VR技术在神经外科教学中的应用探讨

王毅 葛玥 吕波 毛宏亮 程宏伟

摘 要：近年来，随着计算机仿真技术的不断发展，虚拟现实技术（virtual reality，VR）技术越来越广泛地应用于日常生活的方方面面。本文将从VR技术的基本原理、神经外科教学的现状和存在的问题入手，探讨VR技术在神经外科教学中的应用，包括模拟手术、三维可视化、交互式学习、远程教学和病例演示等方面。通过对现有研究和实践的总结和分析，提出了VR技术在神经外科教学中应用的优势和不足之处，并对未来的发展趋势进行了展望。

关键词：VR技术；神经外科教学；模拟手术；三维可视化

一、概述

神经外科是指能够进行与神经系统有关的诊断和外科治疗的实践活动。神经外科的研究范畴包括先天性发育异常、外伤、感染、肿瘤、血管病变和遗传代谢障碍，功能障碍性疾病等［1］ 。由于神经外科属于临床学科，其实践的对象为患者，因此，神经外科对医生的实践能力和经验要求极高。做好神经外科的教学工作是培养合格优秀的神经外科医师的重要保障和基础条件。传统的神经外科教学主要是通过课堂授课、病例讨论和实践操作等方式进行。然而，传统神经外科教学模式存在一些问题，主要体现在患者风险大、教学成本高、实践操作机会少等。随着计算机仿真技术的不断发展，虚拟现实技术（virtual reality，VR）越来越广泛地应用于日常生活的方方面面，包括艺术培养、设计开发、影视制作、安全培训等。将VR技术应用于神经外科的教学，可以有效地解决传统教学中所存在的问题。本文将从VR技术的基本原理、神经外科教学的现状和存在的问题入手，探讨VR技术在神经外科教学中的应用，包括模拟手术、三维可视化、交互式学习、远程教学和病例演示等方面。通过对现有研究和实践的总结和分析，提出了VR技术在神经外科教学中应用的优势和不足之处，并对未来的发展趋势进行了展望。

二、VR技术的基本原理及应用

VR技术中文名为虚拟现实，又称为灵境技术。虚拟现实是通过计算机技术构建三维场景并借助特定设备让用户感知并支持交互的一种体验，它是仿真技术与计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术、网络技术等多种技术的集合［2］ 。具体来说，VR技术是一种基于计算机模拟的虚拟现实技术，它通过计算机生成的虚拟环境，让用户身临其境。VR技术的基本原理是通过头戴式显示器、手柄、追踪器等硬件设备，将用户的视觉、听觉、触觉等感官输入接口与计算机系统相连接，实现用户在虚拟环境中的交互体验。VR技术主要包括以下几方面：3D建模：通过计算机图形学技术，将真实世界中的物体、场景等建模成三维模型。头戴式显示器：通过头戴式显示器等设备，将虚拟环境和虚拟对象的信息呈现给用户。交互设备：通过手柄、手套等交互设备，让用户感知和控制虚拟环境和虚拟对象。计算机视觉和计算机网络：通过计算机视觉技术，让计算机能够感知用户的动作和表情；通过计算机网络技术，让多个用户在同一虚拟环境中进行交互。目前，VR技术可以分为三种类型：非沉浸式、半沉浸式和全沉浸式VR技术。其中，全沉浸式VR技术是最为先进和完整的一种技术，它可以让用户完全沉浸在虚拟环境中，使用户身临其境。

目前虚拟现实技术已经在许多行业中得到了广泛的应用，包括但不限于以下行业：游戏行业：虚拟现实技术已经成为游戏开发中的一个重要组成部分，可以让玩家沉浸在游戏世界中，提高游戏体验。教育行业：虚拟现实技术可以为学生提供更加生动、直观的学习体验，例如可以通过虚拟现实技术带领学生参观博物馆、历史遗迹等。医疗行业：虚拟现实技术可以为医生和护士提供更加真实、直观的手术模拟和训练，提高手术成功率和减少风险。建筑行业：虚拟现实技术可以帮助建筑师和设计师更加直观地了解建筑设计效果，提高设计效率和减少错误。旅游行业：虚拟现实技术可以为游客提供更加真实、直观的旅游体验，例如可以通过虚拟现实技术带领游客参观名胜古迹、自然景观等。军事行业：虚拟现实技术可以为军事训练提供更加真实、直观的模拟环境，提高军事训练效果和减少风险。娱乐行业：虚拟现实技术可以为观众提供更加生动、直观的娱乐体验，例如可以通过虚拟现实技术带领观众参观演唱会、体育比赛等。

三、开展神经外科教学工作的原则和方法

神经外科教學工作是指针对神经外科学科的学生，通过教学手段和方法，传授神经外科学科的理论知识和实践技能，培养学生的专业素养和实践能力，以满足神经外科医疗服务的需求。神经外科教学工作的开展需要遵循以下原则：教学目标明确：教学目标应该明确具体，与学生的实际需求和职业发展紧密相关。教学内容全面：教学内容应该涵盖神经外科领域的各个方面，包括基础理论、临床实践、手术技能等。教学方法多样：教学方法应该多样化，包括讲解、演示、实践、模拟等多种方式，以满足不同学生的学习需求。教学资源充足：教学资源应该充足，包括设备、材料、人力等方面的支持，以保证教学质量和效果。教学评估有效：教学评估应该科学有效，包括考试、实践评估、学生反馈等多种方式，以评估学生的学习效果和实践能力，为教学改进提供依据。在开展神经外科教学工作时，可以采用以下具体措施：建立教学团队：建立由专业教师、临床医生、实践专家等组成的教学团队，共同制定教学计划和教学内容。采用现代化教学手段：采用现代化的教学手段和技术，例如虚拟现实技术、模拟手术技术等，提高教学效果和质量。加强实践教学：加强实践教学，提供更多的实践机会，让学生能够亲身参与和实践，掌握实践技能［2］ 。提供多元化教学资源：提供多元化的教学资源，例如图书、期刊、网络资源等，让学生能够自主学习和深入研究。建立有效的教学评估体系：建立科学有效的教学评估体系，包括考试、实践评估、学生反馈等多种方式，为教学改进提供依据［3］ 。

四、神经外科教学的现状和存在的问题

神经外科是一门高难度的学科，对手术操作技术要求极高，同时对医生的实践能力和临床经验也同样有着极高的要求。传统的神经外科教学主要是通过讲课、病例讨论和实践操作等方式进行，但传统教学模式存在以下一些问题。

（一）患者风险大

神经外科是一门以临床操作和实践为主要目标的学科。在临床教学方面，一些操作需要学生在带教教师的指导下完成，例如常规的换药、缝合硬脑膜、腰椎穿刺等。然而，无论带教教师如何指导，最终的操作必须要学生的完成才能达到学习目标。因此，在操作过程中，患者存在相关的一些风险。由于神经系统的特殊性，患者面临的风险显著高于其他学科。

（二）教学成本高

神经外科的很多操作都是有特殊专门的设备及系统。例如腰穿包、神经外科动力系统、显微镜、内镜等。在操作教学过程中，这些设备及系统均会带来相关的损耗，而不当的操作则可能会损坏设备及系统。因此，传统教学模式下神经外科的教学成本较高。

（三）教学资源有限，实践操作机会少

由于患者风险大，教学成本高，带教医师在教学过程中有所顾虑，进而导致很多可以由学生完成的操作均由带教教师直接完成，从而造成了学生实践操作机会少，无法充分锻炼技术技能。

（四）教学内容及模式单一，教学效果不理想

传统教学内容包括神经外科基础及临床。教学模式主要是通过课堂授课、病例讨论、实践操作等方式进行，但这些教学方法忽略了对手术解剖结构和病理生理的深入了解，也很难让学生真正理解手术过程和操作技巧。

上述问题都严重制约了神经外科教学的发展，因此，我们需要结合发展情况寻求新的教学方式来解决这些问题。

五、VR技术在神经外科教学中的应用

VR技术由于其直观性、可控性、可模拟性、可重复性，其在教学中的应用已经成为一个热门话题。目前，VR技术在教育教学方面广泛应用于艺术、装备制造、现代物理及临床医学［36］ 。结合其特点，以下是一些VR技术在神经外科教学中的应用场景：

（1）模拟手术。利用VR技术建立标注化病例模型，在此基础上，结合VR可穿戴设备、传感系统等在标准化模拟病例上进行手术模拟，使学生在虚拟环境中仍然可以达到实践手术技能、提高手术技术、增加手术经验的目的。这种方法既可以解决传统教学模式患者承担巨大风险的问题，又能让学生在没有真实患者的情况下提高手术能力。

（2）三维可视化。三维可视化是VR技术最广泛的应用［7］ 。神经系统解剖学是神经外科的重要基础，也是学习神经外科的必要知识储备。然而，神经解剖学的知识抽象且复杂。因此，一直以来，教师的教学及学生的学习均存在诸多困难。教师不知道如何教授这些复杂抽象的解剖学知识，学生不知道如何学习。VR技术可以将复杂抽象的神经外科手术的解剖结构以三维形式呈现，让学生更好地理解手术过程，从而提高学生的解剖学知识储备，提高临床技能。

（3）交互式学习。在教学过程中，将VR技术与实际手术过程结合，实现交互式学习的目的。VR技术可以提供交互式学习体验，让学生在虚拟环境中与手术过程进行互动。这种方法可以增强学生的参与感和兴趣，提高学习效果。在交互式学习过程中，VR技术可以提供实时反馈，让学生及时了解自己的操作情况和不足之处，进一步提高手术技能。通过VR技术，学生可以获得实时反馈，了解自己的手術操作情况和不足之处，从而及时调整自己的操作方式，提高手术技能和经验。

（4）远程教学。VR技术在远程教学中也有着广泛应用［8］ 。在神经外科教学中，部分学生可能无法在现场教学中获得学习机会。利用VR技术可以进行远程教学，让学生在不同地点均能参与神经外科教学过程。利用VR技术结合远程设备开展神经外科教学活动，既可以节省时间和成本，又能够提高教学效率。

（5）病例演示。在神经外科临床实践中，存在不同诊断不同情况的患者，因此神经外科的临床学习周期较长，提高速度慢。同时，部分特殊病例可能属于少发病、罕见病，甚至部分学生、带教教师也很少接触这类病例，失去了宝贵的学习机会。合理利用VR技术可以用来展示不同的神经外科病例，包括常见病、多发病及少见病、罕见病等。利用VR技术可以实现病例演示过程，从而让学生了解不同病例的处理方法和手术技巧。

六、VR技术应用相较传统模式在神经外科教学中的优势

（1）提高手术技能和经验。相较传统教学模式，在神经外科教学中，结合VR技术可以提供更加真实和生动的手术模拟，让学生在虚拟环境中进行手术练习，体验身临其境的手术过程，降低患者风险，同时也可以提高学生的手术技能和经验。在真正临床实践中，可以提前建立特定患者的VR模型，首先在模型上不断操作并练习，在熟练度达到一定程度后再真正进行相关操作，进一步保障患者的安全。

（2）降低学习成本。传统的神经外科教学需要患者的参与。实践过程中，一位患者可能面对多位学生的练习。患者承担风险，同时学生的学习质量也无法得到保障。利用VR技术可以实现一套设备多人使用练习，结合远程技术，可以进一步降低学生的学习成本。

（3）提高学习效率。VR技术可以提供实时反馈，让学生及时了解自己的操作情况和不足之处，进一步提高手术技能。在具体操作过程中，可以实时反馈、复盘。对于操作中的难点可以反复练习。同时，VR技术可以将神经外科手术的解剖结构以三维形式呈现，学生可以结合教材，多角度、多维度地去观察病变，理解病变和周围相关解剖结构的关系，让学生更好地理解手术过程，提高学习效率。

七、VR技术在神经外科教学中的挑战

虽然VR技术目前在多学科多场景中得到广泛应用，但其自身仍存在相关问题［910］ 。在神经外科教学中，该技术的相关问题主要包括：

（一）技术限制

VR技术需要大量的技术支持，包括软件开发、硬件设备、网络带宽等方面的支持。能够达到VR技术应用相关硬件软件支持条件的单位仍然有限，这些限制会影响VR技术在神经外科教学中的应用、推广及普及。

（二）真实性问题

虽然VR技术可以提供更加真实和生动的手术模拟，但是目前的模拟技术仍然存在力学反馈、画面色彩、空间解析度失真的问题。同时，学生在虚拟环境中进行手术练习时，仍可能会遇到一些虚拟环境无法模拟的情况，这可能会影响学生的手术技能和经验，对于临床实际问题的判断也会造成影响。

（三）费用问题

VR技术需要大量的人力、物力和财力投入，这可能会增加教育部门和学生的负担，从而影响VR技术在神经外科教学中的应用。

结语

综上所述，VR技术在神经外科教学中的应用具有广阔的应用前景和巨大的潜力市场。集合VR技术，学生可以在虚拟环境中进行操作模拟，从而提高手术技能和经验；VR技术可以将神经外科手术的解剖结构以三维形式呈现，让学生更好地理解手术过程；VR技术可以提供实时反馈，让学生及时了解自己的操作情况和不足之处，进一步提高手术技能。虽然VR技术在神经外科教学中面临一些技术限制、真实性及费用问题，但是随着科技的不断发展和应用成本的不断降低，VR技术必将能更广泛地应用于临床教学，VR技术也有着更广阔的应用空间。

参考文献：

［1］王忠诚.二十一世纪的神经外科学——微创神经外科学［J］.中华神经外科杂志，2001，17（1）：13.

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［4］薛雪东，朱正东，高冬冬，等.基于VR技术的装备维修一体化教學研究与实践［J］.中国军转民，2023（08）：3536.

［5］康开洁.虚拟现实VR技术在现代物流管理教学中的应用［J］.科技资讯，2023，21（08）：187191.

［6］宫再兴，冯驰，郑琪，等.基于VR技术的PBL在泌尿外科临床教学中的应用研究［J］.医学理论与实践，2023，36（07）：12491251.

［7］陶燎亮，宋俊锋.基于VR技术和AR技术的三维可视化实现——以丽水学院校园风光明信片应用开发为例［J］.丽水学院学报，2018，40（2）：6469.

［8］张向华，董晓英，叶霞，等.基于VRML的虚拟现实技术在远程教育中的应用［J］.装备制造技术，2012（12）：194197.

［9］张文波，曹雷，熊君君.虚拟现实技术的现实挑战［J］.中国科学：信息科学，2016，46（12）：17791785.

［10］王丽丽，陈金鹰，冯光男.VR/AR技术的机遇与挑战［J］.通信与信息技术，2016（6）：6465+76.

基金项目：安徽省卫健委健康科研项目，项目编号：AHWJ2022b080；安徽省转化医学研究院科研基金，项目编号：2022zhyxC23

*通讯作者：程宏伟（1974— ），男，副教授，博士研究生导师，主要从事神经外科基础临床及教育教学研究。