混合现实全息影像技术在多种临床常用穿刺操作教学中的应用

徐艺瑄，魏 星，包楠迪

（1.解放军总医院第二医学中心，北京 100853；2.解放军总医院第六医学中心心血管病医学部，北京 100037）

随着人工智能技术的发展，以混合现实全息影像技术为代表的智能教学手段在临床医学教学实践中得到了广泛应用[1]。混合现实技术通过将虚拟现实技术与增强现实技术相结合，利用全息影像实现在现实场景中投射呈现数字化场景信息，为用户提供直观、立体的沉浸式、交互式应用体验[2]。混合现实技术能让操作者同时保持与真实世界和虚拟世界的联系，并根据自身需要及所处情境调整操作[3]，目前已有越来越多的医疗机构及医学院校将混合现实全息影像技术应用于疾病临床诊断、外科手术计划制订、医疗相关技能培训等方面[4]。对实习医师进行胸腔、腹腔、腰椎、骨髓穿刺操作培训和技能评估是医学临床操作教学中的重要内容。以往临床中常常采用理论结合模具教学的传统教学方法，存在穿刺路径不可视、解剖结构不直观、模具穿刺部位结构易损坏、穿刺手感不真实等缺陷。另外，由于真实人体解剖结构相对复杂，大多数实习医师接受培训课时不足，因此对穿刺技能的掌握通常有限，很难达到理想的教学效果。如何提高常用穿刺操作的教学水平，提高实习医师对胸腔、腹腔、腰椎、骨髓穿刺的掌握程度是目前亟待解决的问题。

目前，混合现实全息影像技术在医学教育不同领域均有初步探索，同时也为提高针对实习医师的胸腔、腹腔、腰椎、骨髓穿刺操作教学水平提供了新的思路和手段。利用这一技术，实习医师可通过头戴式可穿戴设备，从任意空间角度直接观察操作对象解剖结构和穿刺路径的高清三维全息影像，协助术者实时矫正穿刺操作，进一步提高穿刺的准确性。在临床教学过程中，引入混合现实全息影像技术为实习医师创建学习环境，可有效增强其学习动力与信心，帮助其更加迅速有效地完成知识建构与能力转化。混合现实全息影像技术辅助胸腔、腹腔、腰椎、骨髓穿刺操作教学，可大大降低实习医师获取信息、处理信息和应用信息的难度，提高临床教学效果。但目前并无混合现实全息影像技术教学与传统模具教学在临床常用穿刺操作教学中应用效果比较的研究。为此，本研究将基于混合现实全息影像技术的创新教学模式应用于实习医师临床常用穿刺操作教学，并与传统模具教学进行对比，从以下角度评价混合现实全息影像技术教学在临床操作教学中的应用价值：（1）与传统教学方法相比，混合现实全息影像技术教学是否可以有效提高胸腔、腹腔、腰椎、骨髓穿刺操作教学水平；（2）与传统教学方法相比，混合现实全息影像技术教学能否获得实习医师更高的教学满意度。以期为提高实习医师临床常用穿刺操作能力，也为推动教育发展的智能化及教学模式创新提供经验及依据。

1 资料与方法

1.1 研究对象

选取2023 年解放军总医院新招录的60 名实习医师为研究对象，随机分为实验组及对照组，每组30 名。实验组采用混合现实全息影像技术教学方法，对照组采用传统模具教学方法，进行胸腔、腹腔、腰椎、骨髓穿刺操作教学。所有实习医师均为本科学历，在教学前未接触过胸腔、腹腔、腰椎、骨髓穿刺的临床操作。

1.2 教学方法

1.2.1 对照组 对照组教学内容参考2023 年度《临床执业医师考试大纲———实践技能》中胸腔、腹腔、腰椎、骨髓穿刺操作内容，带教教师首先就穿刺适应证和禁忌证、操作前准备、患者体位摆放、穿刺点定位、消毒铺巾、麻醉、准备穿刺用物、穿刺抽液、留样送检、术后处理等内容进行理论讲解，然后应用穿刺模拟人进行操作示范，教学过程中重点强调人文关怀、操作规范、并发症预防等细节。经带教教师操作示范及讲解操作要点后，实习医师采用穿刺模拟人自行练习。教学时长为8 课时，其中胸腔、腹腔、腰椎、骨髓穿刺操作各2 课时。

1.2.2 实验组 实验组采用基于睿航全息导航模拟培训系统（北京维卓致远医疗科技发展有限责任公司） 的混合现实全息影像技术教学方法。该培训系统由医学模拟人、磁导航操作系统、全息显示系统三部分组成，教学分为讲解模式及训练模式。具体方法：（1）讲解模式。实习医师佩戴混合现实显示设备观看教学内容，教学内容与对照组相同。混合现实全息影像技术教学不同于传统教学，实习医师可在学习过程中实现与教学模型的实时交互：可通过全息影像技术观看解剖模型，并对整体模型进行放大、缩小、选择等操作；可对单个或多个部分进行隐藏、显示和透明等操作。带教教师可根据教学内容从多角度对电子教案进行编辑，根据实际教学需要修改教学病例的适应证、禁忌证、操作要点等内容，以实现教学内容的及时更新，使之进一步贴合临床实际。（2）训练模式。实习医师通过佩戴混合现实显示设备，可以同时看到模拟人、与模拟人相匹配的数字解剖模型、穿刺针以及穿刺针的虚拟模型。实习医师可利用电磁操作工具及磁导航设备在虚拟现实环境下分别在胸腔穿刺、腹腔穿刺、腰椎穿刺和骨髓穿刺模拟人上进行穿刺操作训练，教学中应用的磁定位导航技术可实现将虚拟穿刺针呈现在虚拟模型上，真实穿刺针与虚拟穿刺针同步运动，实现对器械空间位置的实时、精准跟踪，并实时显示穿刺路径、器械与模拟人空间位置的相对关系，以直观展示操作过程。训练内容分为标记穿刺点、消毒、铺巾、局部麻醉、穿刺、抽液等。在训练模式中，实习医师可通过启用虚拟相机，以穿刺针针尖的位置和方向为视角，观察穿刺过程中各解剖结构之间的位置关系，同时系统具有显示预警信息功能，在穿刺路径错误时，界面中会显示“当前路径可能会刺中XXX（相应解剖结构）”信息；在训练模式中，实习医师可选择显示参考路径，通过显示预先规划好的路径和操作时的实时动态路径信息以引导实习医师进行正确操作。系统可对实习医师完成的穿刺练习进行记录，记录内容包含穿刺时间、穿刺部位和穿刺完成质量等信息。

1.3 教学效果评估

1.3.1 操作能力考核 教学完成后，分别对两组实习医师的胸腔、腹腔、腰椎、骨髓穿刺操作能力进行考核，考核内容参考2023 年度《临床执业医师考试大纲———实践技能》中胸腔、腹腔、腰椎、骨髓穿刺操作内容，分别从术前准备、穿刺部位选择、消毒和铺巾、局部麻醉、穿刺、抽液、拔针、无菌观念、操作步骤熟悉、手法熟练等几个方面进行评分，胸腔、腹腔、腰椎、骨髓穿刺操作评分各占25 分，满分为100 分。

1.3.2 教学满意度问卷调查 考核结束后，分别对两组实习医师进行教学满意度问卷调查。问卷中将教学满意度分为非常满意、满意、一般、不满意4 个等级，满意率=（非常满意人数+满意人数）/总人数×100%。

1.4 统计学方法

应用SPSS 29.0 软件对数据进行统计学分析，计量资料用（±s）表示，计量资料比较分析采用成组t 检验，计数资料比较分析采用Fisher 精确χ2检验，P＜0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 两组实习医师考核成绩比较

教学完成后，实验组实习医师胸腔穿刺、腹腔穿刺、腰椎穿刺、骨髓穿刺4 项操作考核成绩均高于对照组，但差异无统计学意义（P＞0.05）；实验组考核成绩总分也高于对照组，差异具有统计学意义（P＜0.05），见表1。

表1 两组实习医师考核成绩比较（±s，分）Table 1 Comparison of interns' assessment scores between two groups（±s，score）

表1 两组实习医师考核成绩比较（±s，分）Table 1 Comparison of interns' assessment scores between two groups（±s，score）

项目 实验组对照组t P胸腔穿刺腹腔穿刺腰椎穿刺骨髓穿刺总分19.53±2.84 19.60±2.71 19.13±2.98 18.77±3.14 77.03±6.00 18.63±2.80 18.53±2.94 18.23±2.93 17.60±2.86 73.00±5.49 1.237 1.460 1.179 1.505 2.717 0.221 0.150 0.243 0.138 0.009

2.2 两组实习医师教学满意度比较

教学完成后，实验组实习医师教学满意率（90.0%）显著高于对照组（63.3%），差异有统计学意义（χ2＝13.393，P＝0.002），见表2。

表2 两组实习医师教学满意度比较[n（%）]Table 2 Comparison of interns' teaching satisfaction between two groups[n（%）]

3 讨论

3.1 混合现实全息影像技术已广泛应用于医学相关领域特别是医学教育培训领域

目前，虚拟现实技术已在多个医学相关领域得到了广泛应用。混合现实全息影像技术是虚拟现实技术的进一步延伸，可将数字信息利用计算机可视化技术生成虚拟图像并投射至真实环境，进而将真实物理世界与计算机虚拟模型整合在同一空间后与用户间形成实时交互反馈[5]。混合现实全息影像技术可为使用者营造出由虚拟空间和真实环境空间共同组成的更加具有真实感的混合现实空间，在应用于医学相关领域时，使用者可从多角度观看立体的研究对象并实时对模型进行模拟操作，同时模型会给予使用者实时反馈，具备更强的真实性[6]。使用者可在虚拟现实三维交互工作环境下模拟手术及其他临床操作，具有损耗及风险低、可重复性高的优点，在医疗及教学领域具有丰富的应用场景[4]。混合现实技术在医学相关领域的应用主要集中于外科[7]，此外在神经病学、医学影像学、耳鼻咽喉科等学科也有不同程度的应用，主要应用场景为医学影像资料的三维重建、疾病辅助诊断、手术规划、术中导航以及医学教育培训等[8]。Brun 等[9]利用冠状动脉CTA（CT 血管造影术）影像检查结果构建混合现实全息影像模型，并应用于先天性心脏病的辅助诊断，体现了混合现实全息影像技术在涉及解剖结构的疾病鉴别和诊断上简单化、直接化的优势。混合现实全息影像技术也越来越多地应用于术前沟通环节，其对手术过程具象化的展示可有效加深患者对手术术式及风险的理解，为促进医患沟通提供了全新的思路和工具[1]。Wu 等[10]将混合现实全息影像技术用于复杂颈椎骨折手术的术前医患沟通，通过向患者及其家属直观展示手术部位的立体结构，显著提高了术前医患沟通的质量和效率。外科手术的术前规划和术中导航辅助是目前混合现实全息影像技术的主要应用场景，可在手术中将模型投影于患者体表，并清晰显示解剖结构，降低了解剖变异结构的辨认难度，且无须扩大切口即可准确知晓术野周边重要解剖结构的位置，避免误伤。2004 年Marescaux 等[11]首次将混合现实技术应用于腹腔镜手术，迈出了混合现实技术辅助外科手术的第一步。Incekara 等[12]将混合现实技术应用于脑肿瘤患者的术前定位，与传统的神经导航定位方法相比显著减小了定位误差。Lee等[13]利用混合现实技术辅助骨科医师在术中进行螺钉安装定位，同时显示手术部位解剖结构，起到了提高手术成功率及减少手术并发症的作用。Jayender 等[14]的研究发现，虚拟现实全息影像辅助下的腹腔镜手术其操作时间、准确度、平稳性方面均优于传统CT 辅助下的腹腔镜手术。Wei 等[15]将虚拟现实技术应用于经皮脊柱锥体后突成形术，结果显示虚拟现实技术可明显缩短手术时间并减少术中X 线照射次数。Li 等[16]的研究发现，虚拟现实技术辅助下的肾部分切除术患者术中出血量及术后肾周血肿、尿瘘等并发症明显减少，且手术时间、肠道功能恢复时间、术后住院时间均明显缩短。

由于混合现实技术可实现对复杂人体解剖结构更加直观的展示，其在医学教育培训中的应用日益广泛[1]。相关研究显示，接受混合现实技术所呈现的全息三维模型教学的外科医师在理解手术理论知识、提高手术操作技能方面呈现出更好的学习效果[17]。Stefan 等[18]认为混合现实技术可在无辐射条件下帮助学员加深对手术过程和解剖结构的理解，并可在同一疾病模型上多次实践不同术式，在多个方面明显优于传统教学方法。在一项针对基于混合现实技术建立的鼻窦内窥镜检查模型的相关研究中[19]，受训学员表示该种教学方法对解剖结构的展示达到了较高的水准，且操作训练过程中的感受与实际手术过程中的体验基本一致。一项将混合现实技术应用于骨科手术教学的研究显示，混合现实技术可通过显示手术部位的解剖结构，帮助骨科医师在螺钉安装过程中实现快速定位，进而协助术者提高手术质量[13]。同时，也有多项研究将混合现实技术应用于脊椎手术[20]、心外科手术[21]、腹腔镜手术[14]及肺部手术[22]的临床教学，混合现实技术通过提高学员的空间思维能力和对解剖结构的认知，显著提高了教学效果。

3.2 混合现实全息影像技术能有效提高胸腔、腹腔、腰椎、骨髓穿刺操作的临床教学质量

胸腔、腹腔、腰椎、骨髓穿刺广泛应用于重症医学科、心胸外科、普外科、骨科、肿瘤科等多学科疾病的诊断及治疗过程，是临床医师必须掌握的基础操作技能，而目前低年资临床医师特别是实习医师对胸腔、腹腔、腰椎、骨髓穿刺操作的掌握普遍较为薄弱，不能很好地满足临床实际需要，这与传统穿刺教学方法的短板密切相关：传统教学方法常采用理论教学结合模具教学，而传统的硅胶模具穿刺路径及解剖结构不可视，不能为实习医师提供直观的视觉展示及良好的教学体验。本研究采用的混合现实全息影像教学系统在混合现实可视化技术的基础上结合导航定位技术，可在以混合现实的方式全息呈现模拟人数字化三维解剖结构的同时实时跟踪穿刺针在模拟人体内的空间位置，将位置信息全息呈现在数字模型上，有效提升实习医师对操作过程中涉及的解剖理论知识、操作原理、操作流程等综合认知能力。教学过程中以混合现实全息方式呈现医学模拟人内部的三维解剖结构，从而帮助实习医师直观理解穿刺入路周围组织的解剖结构；通过对操作器械空间位置的定位追踪，实时显示穿刺路径、器械与模拟人空间位置的相对关系，提高操作的准确性；使用增强现实技术，以第三方视角观看显示或录制的混合现实全息影像，便于实习医师学习总结操作要点；在操作中出现可能产生副损伤的风险时实时预警提示，带教教师和实习医师可实现边操作、边观察、边讨论，对操作过程加深理解和记忆深刻，较传统教学方法显著提高了教学水平。本研究教学完成后对两组实习医师进行穿刺操作考核及教学满意度问卷调查，结果显示实验组胸腔、腹腔、腰椎、骨髓穿刺的总分和教学满意度均高于对照组（P<0.05），体现了混合现实全息影像技术教学方法对常用穿刺操作临床教学质量的提升作用。

3.3 研究局限性

本研究存在以下局限性：（1）研究对象均为解放军总医院的实习医师，样本量较小，且实习医师整体医学水平及带教教师的带教水平均会对教学效果产生影响，研究结果仍有待更大样本量的多中心研究进一步验证。（2）实习医师受限于执业资格，需要在教学模拟人上进行穿刺操作训练及测试，尚不能独立在患者身上完成操作，故理论学习、模拟操作与临床实际仍存在差距，而临床实践操作技能最终仍需落实在临床实际应用中，因此，混合现实全息影像教学技术的教学效果仍有待在临床实际应用中进一步验证。

4 结语

作为一种新型全息数字影像技术，混合现实全息影像技术通过结合虚拟及现实场景，可以更加立体直观的方式呈现人体解剖结构并在操作教学过程中即时给予学员干预与反馈，使临床操作学习变得更加简单、高效。混合现实全息影像技术作为一种新型教学方法，值得在临床常用穿刺操作教学及其他临床操作教学中推广应用。