虛擬現實技術在外科教學中的應用

顧 曉 ，楊 進 ，杜擁軍 ，古 濤

（1.揚州大學第一臨床醫學院泌尿外科，江蘇揚州 225001；2.美國布朗大學醫學院，羅德島州，02860）

虛擬現實技術在外科教學中的應用

顧 曉1，楊 進1，杜擁軍1，古 濤2

（1.揚州大學第一臨床醫學院泌尿外科，江蘇揚州 225001；2.美國布朗大學醫學院，羅德島州，02860）

虛擬現實技術（Virtual Reality，VR）是近年出現的計算機輔助應用技術，在醫學教育領域初顯優勢。新時代的外科教學面臨挑戰，文章介紹了VR技術的特點及其在外科教學中的應用現狀及展望。

虛擬現實技術；模擬環境；外科學

當代醫學教育正面臨諸多挑戰，如醫學科技的快速發展需要更多的醫學教育時間，醫學新領域的出現要求增加醫學課程，醫學教育需要從被動傳授型向主動學習型轉變，同時需要適應醫療服務模式的轉變。外科學教育已歷經一個多世紀的發展，這是一門實踐性很強的學科，需要增加醫學生接觸患者和操作訓練的機會，同時又要保護患者隱私和避免傷害；醫學招生規模的擴大使醫學生在外科實驗室和醫院手術室的操作機會與時間更加不足；醫患關系敏感使自愿參與教學活動的患者明顯減少；醫學生在臨床只能隨機遇到可觀察學習的病例或手術。在外科教學中如何解決以上問題？計算機與信息技術的迅猛發展，為醫學教育提供了現代化的環境，基于計算機仿真技術的虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術的誕生與發展，將對外科學教育產生深遠的影響。

1 VR技術及其特點

VR技術是指通過多媒體技術與仿真技術結合而生成逼真的視、聽、觸覺一體化的虛擬環境，使用戶與虛擬環境中的客體交互作用，從而產生身臨其境的感受和體驗[1]。它是在計算機圖形學、計算機仿真技術、多媒體技術、圖像處理與模式識別、人工智能技術、網絡技術等基礎上發展起來的交叉學科，是對現代仿真技術的突破和發展。VR技術的基本特征是臨境感、交互性和構想性[1]。臨境感是指計算機生成的虛擬環境能給人以身臨其境的感覺，如同進入真實的客觀世界；交互性是指用戶能夠與虛擬環境中的對象進行交互操作，從而感知和響應虛擬環境；構想性是指虛擬環境能夠激發用戶的想象力和創造性思維，提高感性和理性認識。VR技術因其可操作性、真實性和可重復性等優點，已成為當今計算機多媒體輔助教學的重要發展方向之一。目前，VR技術在醫學教育中，已經成功應用于基礎醫學、臨床醫學及遠程教育等方面，該技術在虛擬醫學手術教學中的優勢尤為突出。

2 通過VR技術學習外科技能

VR技術在外科教學中亦稱計算機外科模擬教學系統。手術教學一直是外科教學的難點，學員只有增加手術操作訓練方能提高手術成功率，減少失誤率。VR技術可以通過模擬和復制手術場景，讓初學者通過反復訓練，不斷改正操作錯誤，達到準確熟練掌握外科技能，鍛煉應對臨床手術中各種風險的能力。虛擬手術操作系統具有可重復、無風險和自動指導等優點，學員通過它完成從切割、止血、分離、病灶處理到縫合等步驟，身臨其境地觀察和感受人體組織。VR技術還可以對模擬操作的結果進行評判，向學員反饋訓練情況，調整培訓計劃，使學員能夠更好地掌握外科手術要領和技術，為臨床實踐作好準備。

外科手術已從開放手術發展至微創手術，包括腹腔鏡手術和機器人手術。與開放手術不同，內腔鏡操作時需要觀察兩維的監視器，手術者需要適應有限的觸覺反饋和使用長器械時的支點效應[2]。通過VR技術進行模擬訓練可以縮短實際臨床工作中的學習曲線，提高實踐工作中的學習效率和手術成功率，減少并發癥的發生。研究采用VR技術進行微創手術訓練的學習曲線，結果表明新手經過大約10例的操作訓練后可以達到熟練的程度[3]，但各學員展示的學習曲線不盡相同，因此對于操作訓練達到熟練程度的課程時間需個體化制定。達到熟練操作之后，所學的技能約能一定程度地保持7個月[4]。研究表明采用不同VR外科模擬系統產生的學習曲線是相似的[5]。

通過VR技術學習外科技能，其目的是提高在臨床操作實踐中的熟練程度，因而通過模擬系統所學的技能能否應用于臨床實踐是衡量該系統價值的重要指標。P a r k等研究表明，通過VR技術訓練結腸鏡操作的學員，能更好地對患者進行此項操作，這個差異表現在對首個10例患者的操作[6]。另一項研究表明采用VR技術訓練的醫生進行腹腔鏡膽囊切除術，在手術時間、損傷發生率和術后恢復方面明顯優于未經訓練者[7]。以往外科操作技能評估，通常是教師或上級醫生的主觀判斷，沒有準確可靠的評判系統，VR技術能夠自動，快速和公正地評判學員的操作表現，評估學習效果，可以監控學習進度，向學員反饋信息，最終確認培訓目標是否完成，是此項技術的另一優勢。VR技術本身需要具有可靠性和被認可性，包括學員對結構和界面的認可。研究表明結腸鏡VR模擬系統的結構與界面認可度良好，但上消化道內鏡檢查VR模擬系統受到批評，認為內腔鏡插入食道是實際操作中相對較難的步驟，而VR技術將此步驟表現得過于簡單[8]。來自學員的反饋意見將有助于VR技術的改進與優化。

專家建議應將采用VR技術的手術訓練列入外科學課程，如基礎腹腔鏡課程由12個操作模塊和7個考試模塊組成[9]。必須在VR模擬系統上訓練達到熟練方可進入手術室進行實際操作，已是許多國際專家的共識。在課程設置時，選用具有較高認可度的VR模擬系統作為教學工具，安排分層漸進的訓練時間，確定達到熟練程度的參數要求。培訓課程結束時檢驗學員的學習效果，以進一步優化課程設計與目標。我國已將VR虛擬手術系統應用于外科教學，如廈門大學研發的“肝虛擬手術系統”，國防科技大學計算機學院和解放軍總醫院合作研制的“虛擬膝關節鏡外科手術仿真系統”。

雖然精湛的外科操作技術是每個外科學員的目標，手術室的其它因素也是手術成功的重要保證，如團隊的合作與交流，術中情況的及時掌握，術中的決策和管理等。這些非手術操作技能的重要性在傳統外科教學中被低估，亦無統一標準的培訓評價體系。通過VR技術建立虛擬手術室可以全真再現手術室的精細復雜配合，如Paige報道在虛擬手術室中手術醫生、麻醉醫生與護士一起協作處理腹腔鏡膽囊切除術患者術中發生的房顫[10]。在這個VR模擬系統中，不僅可以評估手術操作的水平，還可以評估對患者情況變化的處理。在真實手術室中，學員不一定能遇上適合的手術示教病例，手術的難易與學員的操作水平不相適應，學員無法重復操作，外科教師的水平和教學態度不一，這些因素提示，于外科學員而言，虛擬手術室有諸多優勢，能夠模擬真實的手術場景，提高外科醫生的綜合處理能力，不同地點的人員可以同時通過遠程登陸參與學習與訓練。

3 虛擬患者在外科教學中的應用

醫學生與患者進行交流在外科診療學習中不可缺少。1999年由新加坡Cyber Active科技公司研制的Cyber患者（Cyber Patient）是最早的虛擬患者之一[12]，學員可以對該患者進行病史采集（Cyber患者將回答學員的提問），體格檢查（包括視診、觸診和特殊檢查），輔助檢查，治療計劃，手術，術后處理與隨訪。美國Linden研究公司開發的“二次生命”（Second Life）是國際最新的醫學虛擬世界（Virtial World），學員可以進入虛擬門診，學習采集病史、體格檢查和閱讀影像資料，盡管這一學習系統尚未加入手術部分，外科教育工作者已十分看好其巨大的外科教學潛力。高速互聯網的發展與普及，使不同地點的學員可以同時對虛擬患者進行操作，相互交流診療的體會，提高互動性學習的效率與效果。由VR技術建立的虛擬患者通常被設計為具有某一臨床病癥，用于醫學知識與技能教學。虛擬患者也可幫助外科醫生針對真實患者的不同解剖特點，設計不同的手術預案。

每位患者的解剖均有一定的差異，尤其病理狀態使解剖特點可能發生明顯改變，導致局部情況與解剖圖譜及手術圖譜有很大區別，這種共性基礎上的差異可能造成實際工作中的失誤。先進醫學影像診斷設備能夠精確采集患者的解剖結構信息，通過VR技術重建出虛擬患者，給外科醫生帶來手術的真實感受，便于制定個體化手術方案，模擬手術過程，預感手術風險，增加實際操作的安全性，提高手術成功率。應用VR技術還可以模擬患者的生理狀態，預測患者對某項治療的反應。盡管這些治療前的模擬設計還沒有作為臨床工作的常規，但無疑對外科教學有重要影響。

4 結語

操作技能與非操作技能的學習是外科教學的兩個重要方面，通過VR技術的學習需將這兩方面的訓練相結合，需循序漸進地進行訓練。初學者可以采用低保真VR模擬系統進行基本手術技能訓練，再通過高保真VR系統學習特殊手術步驟，最后在虛擬手術室凝煉手術技能，此時學員可以有機會學習非操作技能，切實感受手術緊張感和實戰狀態。盡管VR技術在新時代外科學教育中將發揮重要作用，仍需重視傳統學習方法，合理進行課程設置，兩者結合形成混合學習方法（blendedlearning），將利于學員全面深入理解和掌握外科學知識與技能，讓患者獲得準確的診斷和安全的治療。

[1]張力.應用虛擬現實技術提高網絡教學質量的研究[J].電化教育研究,2003,（6）:56.

[2]A ggarwalR,Moorthy K,DarziA.Laparoscopic skillstraining andassessment[J].BrJ Surg,2004,（91）:1549.

[3]Gallagher AG,Satava RM .Virtualreality as ametric for the assessm entoflaparoscopic psychom otor skills learning curvesand reliabilitym easures[J].SurgEndosc,2002,（16）:1746.

[4]Stefanidis D,Korndorffer JR Jr,Sierra R,etal.Skillretention following proficiency-based laparoscopic simulator training[J].Surgery,2005,（138）:165.

[5]A ggarwal R,Tully A,Grantcharov T,etal.Virtualreality simulation training can improve technicalskills during laparoscopicsalpingectom yforectopicpregnancy[J].BJO G,2006,（113）:1382.

[6]Park J,Mac Rae H ,Musselm an,LJ,et al.Random ized controlledtrial of virtualrealitysim ulatortraining:transferto live patients[J].A m JSurg,2007,（194）:205.

[7]Seymour NE,G allagherA G,Roman SA,etal.Virtualreality training im proves operating room perform ance:results ofa randomized,double-blinded study[J].A nn Surg,2002,（236）:458.

[8]Moorthy K,Munz Y,JiwanjiM ,etal.Validity and reliability ofavirtualreality uppergastrointestinalsim ulatorand crossvalidation usingstructured assessm entofindividualper form ancewithvideoplayback[J].Surg Endosc,2004,（18）:328.

[9]PanaitL,Bell R L,R oberts KE,etal.Designing and validating acustom ized virtualreality-based laparoscopicskillscurriculum[J].JSurgEduc,2008,（65）:413.

[10]Paige J,Kozm enko V,Morgan B,etal.From the flightdeck to theoperating room :an initalpoilotstudy ofthe feasibility and potentialim pactoftrue interdisciplinary team training using high-fidelitysim ulation[J].J Surg Educ,2007,（64）:369.

[11]K arim Qayum iA,Qayumi T.Com puter-assisted learning:CyberPatient-a step in the future ofsurgicaleducation[J].JInvestSurg,1999,（12）:307.

[12]Boulos MN, Hetherington L,Wheeler S.Second Life:anoverview of the potentialof3-Dvirtualworlds in medicalandhealth education[J].Health in fo Libr J,2007,（24）:233.

The Application of VR in Surgerical Teaching

GU Xiao1,YANG Jin1,DU Yong-jun1,GU Tao2
（1.Urological Surgery,Yangzhou First Clinical Hospital,Yangzhou Jiangsu 225001,China；2.Medical College of Brown University,State of Rhode Island 02860,USA）

VR is the application of the computer aid technique in recent years,which shows its dominant position in medical education.The modern teaching of surgery faces to challenge.This passage introduces the features of VR and its present situation and future in the teaching of surgery.

virtual reality;simulation environment;chirurgery

G 642

B

1671-0142（2011）05-0055-03

顧曉（1969-）,男,江蘇揚州人,副教授,博士,研究方向為外科臨床醫學教學與研究.

（責任編輯劉 紅）