虛擬現(xiàn)實技術(shù)與新型整形外科教學(xué)

徐祥文 黃昕 昝濤

【提要】 由于整形外科病種繁雜多樣、臨床患者特異性較高，其疾病治療的學(xué)習(xí)缺乏可重復(fù)性。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可提供三維、無風(fēng)險的手術(shù)環(huán)境，使學(xué)習(xí)者可在正式手術(shù)前進行演練操作并嘗試獨立完成手術(shù)。但是，單純應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行教學(xué)仍有不足，該技術(shù)無法完全模擬臨床復(fù)雜腸道、血流動力學(xué)等。若能在原本的學(xué)習(xí)循環(huán)中加入新型VR（Virtual reality）模擬技術(shù)，可借由模擬的手術(shù)環(huán)境彌補整形外科教學(xué)中存在的學(xué)習(xí)曲線長且復(fù)雜術(shù)式難以掌握的缺點，從而形成“Observation,thinking,experience,action and teaching”，即“臨床觀摩、臨床問題思考、手術(shù)操作演練、獨立手術(shù)與教學(xué)”的新型循環(huán)學(xué)習(xí)模式。該模式有效突破了傳統(tǒng)的由課堂到手術(shù)臺的學(xué)習(xí)平臺期，使整形外科領(lǐng)域能夠快速且高質(zhì)量地培養(yǎng)更多的專業(yè)醫(yī)生。

隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)教育需求和教學(xué)方法的改變，非手術(shù)現(xiàn)場的外科訓(xùn)練需求急劇增加。整形與修復(fù)重建外科作為高度要求精準操作與實踐的分支學(xué)科，就初學(xué)者而言，學(xué)習(xí)曲線長且難以掌握術(shù)式要點。同時，整形與修復(fù)重建外科作為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的特殊學(xué)科，不僅要求改善術(shù)區(qū)功能，更要考慮手術(shù)局部的術(shù)后美學(xué)結(jié)果。因此，初學(xué)者除了具備傳統(tǒng)的解剖學(xué)知識，更需要具備美學(xué)與人文知識。然而這類患者對初學(xué)者往往缺乏必要的信任，導(dǎo)致初學(xué)者難以借由傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方式進行培養(yǎng)，因此積極地開發(fā)新型的教學(xué)模式顯得格外重要。

1 傳統(tǒng)整形外科教學(xué)模式

最初的外科教學(xué)系統(tǒng)是由Halsted建立的 “See one,do one,teach one”（認識疾病、掌握疾病、傳授知識）[1]，主要是強調(diào)在外科手術(shù)學(xué)習(xí)的過程中，首先觀摩并學(xué)習(xí)手術(shù)的技藝，進而不斷思考并嘗試模擬手術(shù)，最后能夠準確指導(dǎo)其他學(xué)習(xí)者進行該手術(shù)，該模式也與David Kolb提出的“Experience,observation,thinking,and action”（臨床體驗、臨床觀摩、問題思考、手術(shù)操作）相似。然而，隨著醫(yī)療體系的發(fā)展，部分患者對于成為教學(xué)樣品感到排斥，初學(xué)者也對自己首次獨立手術(shù)感到不安[2]，且整形外科病種繁雜多樣、臨床患者特異性較高，其疾病治療的學(xué)習(xí)缺乏可重復(fù)性。

傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方式為參考解剖書籍、查閱相關(guān)文獻、與該領(lǐng)域?qū)＜疫M行學(xué)術(shù)交流等，無法在三維的環(huán)境中進行學(xué)習(xí)與模擬，少數(shù)的操作模擬多為尸體解剖或在動物實驗中進行演練，然而尸體解剖無法提供組織真實的質(zhì)地與顏色，且尸體無法反復(fù)使用，且數(shù)量極為有限，無法供給大量的學(xué)生進行操作與學(xué)習(xí)，使得臨床培養(yǎng)的學(xué)習(xí)曲線過長。故目前迫切需要新型的模擬與學(xué)習(xí)方式。

2 虛擬現(xiàn)實（Virtual reality）技術(shù)在整形外科教學(xué)中的應(yīng)用

整形外科是一個圖像依賴學(xué)科，最好的學(xué)習(xí)方式是在安全的環(huán)境中進行整形外科手術(shù)模擬，可以不斷在錯誤糾正過程中提高技能，并且不會危害到患者的安全[3]。新型的模擬學(xué)習(xí)方式主要包括：標準化患者、虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual reality，VR）、高度保真人體模型（High-fidelity mannequin simulator）等[4]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)即在計算機模擬的手術(shù)環(huán)境中，利用工具進行外科手術(shù)中剪、切、縫等操作，該技術(shù)能夠提供三維且無風(fēng)險的手術(shù)環(huán)境，使學(xué)習(xí)者可以在正式手術(shù)前進行操作演練并嘗試獨立完成手術(shù)，且不存在任何醫(yī)學(xué)倫理問題[5]。

VR技術(shù)起源于上世紀90年代，最初被用于模擬清創(chuàng)、縫合與膽囊切除術(shù)[6]。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代VR技術(shù)可以提供保真度更高的模擬環(huán)境[7]。相較于其他新型的模擬學(xué)習(xí)方式，該技術(shù)的優(yōu)勢在于計算機能夠?qū)崟r反饋學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)情況，例如完成手術(shù)所需的時間、手術(shù)過程中錯誤的舉動等，并及時給予評價，使得初學(xué)者可以在沒有專業(yè)人士指導(dǎo)的情況下，進行多次的反復(fù)的模擬學(xué)習(xí)[8]。VR技術(shù)可以有效減少學(xué)習(xí)所花費的時間、加快特殊手術(shù)技巧的培訓(xùn)，并且為學(xué)習(xí)者建立良好的自信心。近期，更出現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實技術(shù)與CTA資料結(jié)合的模擬方式，該技術(shù)可以在術(shù)前讓醫(yī)生之間、醫(yī)患之間進行充分溝通[9]，有助于提高手術(shù)的準確性[10]。

該技術(shù)目前廣泛應(yīng)用于眾多臨床科室。例如，在耳鼻喉科中使用VR技術(shù)進行鼻竇手術(shù)模擬，學(xué)習(xí)并熟悉解剖結(jié)構(gòu)、需要切除的部位、出血位置的模擬處理等，以保證整個手術(shù)過程具有良好的穩(wěn)定性[11]。在整形外科中，VR技術(shù)最早被用于顱頜面重建手術(shù)[12]，借由虛擬呈現(xiàn)技術(shù)在多節(jié)段顱頜面重建術(shù)中進行骨位置的追蹤[13]。在較為復(fù)雜的鼻部重建術(shù)中，需要了解鼻部骨、血管與周圍軟組織結(jié)構(gòu)，Vartanian等[14]利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)研發(fā)出“虛擬鼻”，不止可以清楚展示鼻骨與顱面骨的關(guān)系，還允許多人連線，同時觀看并學(xué)習(xí)手術(shù)模擬。Suffee等[15]在一項比較CTA與VR技術(shù)在DIEP皮瓣中預(yù)測最佳穿支血管的前瞻性研究中指出，雖然兩項技術(shù)檢測結(jié)果的符合率僅33%，但虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以在術(shù)中為手術(shù)醫(yī)生減少主要穿支血管的確認與分離時間。而后，Gacto等[16]利用VR技術(shù)結(jié)合CTA技術(shù)，在術(shù)前為下肢電燒傷患者模擬需要切取的皮瓣范圍、需要使用的穿支血管位置、預(yù)測皮瓣切取的難易程度，該技術(shù)還可以提供解剖圖像作為教學(xué)工具，且該圖像可以永久儲存并重復(fù)模擬使用。該技術(shù)也用于DIEP皮瓣的乳房重建術(shù)中[17-18]。對于手術(shù)醫(yī)生而言，該技術(shù)可以更為精準地進行術(shù)前穿支血管的選擇與術(shù)前皮瓣的設(shè)計，對于學(xué)習(xí)者而言，可以在獨立操作手術(shù)前進行多次的模擬學(xué)習(xí)。

成功的手術(shù)模擬包括3個部分：手術(shù)技巧、手術(shù)流程和團隊合作[19]。然而，目前的VR技術(shù)尚無法做到高度模擬所有手術(shù)，例如腸道手術(shù)[20]與顯微重建手術(shù)[21]，因該技術(shù)仍無法模擬腸道內(nèi)部的復(fù)雜情況、血管壁彈性與血流動力學(xué)等相關(guān)因素。其次，VR技術(shù)無法模擬術(shù)中因操作引發(fā)的聲音，可能會限制資深手術(shù)醫(yī)生的成長，影響對手術(shù)情況的判讀[22]。如在學(xué)習(xí)全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中使用VR技術(shù)后，手術(shù)結(jié)果的精準性降低[23]。再者，手術(shù)中的團隊合作需要參與者共同進行手術(shù)方式的探討、決定，并在術(shù)中遇到問題時共同制定緊急處置決策。目前的單純的VR技術(shù)僅可用于培養(yǎng)獨立操作能力，尚無法有效地模擬團隊合作，故不利于初學(xué)者養(yǎng)成團隊協(xié)作能力[24]。

3 展望

對于培養(yǎng)合格且具備處理疑難病例的整形外科醫(yī)生而言，單純使用已然固化的學(xué)習(xí)方式較難快速建立獨立且正確的手術(shù)操作，對于手術(shù)自信心的培養(yǎng)也略顯不足。國外已有許多醫(yī)院將VR技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)，美國紐約大學(xué)醫(yī)學(xué)院在唇裂的手術(shù)教學(xué)中，利用VR技術(shù)建立手術(shù)模型，獲得良好的教學(xué)效果[25]。Sena等[26]在一項隨機對照試驗中，納入50名5、6年級的醫(yī)學(xué)院學(xué)生，比較傳統(tǒng)書籍與結(jié)合虛擬成像技術(shù)輔助學(xué)習(xí)皮瓣手術(shù)的教學(xué)效果，64%的學(xué)生認為經(jīng)過VR技術(shù)學(xué)習(xí)后可以更安全、獨立地完成皮瓣手術(shù)。McGaghie等[27]也在一篇META分析中指出，相較于傳統(tǒng)方式，VR技術(shù)在特殊手術(shù)術(shù)式的培養(yǎng)方面具有更大的優(yōu)勢。但是，目前我國將該技術(shù)引入整形外科教學(xué)體系中，除了需要更新相關(guān)理念，還迫切需要建立VR技術(shù)中適用于亞洲人的虛擬模型。因為，亞洲人顱頜面解剖結(jié)構(gòu)、各部位血管、肌肉與皮瓣走形分布、具中國特色的復(fù)雜手術(shù)解剖與術(shù)式等，與目前的以歐羅巴人種為主的虛擬模型存在一定的差異。若能在原本的學(xué)習(xí)循環(huán)中加入新型VR（virtual reality）模擬技術(shù)，可借由模擬的手術(shù)環(huán)境彌補整形外科教學(xué)中存在的學(xué)習(xí)曲線長且復(fù)雜術(shù)式難以掌握的缺點，從而形成“Observation,thinking,experience,action and teaching”，即“臨床觀摩、臨床問題思考、手術(shù)操作演練、獨立手術(shù)與教學(xué)”的新型循環(huán)學(xué)習(xí)模式。這一模式能有效突破傳統(tǒng)的由課堂到手術(shù)臺的學(xué)習(xí)平臺期，使整形外科領(lǐng)域能夠快速且高質(zhì)量地培養(yǎng)更多的專業(yè)醫(yī)生。