虚拟现实技术在白内障手术教学中的应用进展

张铃铃,张国增,范硕宁,白一彤,曹 鼎,王 语,杨滢瑞

1.河南省立眼科医院, 郑州 450003;2.河南大学护理与健康学院, 河南 开封 475004

白内障作为眼科常见致盲性眼病之一,导致患者不同程度的视力受损甚至失明。目前,白内障的首要治疗方法仍为手术治疗[1],其手术时间短,但操作精度高,术中任何一步都不容差错。而与之相对应的是,目前中国白内障手术覆盖率尚低,熟练进行白内障手术的医师数量仍有不足[2-3]。长期以来,对于初学者眼科手术培训多以有经验手术医师的带教和实体动物手术操作为主,传统教学模式存在手术医师能力高低不一、学习曲线长、设备器材损耗较大、牵涉伦理问题且手术并发症发生率增加、预后不佳等弊端[4-5]。加之绝大部分白内障手术在局部麻醉下进行,限制了新手眼科医师与上级医师在手术室的交流,增加更多手术风险[6]。因此,白内障手术教学模式亟待改进,以提升手术教学能力。虚拟现实(virtual reality,VR)技术是利用计算机技术模拟虚拟环境,具有可重复性、可视化、逼真化等优势,目前已经被应用于白内障手术教学中。文章对国内外VR技术在白内障手术教学中的应用情况进行综述,以期为眼科教学人员充分利用虚拟现实技术提供新的视觉和参考。

1 VR技术的概述

1.1 VR技术的概念

VR技术是一种借助计算机系统模拟真实世界构建出的高仿真的模拟环境,通过产生电子信号及视、听、触觉等多感官的逼真模拟,利用多种传感输出设备,使用户真切置身于某种场景,具有无限想象空间,可以实现用户实时与该环境进行自然交互的技术[7]。从概念中研究者可以分析得出VR技术的特征,即多感知性、沉浸感、想象性及交互性。

1.2 VR技术的起源与发展

VR技术于20世纪60～70年代初开始萌芽,以1968年研发的交互式头盔立体显示器为主要标志。1984年,伴随虚拟环境视觉显示器的出现和1989年虚拟实验室概念的提出,引领了VR技术蓬勃发展,尤其是20世纪90年代至今,该技术被广泛应用于教育和医学事业[8]。目前,VR技术在临床教学中主要用于医学解剖教学、手术操作培训、情景模拟等[9]。

2 白内障手术教学中常见的VR模拟器

白内障手术教学中常见的VR模拟器主要有EyeSi模拟器、HelpMeSee模拟器和Micro-Vis Touch模拟器等。其中,EyeSi手术模拟器由德国VR magic公司研发,可用于玻璃体视网膜和白内障手术训练,目前应用最为广泛。该模拟器可仿真标准的眼科手术环境,包含专有的硬件和软件系统。硬件包含位于具有多个物理端口的模型眼、可提供立体影像的虚拟手术显微镜、可模拟各种手术器械的手持探针、可调节焦距且变焦的脚踏板等;软件系统包括基本的显微外科技能、特定玻璃体视网膜和白内障手术培训模块(夹持、撕囊、超声乳化和人工晶体植入等),可客观地测量每个模块的关键性能参数[6,10],在白内障手术教学中已展现出极大的优势。HelpMeSee模拟器是由国际非盈利组织开发的专用于小切口白内障手术(manual small incision cataract surgery,MSICS)的一种模拟器,用于进行MSICS的培训,该模拟器可仿真难易程度不同的手术场景帮助眼科医师进行手术技能培训[11-12]。而Micro-Vis Touch模拟器是一款高度仿真的且唯一包含触觉感应反馈界面的模拟器,可最大程度地实现“沉浸式手术”,该模拟器同Eyesi手术模拟器功能相似,也用于玻璃体视网膜及白内障手术的培训[13]。

3 VR技术在白内障手术教学中的应用现状

3.1 VR技术在白内障理论教学中的应用

由于眼球解剖结构微小且复杂,而依靠书本和模型的讲解眼部解剖和手术过程是一种静态的教学方式,教学模式单一且抽象,导致理论与实践脱节,严重影响学生的学习效率和教学质量。伴随VR技术下3D MAX、Maya、3D-Doctor等软件的问世[14],三维立体解剖模型和场景模拟使抽象晦涩的器官结构能清晰地展现在眼前,让教学过程更加形象直观,有利于学生更好地了解眼部解剖结构、体验各种视觉障碍,如视物模糊、视觉变形、视野缺损等[15],使学生在获得真实的教学体验的同时,更好地理解和掌握知识[16]。此外,VR技术在白内障手术影像演示教学中也尽显优势。刘梦可等[17]将三维数字平视化系统(NGENUITY 3D)用于白内障超声乳化吸出联合人工晶状体植入术中,研究发现相较于传统显微镜下手术,运用3D平视化手术系统给手术观摩医师带来更为舒适的肩颈体验及更好的示教效果,其教学满意度更高,与Romano等[18]研究结果一致。同时,使用VR技术进行白内障手术操作使手术医师以平视的姿势在三维显示屏上看到手术视野,可减少示教手术医师颈部肌肉劳损,对于减轻其身体负担,延长职业寿命有一定的益处[19]。综上所述,将VR技术应用于白内障理论教学中对教学双方均有裨益,未来可将虚拟现实元素进一步融入白内障教学和考核中,创新虚拟现实教学模式,提升教学质量。

3.2 VR技术在白内障实训教学中的应用

3.2.1 VR技术在国外白内障实训教学中的应用

VR技术在国外白内障实训教学中的发展较为成熟。目前,在白内障实训教学中VR手术模拟器不仅从视觉上模拟真实手术,还仿真真实手术触感。Kim等[20]在视觉模拟器训练的基础上研发了基于触觉的VR白内障手术模拟器,在模拟手术中,通过使用头盔显示设备模拟显微镜下的体验,使用脚踏板控制手术视野,使用仿真引擎中的VR触碰器来控制虚拟碰撞与眼睛模型的触觉反应,当遇到操作错误时可根据系统发出的触觉反馈进行调试。在VR模拟器中构建触觉反馈,使新手眼科医师能同时进行手眼协调的仿真训练,以获得更加真实的手术体验。一项比较了模拟器中有无设定触觉反馈的VR训练的系统回顾发现,多数有触觉反馈的VR模拟器在技能训练中比没有触觉反馈的更有效,尤其对于新手医师来说,缩短了学习曲线和手术时间[21]。可见基于触觉的手术模拟器在白内障教学中具有巨大潜力。此外,不同学者比较了白内障手术教学中常见的VR模拟器的性能。Nayer等[22]比较了Eyesi模拟器和Micro-Vis Touch模拟器的性能,结果表明,Eyesi模拟器可根据手术技能区分眼科医师手术操作能力,其结构有效性良好,而Micro-Vis Touch VR模拟器在眼科实训中的结构有效性尚不清楚,需进一步探究。在印度,Nair等[12]使用HelpMeSee模拟器验证其面部效度和内容效度,研究发现,74.3%的眼科医师认为该模拟器视觉和触觉模拟是逼真的,94.3%的眼科医师认为该模拟器的使用有利于提升其术中的手眼协调能力,可见HelpMeSee模拟器的面部效度和内容效度均良好,该模拟器可作为白内障外科手术实训的辅助教学工具。综上所述,VR技术在白内障实训教学中具有一定的可行性且应用效果较好,但仍需要对除Eyesi模拟器以外的VR模拟器进一步探索,并研究其在手术培训时间中的应用效果,使之更好地应用于白内障教学,进一步满足不断增长的精细化的眼科手术需求。

3.2.2 VR技术在国内白内障实训教学中的应用

VR技术在中国白内障教学中的应用较晚,但发展前景广阔。2019年教育部公布的国家虚拟仿真实验教学项目认定中,临床医学类有28项,其中外科教学培训集中于宫腔镜和腹腔镜手术技能培训,在白内障教学培训中有待进一步探究。李佳骏等[23]将VR手术模拟器用于住院医师白内障手术培训中,试验组使用Eyesi手术模拟器进行手术操作培训,对照组采用猪眼训练,结果显示,试验组医师各模块考核评分和用时均优于对照组,且在手术体验感、手术技能帮助程度、提升自信心和整体满意度等方面效果显著。VR技术增加了眼科住院医师在模拟真实手术的信心、决策和处理能力,提升了白内障显微镜手术操作技能。这与吴航等[24]研究一致,可能是因为VR技术在白内障术中模拟的真实感、安全性和可重复性,反复训练可逐步提高初级眼科医师对显微手术技能的掌握程度。但孙远等[25]研究认为,使用动物模型进行白内障手术训练的评价及临床操作帮助度高于VR模拟训练,原因可能与其选取的研究对象为二三年级住院医师,习惯于接受传统的教学方式及其使用的Micro-Vis Touch模拟器目前在国内技术发展受限,导致其无法感受到VR技术的益处有关。因而,VR技术在国内应用于白内障手术教学仍需进一步发展完善各个模块,逐步提高其适用性。目前,白内障手术模拟器在北京协和医院眼科和国内其他医院已被使用,在具备模拟操作功能的同时还加入了评分系统,量化了手术操作考核方法,未来可用于评估手术医师的操作能力[26]。综上所述,VR技术作为新兴的教学工具,将其运用于白内障手术实训教学中是大势所趋,但在国内仍需要加强技术创新,进一步推动VR技术在白内障手术教学中的应用,进而全面提升白内障教学水平,强化眼科人才队伍建设。

4 VR技术在白内障手术教学中应用的意义

4.1 创新教学方法,优化教学模式

依托VR技术的白内障教学是通过计算机、数据库、网络通信、人机交互和虚拟现实等技术,创建出高度仿真的虚拟对象和虚拟环境的一种新式教学方式[27]。目前,国内白内障手术培训多以理论教学、观看手术录像和以动物眼训练为主[28]。手术录像具有可重复性的优势,但缺少体验感;而动物眼虽拥有接近人眼的真实体验,但其无法复制人眼解剖结构的复杂性且重复利用率低,难以大规模推广[29]。而VR技术的出现,给白内障手术教学带来了新的机遇。相较于传统的教学模式,运用VR技术进行白内障教学具有高仿真、可视化、可重复性、随时可用等优势,通过构建与白内障手术相似的虚拟环境,借助相关虚拟手术器械完成白内障手术训练,创造立体真实的模拟手术环境,使课堂教学更加生动形象,同时突破时间、空间、设备、教学病例等限制,增加新手眼科医师在培训中的手术操作机会,实现“沉浸式手术”[30]。此外,借助VR技术进行白内障手术教学,可供学习者反复训练,可将复杂的手术技能分模块训练,使其循序渐进地掌握手术技能;且VR反馈系统可提醒错误操作、操作结束的评估报告,还可供观摩学习,促进了白内障教学方法的改革,进一步优化了白内障教学模式。

4.2 提升手术技能,增强手术信心

随着新兴技术的蓬勃发展,VR技术在白内障的教育和培训中受到广泛关注。Thomsen等[31]通过多中心临床试验探究了使用Eyesi手术模拟器进行白内障手术培训对手术性能的影响,结果表明,使用VR模拟器进行白内障手术培训,提升了初级和中级白内障眼科医师的手术操作技能,但对有经验医师的手术技能改善效果并不明显。一项探究Eyesi手术模拟器对眼科实习生有效性的系统评价表明[32],使用该模拟器可以提高眼科实习生的白内障手术操作技能,减少操作失误。国内学者探究了VR手术模拟系统在眼科住院医师微创白内障手术培训中的应用效果[23],研究发现,使用VR手术模拟器可提升住院医师的白内障显微手术操作技能和心理素质,增加其职业初期进行手术的自信心。可见,基于VR技术的手术培训在提升初级或中级眼科医师手术技能中具有重要作用,但对高级医师的应用效果还需进一步进行实证研究。

4.3 降低手术并发症,提高满意度

VR技术给眼科教学带来诸多优势,同时还需考虑患者的利益,最大限度地保护其安全[33]。英国皇家眼科学会国家眼科数据库对从2009—2015年的眼科医师使用VR模拟器追踪发现[34],引入Eyesi模拟器的白内障手术培训对于工作第一年和第二年的新手眼科医师来说,其后囊破裂发生率降低了38%。一项探究VR模拟器训练对白内障手术并发症影响的定性研究也同样发现[35],在白内障手术培训中使用该模拟器降低了后囊膜破裂发生率。可见,将VR技术应用于白内障手术教学有利于降低手术中后囊膜破裂发生率,进而提升医护满意度,但在降低其他并发症发生率等方面的证据有限,未来还须探索其在其他并发症中的效果。

5 VR技术在白内障手术教学中应用的不足之处

目前,VR技术在白内障理论和实践教学中均取得良好的培训效果,可作为一种白内障手术培训中有益的训练工具,但其在技术、成本等方面还须改进。首先,须考虑引进白内障手术模拟器的成本效益[26,36],目前市场上的机器价格昂贵,比如Eyesi手术模拟器平均价格在10万美元以上,这也导致了该仪器在中国和其他发展中国家的推广受到阻碍。此外,VR技术的实施与开展还受到模拟器保真度不高、缺乏手术技能转移及可产生晕眩感等的限制[36-37]。多数白内障手术模拟器能够在视觉和触觉反馈中提供高保真度,但仍有不足,如部分模拟器未增加触觉反馈系统,且在视觉真实感中,出现模拟器手术器械因施加力量因素造成眼球扭转等不良后果。因此,伴随VR技术在眼科教学中的兴起,须加强技术革新,创新VR教学模式,实现手术技能的转移,进而提升白内障教学质量。

6 结束语

VR技术作为新兴的教学工具,将其用于眼科领域,推动白内障手术教学手段的创新是非常重要的技术趋势。多数研究发现,VR应用于白内障手术教学中可有效提高新手眼科医师的手术操作技能,降低并发症发生率,但目前相关研究处于初始阶段,仍存有一些不足。未来还须开展长期、大样本、多中心的研究,进一步从手术技能转移、成本效益等多方面验证VR技术在白内障手术教学中的有效性。同时,还应不断创新VR技术,提高白内障手术模拟器的保真度,减少眩晕感,增加VR技术潜在的经济效益和社会效益,进一步推动VR技术在临床教学中的广泛应用。