虛擬現實技術在心血管外科手術教學培訓中的初步應用研究

李林林，于振坤，樊紅光，鄭哲

自1896年Ludwig Rehn醫生首次成功地完成了真正意義上的心臟手術以來，心外科已經經歷了百余年的發展歷程[1]，但心外科醫師的培養仍然遵循著傳統的模式，也就是醫學生在醫學院完成了基礎理論學習，掌握了基本的解剖學、病理學以及外科學的知識以后，進入臨床見習和實習階段,從而完成對外科學由抽象到具象的認識過程，實現了由文字和二維圖片到實景畫面的提升。進入臨床培訓階段后，受訓醫師往往由助手做起，經過類似學徒性質的學習過程漸漸成為一個臨床醫生。

但是這種傳統的培養模式存在著諸多不足和缺陷。學員尚未掌握心血管外科的專科基本知識就要參與到繁忙的臨床工作中，這不但使心外科醫師的學習曲線明顯延長，而且還會導致醫療差錯發生率上升。因此在臨床醫師的培養階段，如何讓他們對心臟解剖結構產生充分的認識，如何縮短心外科醫師的培養周期，使他們安全地跨越從一個觀察學習者到手術者的鴻溝，正是目前迫切需要解決的問題。

在全世界范圍內，目前還沒有一個公認有效的心血管外科虛擬教學系統能夠在醫學院校或教學醫院中廣泛使用。因此我們借鑒神經外科、普外科、骨科、泌尿外科等專業人才培養的經驗[2]，將虛擬現實（VR）技術引入到心外科醫師的培養過程中。

1 資料與方法

1.1 病例選擇

選取經超聲心動圖證實為先天性心臟病的成年患者15例（男性11例，女性4例），其中房間隔缺損、室間隔缺損、法樂四聯癥、肺動脈閉鎖、右心室雙出口各3例。患者年齡在18～45歲之間。所有患者均進行外科手術治療。術前進行增強計算機斷層攝影術（CT）檢查，以明確心臟病理解剖結構。每種病例選取圖像質量較好1例行進一步的數據分析。

1.2 心臟CT數據的獲取

1.2.1 患者準備：所有患者均經肘正中靜脈留置靜脈留置針。清潔患者皮膚后，將電極片穩定地貼于心電采集部位對應的皮膚上進行心電監測，教授患者憋氣動作。

1.2.2 圖像采集：采用西門子公司的64排螺旋CT機以前瞻性心電門控模式進行掃描，掃描范圍12～15 cm，采集時間5～6 s,管電壓為120 kV，管電流為770 mA，球管旋轉速度0.33 s/周, Pitch=0.2,層厚0.625 mm。患者接受的平均輻射劑量為（3.6±1.7）mSv。使用雙筒高壓注射器通過靜脈留置針以3.5 ml/s的速度注射非離子造影劑（碘海醇注射液）,造影劑濃度為350～370 mg/100 ml。

1.3 心臟三維模型的建立

將原始CT數據導入到影通3D軟件（晟視科技，杭州）中，調節灰度閾值使得所選圖像掩膜（MASK）準確覆蓋整個心臟區域。對MASK進行3D重構得到濾波平滑后的心臟三維模型。對心臟三維模型進行3D分割操作，切除與心臟三維模型粘連的胸椎及胸肋骨骨骼部分后，導出用于進行VR顯示的心臟部位三維模型。

1.4 VR模型顯示

將心臟三維模型導入到Unity軟件（unity technologies）中，處理模型使其具有特定顯示的效果和局部透明、可改變渲染顏色、可改變顯示方式等一種或多種功能。打包已處理模型。把打包的數據放置到影通VR軟件（晟視科技，杭州)的指定文件夾中，心臟三維模型便可在頭戴式顯示器（headmount display，以下簡稱“頭顯”）中進行360°全景立體顯示。通過控制器對心臟三維模型進行放大、縮小、旋轉、透明（全景或局部）等一系列交互操作，使得病灶點立體顯示于觀察者的視野空間中。

1.5 教學效果評價

自2018年1月至2018年10月，18名在阜外醫院學習的醫師系統地學習了我們制作的VR教材。18名醫師中包含8名實習醫師、7名研究生和3名專培生，男性13人，女性5人，中位年齡24.5歲（22～29歲）。為了解學員對VR教材的學習體驗，每名學員在完成VR教學課程后均需填寫一份調查問卷，問卷的內容如表1第一列所示。命題1～3、4～6、7～10、11～13、14～15 分別描述了 VR 教學系統的沉浸感、操控性、視覺體驗、學習效果和副作用。該問卷的設計基于李克特量表（Likert scale）[3]，每一個命題都給出了5種表示態度的備選答案（完全不同意、不是很同意、說不準、比較同意、完全同意），并用0～4分記分，分數越高表示對某命題的同意程度越高。問卷滿分為60分（15×4=60），中立態度得分為30分（15×2=30）,單一命題的累計最高分為72分（18×4=72），中立態度得分為36分（18×2=36）。問卷中的題目均為態度積極的正向命題，問卷得分越高則表示使用者對VR教學越認可。

表1 調查問卷結果分析[例（%）]

1.6 統計學方法

用SPSS 24.0軟件進行統計分析。非連續變量以頻數和百分比表示。連續變量以均數表示，采用單樣本t檢驗。P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

我們基于CT圖像成功構建了部分類型先天性心臟病的VR解剖學教材，學員借助touch手柄即可對3D圖像進行旋轉、拆分、切割、縮放等操作（圖1）。

醫師所填寫的調查問卷的結果見表1。18位學員的平均分為44.6分，標準差為3.7分。經單樣本t檢驗，問卷平均分顯著高于持中立態度的分值，差異有統計學意義（t=16.9，P＜0.01）（圖2）。問卷中每個命題的累計分數如圖3所示。命題1的累計分數為36分,整體呈中立態度，其中只有27.8%的醫師認為VR教材的畫面較為逼真。對于VR教材的操控性、視覺體驗和學習效果，學員都有著積極的評價，所有學員均未出現視覺和位置覺相關的不適癥狀。

圖1 先天性心臟病的VR解剖學教學過程

圖2 18名醫師的問卷評分情況

圖3 15個命題的得分情況

3 討論

外科學是一門對解剖學依賴性很強的學科，術者只有對局部解剖結構和臨近器官的毗鄰關系有著相當清晰的認識才能確保手術的安全和準確。而美國解剖學的教學時間已經從1955年的350個小時縮減到了2009年的149個小時[4]，同時由于尸體來源缺乏和尸體標本不易重復使用，傳統解剖學的教學資源十分匱乏[5-6]。事實上自1995年到2000年短短的五年內，由解剖學錯誤造成的醫療索賠增加了7倍[7]。可見傳統的基于尸體的解剖教學已不能讓學生充分掌握解剖學知識并應用于臨床。就心外科而言，心臟有著不規則的幾何結構，初學者往往難以充分了解心臟內各結構的毗鄰關系，特別是先天性心臟病中的部分復雜畸形常常讓初學者感到十分困惑。

VR技術的出現很好地解決了上述問題。

VR是指在計算機上生成一個與現實世界近乎相同甚至一模一樣的仿真世界，用戶借助人機接口與計算機進行交互，從而在仿真環境中產生真實世界的體驗。目前VR集成了雙目立體視覺、立體聲、觸覺反饋、位置跟蹤等先進技術，用戶可以在虛擬環境中產生視覺感知、聽覺感知、觸覺感知和運動感知。VR技術已被公認為是21世紀重要發展學科以及影響人們生活的重要技術之一。

VR首次應用于醫療保健領域起始于20世紀90年代初期，醫務人員在手術過程中通過VR將復雜的醫療數據可視化，并將其應用于術前規劃[8]。時至今日，VR已經在微創手術中得到廣泛地應用，如Huber等[9]利用VR頭顯構建了腹腔鏡虛擬手術室；在神經外科領域，加拿大國家研究委員會的50多位專家與20多家教學醫院的外科醫師合作開發了 VR 手術模擬器“NeuroTouch”[10-11]；Heng等[12]開發了VR關節鏡手術系統并提供了逼真的觸覺反饋；在心血管領域，VR技術多用于介入手術的教學培訓[13-14]。

由于心外科的病種及手術操作的復雜性，有關VR技術在心外科領域的應用鮮有報道。Friedl等[15]利用虛擬現實建模語言（VRML）在計算機中構建了可交互的3D心臟模型，不過該模型與心臟的真實結構仍有差異。Ong等[16]用CT數據構建了心臟虛擬模型，從而為2名先天性心臟病患兒實施了解剖評估和手術規劃。Bruckheimer等[17]與以色列的Realview公司合作也成功構建了結構性心臟病的3D模型，并進行了手術導航，但需要應用專業的全息設備。

我們將VR技術應用到了心外科學員的教學過程中，并制作了部分類型先天性心臟病的VR教材，其教學效果良好，目前可作為傳統教學模式的重要補充。實際上，在傳統的教學模式下，學員幾乎是作為第二助手參與手術，其位置距術野較遠，特別是當心臟位置較深時，第二助手幾乎無法了解心臟內部的真實解剖結構。而VR模型卻是全方位、無死角、可拆分、可切割的，這就使得在心外科接受專科學習的學員能夠對先天性心臟病的病理解剖有直觀而準確的認識。問卷中我們也可以看出，所有人對VR教材的教學內容都有著深刻的記憶，Ayodeji等[18]的研究也表明了類似觀點。因此我們認為，在傳統教學的基礎上，融入VR技術的教學方式會有著更佳的教學效果。這也與國外類似研究的結論一致[19-23]。

因CT數據有著易于獲取、對比度高、樣本量大等諸多優勢，所以本研究使用了增強CT數據得到了較為典型的先天性心臟病VR模型。但由于造影劑從上肢注射，在下腔靜脈內分布不足，造成下腔靜脈的顯影不佳。雖然CT機進行心血管掃描時會用心電門控或心電觸發技術減少運動偽影，但是部分患者還是因為配合不良、呼吸運動等因素導致了部分圖像的失真。調查問卷的結果也顯示大部分學員對3D心臟模型的逼真程度不太滿意，為此我們接下來將應用動態對比增強MRI（DCE-MRI）來構建動態心臟模型，在MRI圖像中描記心肌組織的每一個細節，并采用NVIDIAQuadro圖形顯卡進行畫面渲染以構建出更逼真的心臟模型。

雖然我國心血管外科手術發展迅猛，但是醫療資源及手術技術仍存在顯著的地方差異[24]，特別是在心血管領域，隨著經皮介入技術的普遍開展，外科手術也為介入手術提供了強有力的安全保障[25]。因此，規范化地培養心血管外科醫師就顯得尤為重要。目前，本研究只是對于VR技術在心血管外科教學培訓中的應用進行了初步探索，雖然存在一定的局限性，但結果引人注目。接下來我們將不斷完善該技術，下一步的研究方向是VR心血管疾病的系列培訓教材、構建VR手術室平臺系統。