虚拟仿真系统在腹腔镜外科教学改革应用与研究

刘 洁 段光琦 张 阳 陈国仙

1.皖南医学院弋矶山医院小儿外科 安徽芜湖 241001;2.皖南医学院临床医学院 安徽芜湖 241001

腹腔镜手术无法直接感观和接触实体的组织和器官,同时由于腔镜本身的“手眼分离”特点,腹腔镜技术的这种特殊性导致腹腔镜外科手术学成为目前外科学教学的难点之一[1-2]。科学技术发展日新月异,虚拟现实(virtual reality,VR)技术在腹腔镜外科教学中被广大教学人员所关注[3-4]。为了满足当今学生的学习需求,教育工作者已经开始调整他们的教学方式,通过使用主动学习和结合教育技术来吸引学习者。腹腔镜外科医生强调腹腔镜课程为学生提供知识、技能和能力,以提供以患者为中心的护理和解决问题。因此,必须为临床医学专业的学生提供充分的机会来练习他们的外科技能。实践经验可以说是让学生为从事微创外科做好准备的最佳方式。然而,实践经验面临挑战,例如为所有学生确保足够的场地并确保所有学生都有同等的经验。为学生提供模拟体验而开发的一种机制是将模拟纳入教学课程,模拟可能涉及从准备好的演员场景到使用模拟假人的任何事情。然而,模拟通常需要大量的计划并且往往是资源密集型的,人体模型成本高昂,场景模拟需要高师生比例。尽管存在这些挑战,教育工作者仍努力为学生提供最佳的学习体验。

本文基于目前的腹腔镜外科教学的模式以及VR技术的发展现状,对腹腔镜外科手术学的数字化模拟教学提供初步的教学参考。

1 目前腹腔镜外科手术学教学的主要模式

1.1 视频模拟器方式(训练箱模式)

随着腔镜模拟器的逐渐商业化,市面上已经出现了多种型号和规格[5]。实际上,该种训练方式的训练成本不高,训练者可以直接通过操作钳进行模拟训练。对于一位初学者,这种训练模式不仅可以锻炼其空间感,而且可以很好地训练方向感和手眼配合能力,目前大多数的临床外科医生基本上都是采用这种模拟方式进行腹腔镜外科操作的联系,也是目前广大院校最为常用的教学模式[6]。但是视频模拟器毕竟只是一种重复和反复的练习,训练者没有一种身临其境的感觉,同时也只是进行简单的练习,训练的方式只能通过剪纸、夹豆子、套圈等简单的模拟训练来练习手眼结合、双手的协调问题,对于实际外科手术的训练效果微乎其微,因为学生无法观察到实际手术中的组织和血管之间的关系,无法体验真实的术中操作感觉,其教学效果可想而知。广大学者逐渐在教学过程中意识到该种训练方式的局限性,逐渐想转变教学方式,寻找一种新的教学方法,以求取得更好的教学效果。

1.2 动物实验

目前在部分医疗机构或者医药院校,即采用动物作为操作训练对象,在腔镜手术开展的初期,外科医生认为在动物身上可以更加接近临床实际操作的情景,更加接近实际的手术操作,所以很多外科医生或者腹腔镜外科教学专家多采用这种方式进行模拟训练或者进行模拟教学。动物实验的外科手术模拟了真正的手术操作环境,比如,手术中电凝所产生了止血以及组织离断的效应,还有术中不正确的使用或者操作造成的损伤。动物实验可以让训练者熟悉在活体样本上的操作感受[7]。但此种训练模式也有其不足之处,主要就是购买动物的成本过高,高校的训练资金也是有限的,有时很难推广。随着数字医学的不断发展和进步,VR技术可以模拟手术中的各种情形来为教育者和训练者提供服务,为广大教学工作者提供了新的教学方法。

2 模拟教学在临床教学中的应用

模拟教学作为一种积极、安全、有效的基于现实的教育方式,是对传统教学方式的补充。模拟教学已经被广大医务人员用于相关专业的本科教育领域,大量已发表的研究表明,基于模拟的学习(simulation-based learning,SBL)经验有助于将理论知识与实践相结合,并获得独立实践所需的技能[4,8-9]。模拟使用在本科医学教育中,经常是以一种交互的方式,在复制的临床问题或临床案例设置中使用基于目标的重要角色扮演。与真实的临床学习经验相比,由于学习者有意识地练习技能和高阶思维,SBL可能更有效率。使用SBL可以使医学生处于道德安全保护的环境中,而不会危及真实患者/动物的生命安全,让受训者可以放心犯错,这种训练方式不仅可以增强他们的信心,同样在训练其思维方式和能力以及专业知识方面非常具有优势。

3 VR技术在腹腔镜外科教学中的应用

足够的临床实践对于未来医生的培养至关重要。然而,自相矛盾的是,由于大量的本科医学生和有限的资源,临床教学资源和实践机会往往在大学教学中会受到限制,实际上动手操作的机会微乎其微。正因如此,目前对基于VR的医学教学项目引起了广大教育学者的广泛关注。VR的基本要素是生成图像的计算机、呈现感官信息的显示系统以及反馈用户位置和方向以更新图像的跟踪器。今天可识别的硬件出现于20世纪80年代,但主要局限于专业实验室,系统差异很大。VR、人工智能和机器学习技术越来越多地被纳入本科医学教育实践中。笔者长期从事本科生以及外科学专业的规培医生带教,较早地在实际教学工作中应用了VR技术,有着丰富的临床教学经验,我们体会到的是较传统教学模式,VR技术在腹腔镜外科手术学教学中的优势主要体现在:

3.1 理论教学

以往的外科手术学理论教学一般是在课堂上通过手写的板书进行教学,后来发展到利用投影仪以及制作胶片进行教学,计算机技术发展后,就出现了电脑教学,制作PPT来进行课堂讲授。但是这些教学方式都是在二维空间进行,不能让学生参与其中,学生只是停留在听、或者是想的阶段,无法真实感受。虽然对于一般的课程可能还可以完成常规教学,但是对于腹腔镜外科手术学这样的临床操作能力要求极高的课程就很难保证教学效果。VR技术恰恰在此方面具有绝对优势,因为该技术可以让训练者身临其境,沉浸式地体验所有操作所带来的触感和空间感,真正地实现理论与实践相结合。文献报道,沉浸式VR不仅可以让被训练者愿意参加,而且乐于参加,究其原因,是因为受训者可以更加轻松地学习和理解学习的内容,提高其参与的积极性。

3.2 技能培训教学

随着科技的进步,微创理念逐渐深入人心,与传统开放手术相比,腹腔镜手术已经显现出了巨大的优势。腔镜手术对于操作者的技术要求较高,因为其术中的操作模式与开放手术完全不同。例如:开放手术是用两只手来进行术中打结,有时使用手去直接感受和触摸,从而进行分离或者判断具体的肿瘤边界等,而在腹腔镜下这些操作均需要通过器械来完成。腔镜的操作技能需要经过特殊的培训,不然在实际的操作中就会造成巨大的手术风险。有研究对23名具有腹腔镜操作经验的外科住院医生进行VR模拟训练的对比研究,结果显示在培训之后,其腹腔镜操作技能的测试分数可以明显提高,而与其是否具有腹腔镜操作经验并无太大联系。

3.3 手术演练教学

在手术模拟训练方面,VR技术也会发挥重要作用。手术模拟在外科领域特别有吸引力,因为它避免了使用患者进行技能练习,并确保受训者在治疗患者之前已经进行了一些练习。手术模拟可能涉及也可能不涉及计算机的使用,目前的手术演练教学基本上都是以箱式模拟器、动物实验为主,在临床上基本上以“师带徒”的方式进行,存在很大的局限性。最近,医学教育界对VR的兴趣越来越大,特别是在解剖学教学和外科住院医师规范化培训方面[3]。我们在教学中发现,基于虚拟VR技术的模拟训练可以提供高度仿真的触觉反馈,使训练素材甚至优于尸体和动物。可以预见,虚拟手术训练平台的应用将会在医学领域的人才储备上发挥重要作用[7]。随着科学技术的发展,在远程操作中就可以实现手术模拟训练,而在实际的操作中,5G网络的出现已经实现了远程的腹腔镜手术。

4 沉浸式技术在腹腔镜外科教学中的应用

教育技术正在改变我们今天的学习方式,其目的是最终改善教育。在课程中增加教育技术需要通过知情的循证研究来制定和指导。教育技术包括虚拟现实(VR)、增强现实(AR)和混合现实(MR)等教学软件,统称为沉浸式技术。沉浸式技术应建立在有效的教学方法周围,以提供适当的学习方法和学习结果。沉浸式技术被认为提供了基于建构主义理论和体验式学习的教学法,创造了一种帮助视觉学习者的环境,使学生能够在实践中学习,发展创造力,并增加对无形概念的理解。沉浸式技术被定义为提供感官刺激以在与计算机生成的世界的交互中提供真实感和沉浸感的设备。解剖学是使用沉浸式技术教授的最常见主题,这可能是因为沉浸式技术能够增强对无法可视化的复杂身体过程的理解。解剖学和胚胎学等科目要求学生将2D图像转换为3D概念,这对于那些难以想象图像转换的人来说可能是一个认知挑战。学生也可能在心理上不准确地旋转复杂的结构,让大脑填补任何缺失结构的空白。引入沉浸式技术作为一种教育工具,可以自动为学生标准化这一过程,并增强对某些学科的理解,如解剖学和胚胎学。例如,助产教育需要理解复杂的概念,如子宫中的胎儿发育。因此,这将是未来比较传统学习工具和沉浸式技术的重要领域。

5 总结与展望

VR技术作为传统腹腔镜外科手术学教学的延伸,解决了传统教学中学生无法观察到实际手术中的组织和器官之间的关系,无法体验真实的术中操作感觉等众多问题。未来,我们不仅能够将图像、视频和虚拟环境可视化,在不同的医疗环境中形成自己,而且我们还能够直接看到现场手术,并将这项技术用于远程手术。这种虚拟模拟器是开发更复杂、更详细的手术模拟的第一步。总之,VR技术对了解解剖以及模拟手术有极大帮助。另外,医学专业人员或学生可以根据自己的意愿多次进行模拟,而不需要直接在真实患者身上进行盲目的实验,可以有效提高腹腔镜模拟教学的训练效果,提升教学水平。