腹腔鏡技術系統虛擬仿真實訓平臺的構建和應用

邵永 ，李穎 ，李龍 ，黃琳燕 ，洪健 ，姚立彬 ，朱孝成 ，曾令宇

1.徐州醫科大學附屬醫院減重代謝外科中心，江蘇徐州 221004；2.徐州醫科大學醫學技術學院，江蘇徐州 221004

虛擬現實醫學創始人凱斯科薩瓦達斯曾指出：“醫學已經進入精準醫療、人工智能、虛擬現實的時代，需要借助新技術來提升醫學教學質量和水平[1]。 ”《2018 年教育信息化和網絡安全工作要點》（教技廳 [2018]1 號）文件中要求要“加快推進示范性虛擬仿真實驗教學項目建設”。 由此可見，作為臨床醫學教學改革的重要舉措，虛擬仿真教學必將成為未來發展的重點方向。

減重手術最早應用于治療肥胖癥，既可有效減輕體重，還能改善肥胖相關性疾病[2-3]，已成為肥胖癥治療的“金標準”。但是，由于受缺乏統一的培訓大綱、質量控制標準等因素的影響，較大地限制了減重代謝外科的健康發展[4]。 利用現代信息技術和數字化資源開發虛擬實訓教學軟件，通過網絡平臺實現虛擬實訓教學，其優越性和效果是不可估量和不可比擬的[5]。

1 平臺的軟件要求、硬件保障和技術指標

1.1 網絡條件及軟件環境

平臺以校園網為基礎進行構建，與學院門戶網站及教務管理系統等互聯，并可接入互聯網。 學院設有專用高性能服務器， 可靠地保障了高流量使用和多點訪問，能夠滿足500 人同時使用的網絡要求包括服務器帶寬不低于100 M，校園網接入方式終端訪問帶寬不低于20 M，互聯網接入方式終端訪問帶寬不低于50 M。

平臺的軟件環境支持Microsoft 公司正版服務器操作系統。 ①服務器：操作系統 Win server 2012 及以上版本；②終端：Windows10 及以上均可；③瀏覽器：Chrome（谷歌） 版本 103.0.5060.114 或360 極速瀏覽器版本13.5.2022.0，分辨率建議調整：1920*1080。

1.2 硬件保障

目前配置的硬件設施可容納70 余名學生在線開展虛擬實訓實驗。 ①服務器配置：CPU E5-2620V4/內存16G*2（DDR4 -2133MHz）/硬盤 1T*2/電源 495W 單電，塔式或機架；②終端使用要求：電腦配置達到或高于（電腦配置：CPU i5 以上，4 G 獨顯，256 G 固態硬盤） 或者新建不低于以上配置的機房，學生自備電腦均可使用。

1.3 技術指標

平臺為B/S 架構，支持通過PC 瀏覽器訪問平臺，方便網絡化開放管理及日常應用，可支持基礎醫學、臨床醫學等實訓教學課程的線上教學。 平臺可將基礎知識、標準視頻、案例分析、課程管理、學習任務發布、在線訓練及考核等各階段學情數據進行統計分析，形成階段性和形成性評價報告供用戶參考。 平臺具有良好的擴展性，可根據教學實際需求實現平臺容量和功能的擴充及與其他網站相鏈接，且支持離線任務。

2 平臺功能模塊

平臺采用模塊化設計，主要包括5 個模塊：①腹腔鏡系統模塊；②腹腔臟器解剖模塊；③手術技能訓練模塊；④病例庫模塊；⑤測評考核模塊。實訓中有引導和考核兩種模式，引導模式自由練習，考核模式記錄成績，所有實訓項目均可交互和重復。

平臺軟件分服務端和客戶端兩部分。服務端配有獨立數據庫和服務端運行程序，通過管理員操作可為虛擬實訓提供全面的輔助服務。客戶端可提供用于操作的虛擬腹腔鏡設備和器械，運用多媒體技術在平臺上營造臨床腹腔鏡手術各環節的虛擬實訓情境，學員可通過人機交互完成仿真模擬實訓。 此外，平臺留有充足的開放接口，可根據需要拓展其他學科虛擬實驗、微課、試題等數字化資源，形成多專業課程交叉融合、共建共享的教學平臺。

3 平臺使用方法

3.1 平臺登錄

平臺支持與院校統一登錄認證系統對接，實現一站式登錄。 電腦系統win7 及以上64 位操作系統，校區內登陸時可選擇局域網網址：http://172.27.0.67:1234，校園網服務器鏈接直接訪問平臺首頁。 校外登陸時教師、學員需登陸徐州醫科大學網站，通過VPN 賬戶登錄。 平臺首頁界面登錄用戶類型有管理員、 教師或學員3 種，分別輸入各自的用戶代碼和初始密碼進入系統，即可完成權限允許的任何操作。

3.2 管理員端操作

管理員進入界面后可以創建、刪除和導入所有類型用戶，維護學校、院系、年級及班級等信息，查看實驗成績、學習日志及管理日志等，實現對虛擬仿真實訓教學的管理。

3.3 教師端操作

教師端可以創建和編輯課程、題庫和試卷，進行教學資源上傳等操作。 點擊進入教師端，再點擊添加試題按鈕，選擇試題類別、試題難度，試題題目及答案解析之后，點擊保存試題按鈕；隨后點擊實驗詳情頁面測試按鈕，進入試題頁面即可看到該試驗下的所有試題。

3.4 學員端操作

實驗中的引導模式可自由練習。學員可在互聯網內的任何一臺電腦上進行交互式操作，通過賬號密碼或手機驗證碼在仿真實訓平臺上登錄，即可進行相應實訓項目的學習和訓練。

3.4.1 腹腔鏡儀器虛擬實驗 點擊進入腹腔鏡系統任務欄，學員可通過三維虛擬仿真場景，學習腹腔鏡系統設備的結構、原理、功能、使用方法及注意事項，并可仿真演示、操作、控制其臨床實際工作過程。

（1）組件：①顯示器；②攝像主機；③攝像模塊；④冷光源；⑤氣腹機；⑥攝像頭；⑦光學鏡；⑧刻錄系統；⑨3D 攝像頭；⑩手術器械。

（2）組裝：①在臺車上自上而下放置顯示器、主機、模塊、冷光源、氣腹機及刻錄系統，連接所有設備的電源；②連接模塊和主機的數據聯系；③連接主機和顯示器DVI 數據線；④連接攝像和模塊；⑤連接氣腹機至鋼瓶；⑥導光束連接光源和光學鏡，光學鏡卡入攝像頭。

（3）調試：①打開主機、冷光源、攝像模塊和氣腹機，調節白平衡、清晰度及焦距；②光源亮度調至1/3 處，氣腹機壓力調至12~15 mmgh；③連接腹腔，建立氣腹，穿刺器打孔；④將光學鏡置入腹腔開始提供畫面。

3.4.2 腹腔臟器解剖及腹腔鏡技能訓練虛擬實驗 學員點擊進入臟器解剖任務欄，選擇對應項目可模擬觀摩虛擬患者臟器解剖，使學員看到的解剖結構更真實、清晰。點擊進入各步驟界面后， 就會出現契合此教學環節的圖、文、音、視、動畫等素材。

手術技能訓練任務欄中，學員可在虛擬場景中使用腹腔鏡器械進行鉗夾、止血、切割等操作訓練，并可將每一個操作分解，不熟練的部分進行重復練習。 每完成一個操作步驟，均可看到相應的實時影像，系統適時出現語音、動畫或彈出對話框，對操作要領、原理、相關知識等提問、注釋，對錯誤的操作或執行進行提醒、打分、修正，以保障實操訓練的規范化和安全性，此軟件獲得了國家版權局計算機軟件著作權。

3.4.3 病例庫虛擬實驗 點擊病例庫任務欄進入技能訓練類型選擇界面， 有 “腹腔鏡袖狀胃切除術（LSG）”/“LSG+雙通路術”等標準化虛擬仿真手術等實訓項目可供選擇。 進入該項目分步技能實訓，可學習包括病例特征、術前準備、手術過程、操作要點及注意事項等內容。

（1）臨床案例：王某，男，30 歲，因“進行性體重增加5 年，伴血糖進行性增高3 月”入院，身高170 cm，體重110 kg。 診斷為“代謝綜合征、糖尿病”，擬在全麻下行“LSG+雙通路術”。

（2）術前準備：①手術環境保持安靜，地面及設備清潔。 濕度在50%~60%，溫度在18~22℃。②患者準備：術前 12 h 禁食，4~6 h 禁水； 做好個人衛生， 注意切口清潔；入手術室前摘除貴重物品及假牙，戴好手腕帶。③醫務人員準備：著裝規范，準備手術器械，核對患者信息。

（3）模擬減重手術過程：①全身麻醉；②患者取平臥位并固定；③腹部消毒、鋪巾、鋪單；④連接氣腹機器、腔鏡機器和光源；⑤連接手術器械；⑥經臍部建立氣腹；⑦置入腹腔穿刺鞘；⑧懸吊肝臟；⑨經患者口腔置入胃支撐管，并調整至合適位置；⑩超聲刀游離胃大彎側大網膜；11○將胃支撐管放入至胃竇，沿胃支撐管使用腹腔切割閉合器將胃大彎組織切除；12○胃大彎側切緣全程包埋縫合；13○取出胃組織，檢查術區無出血；14○取小腸與胃竇行胃腸吻合術；15○關閉腸系膜裂孔；16○置腹腔引流管，關閉切口。

3.4.4 虛擬實驗測評考核 本軟件既能了解學員對此次操作的整體認識及完成等級情況，可對操作熟練度有量化認識，還可通過練習數據的對比發現操作時沒關注和需要改進的地方[6]。實驗中的考核模式可記錄成績。測試題只有在老師添加試題后才會出現，點擊“測試”可答題練習，點擊“實驗報告”可填寫實驗報告，點擊“查看結果”可查看提交的實驗成績，頁面最下方可提交留言。

4 平臺使用效果

4.1 平臺使用

自2020 年開放運行以來， 醫學技術虛擬仿真實訓平臺的使用達到3 170 人次。 項目已服務本校2019 級、2020 級醫學檢驗專業本科生實驗實訓教學， 共計200余人，師生反映良好，取得了較好的教學效果。

4.2 問卷調查

對106 名學員通過平臺開展實訓教學進行了問卷調查，回收且有效的答卷106 份，回收率為100%。 統計結果顯示對通過平臺開展實訓教學的滿意度高，71.7%學員認為通過平臺可獲得更多的實訓機會，81.2%學員認為平臺有利于理論知識的理解和掌握，69.8%學員認為有較高的現實意義和推廣價值。但也有少數學員對實訓平臺某些方面的評價持否定態度。 見表1。

表1 學生對于通過平臺開展實訓教學的評價[n(%)]

5 平臺的應用價值

開展虛擬仿真實訓可將線下教學中難以表現的操作通過線上加以展現，實現操作者與虛擬環境之間的互動與反饋，激發無限的想象力和開放性思維，給予學員身臨其境的感官刺激，獲得接近真實的臨場感受和實驗效果[7]。

5.1 提高教師水平，增強教學效果

軟件不僅可模擬手術過程及關鍵操作步驟[8]，還有助于學員更好地掌握腹腔臟器解剖和手術技能，增強實訓教學效果。通過虛擬仿真軟件模擬腹腔鏡技術系統訓練，可培養一批懂解剖、會帶教的專培師資，以提升手術帶教水平和效果。

5.2 優化教學模式，利于學員實訓

虛擬仿真技術具有沉浸感、真實感和實時性等優勢[9]，學員既不用擔心因操作失誤造成實驗設備的損壞，還可通過人機互動對訓練過程進行評價、反思和改進，大大激發學員的自主學習熱情，并提供給學員更多的訓練機會。

5.3 豐富教學資源，促進學科建設

平臺的搭建大力推動了醫療資源向教學資源的有效轉換[10]，豐富了教學資源并實現了開放共享。 實踐證明，外科醫生在虛擬仿真技術實訓后其臨床技能得到快速提高。很多專業嘗試開展了虛擬仿真腹腔鏡手術教學[11]，在取得良好教學效果的同時，也推動了學科建設。

6 反思及設想

平臺的應用較好地解決了醫學專業核心技能課程的實訓問題， 既能利用現有的教學資源實現共用共享，又有利于提高實訓質量，具有一定的現實意義和推廣價值。 隨著實踐教學的開展也發現了一些問題，如網絡環境不穩定、系統安全性欠佳、教學資源不足及學員計算機能力差異大等，給實訓教學的實施與管理帶來了一定的困難[12]。

為適應教育信息化的趨勢， 保證項目的可持續，今后的建設重點是開辟新的模塊軟件，打造更多的網絡精品課程[13-14]。同時，開發多版本（PC 版、移動版、虛擬現實版等）虛擬實驗實現“多平臺虛實結合”實訓教學，不僅保障全方位、多途徑的技能訓練，還可滿足不同區域、不同層次高校的需求。 此外，采用開放式虛擬仿真實驗教學管理能提供跨專業、跨學科應用的開放環境，使之成為更廣范圍內實訓教學的共享資源平臺，不斷提高學校的現代化教育教學水平。