较低剂量的辐射和缩短了手术时间等；ANGIO Mentor 模拟器具有极好的有效性，它使初级血管外科医师的手术操作熟练度保持了3 个月，同时增强了手术治疗效果。

3.4 虚拟现实技术在血管外科临床教学培训中的实用性

Lindquist[22]使用血管介入系统训练器VISTTM来模拟试验髂股血管成形术，并发现患者身上所有手术技能指标有所提高。Hseino 等[23]发现在VISTTM上练习的髂股血管成形术能够成功地转化为实际手术中的表现，使用VISTTM训练后，所有的参与者都减少了手术时间、透视时间和造影剂的使用量。Pandey[24]研究使用模拟器的手术团队的相互作用，25 名接受过不同程度训练的外科医生使用腹股沟模型进行静脉曲张手术，模拟手术室配备了所有标准仪器、设备和人员。Sidhu 等[25]表明基于高保真模型是一种优化简单的平台模型，其将这些初级和高级住院医师随机分配到一个为期3 小时的培训课程中，让他们在平台模型或高保真模型（ANGIO Mentor）上进行移植动脉吻合术培训。一周后，所有参与者在一头活猪的股动脉上进行了血管吻合术。结果显示，在高保真模型上练习培训后，初级和高级住院医生都表现出从平台模型到活体动物上更好的技能转移。因此，高保真度模型将以真实的情景体验和客观的学习方式为临床医师提供更好的技能学习机会。血管腔内治疗的VR 模拟器迅速发展，主要用于从主动脉到肠系膜和下肢的血管干预，可以大量评估血管内模拟的有效性和实用性。参与者在主动脉、肾脏、下肢和颈动脉干预的模拟手术中提高了他们的手术技能，其表现通过整体评分量表、手术程序检查表和程序指标（即任务完成时间、透视时间、造影剂使用）来衡量[26]。

4 虚拟现实技术在血管外科临床教学培训中的发展方向

虚拟现实技术的发展迅速，血管外科研究者以及受训人员越来越支持将VR 集成到培训过程中。基于当前血管外科学员的调查[27]显示：86%的受访者表示相信虚拟现实模拟训练的教育价值，并且56%的血管外科项目提供虚拟现实模拟培训；37%的血管研究员和高级住院医师参加了基于模拟的外部课程。非临床、安全环境中的虚拟现实技术培训计划提供了练习技能和手术程序，不会使患者面临不必要的风险。虚拟现实技术培训计划已被证明在学习开放血管手术技术技能方面是有效的，尤其是在开放血管手术培训的早期阶段。ANGIO Mentor高保真模型模拟器、血管介入系统训练器VISTTM等虚拟现实技术模拟器正在血管外科临床教学培训中大量应用，并在血管外科临床教学训练和评估中取得了较大成功。鉴于虚拟现实技术模拟器价格昂贵，需要设备维护、软件更新和校准等不利条件，我们建议建立以大学附属教学医院或者省级规培医院为主要形式的区域血管外科培训中心，定期组织学员接受VR 模拟器短期训练，以便能够更好地提高血管外科医生的专业水平，减少术中意外损伤，提高手术治疗效果和患者满意度。