虛擬現實技術在腹腔鏡手術培訓教學中的應用效果Meta分析

薛偉男，武慧銘，趙思佳，劉彥龍

(1.哈爾濱醫科大學附屬腫瘤醫院結直腸外科，黑龍江 哈爾濱，150081；2.哈爾濱醫科大學第三臨床醫學院醫學影像學系)

自1987年法國醫生Mouret開創了腹腔鏡手術的新時代[1]，近年腹腔鏡手術逐漸成為腹部外科醫生的必備技能。但同時，腹腔鏡手術具有操作難度大、培養周期長等特點，這使年輕醫生的培養遇到了挑戰。虛擬現實(virtual reality，VR)作為新興技術，以其仿真程度高的特點，受到腹部外科醫生的青睞，越來越多關于VR技術在腹腔鏡手術中應用的研究如雨后春筍般涌現[2]。通過將VR應用于腹腔鏡手術的培訓教學，不僅可訓練腹腔鏡手術的基本操作，還可仿真模擬手術操作的整個過程，使受訓的醫生及醫學生身臨其境地模擬在真實人體上完成手術操作。但同時相較其他培訓教學方式，基于VR的腹腔鏡手術培訓教學系統也有費用較高、便攜性較差、后期需要大量的維護與技術支持的缺點[3]。本研究旨在通過研究基于VR的腹腔鏡手術訓練系統是否有效，以及與其他訓練方法相比效果有無差異，總結腹腔鏡手術教學培訓與推廣的經驗。

1 資料與方法

1.1 檢索策略 中文檢索關鍵詞：虛擬現實、培訓教學、虛擬教學、腹腔鏡手術、腹腔鏡檢查、腹腔鏡輔助手術、婦科、泌尿外科、結直腸外科。英文檢索關鍵詞：Virtual Reality、VR、training、virtual teaching、laparoscopic surgery、laparoscopy、laparoscopic assisted surgery、gynecology、urology、colorectal surgery。檢索關鍵詞通過“AND”與“OR”拼接使用。限定英語與中文為檢索語言在中國知網、萬方、NCBI、Medline、Springer數據庫檢索截至2021年8月的文獻，并將查閱論文的參考文獻作為補充。

1.2 文獻選擇標準 納入標準：(1)與腹腔鏡手術培訓教學相關的隨機對照試驗；(2)納入研究的參與者均為醫學生、實習生、住院醫生、專家;(3)已公開發表的文獻；(4)可獲得本研究所需的關鍵數據，且統計方法正確。排除標準：(1)個案分析、基礎研究、摘要、會議文章、評論；(2)非中英文稿件；(3)無法獲得研究所需要數據；(4)重復發表。

1.3 質量評估與數據提取 在推薦分級評估、制定與評估工作組的指導下，使用GRADEprofiler 3.6評估本研究納入的文獻質量。文獻質量由兩名評價員獨立進行評價，如遇分歧則請教第三名評價員，并討論解決。數據的提取由兩名研究者獨立進行，全程采用盲法，并在最后進行核對。對文獻全文仔細閱讀，并對分歧進行討論。提取的文獻信息包括作者姓名、出版年份、VR訓練設備類型、參與者數量、評估方法、主要結果。提取的數據包括VR組與無訓練組相比，基于操作時間與評分的評價；VR組與箱式訓練器組相比，基于操作時間與評分的評價；VR組與傳統訓練組基于得分的評價。

1.4 統計學處理 首先應用EXCEL進行數據的整理與計算。數據分析時采用Cochrane協作網提供的 RevMan 5.3軟件。因為所納入研究采取的測評手段有所區別，因此使用標準均數差(standardized mean difference，SMD)作為綜合效應值，以消除實驗數據尺度不同帶來的影響。在RevMan 5.3軟件中各項研究進行χ2檢驗異質性。若P≤0.10且I2≥50%說明納入文獻間具有異質性，選擇隨機效應模型，反之則說明參考文獻之間具有同質性，選擇固定效應模型。

2 結 果

2.1 納入文獻的基本情況 剔除同一作者不同時期的文章及同一項實驗的不同文獻，以及個案分析、基礎研究、摘要、會議文章、評論。最終納入14項隨機對照研究，涉及426名醫生及醫學生，其中應用VR組納入210人，無訓練組64人，箱式訓練器組93人，傳統訓練組59人。文獻篩選流程見圖1，文獻基本情況見表1，研究資料基本情況見表2。納入文獻偏倚風險的具體內容見圖2，可見只有一項研究的偏倚風險相對較高。低風險、高風險及不明確風險比例的偏倚風險總摘要見圖3，可見所納入的大部分文獻只有實施偏倚不明確，大部分文獻其他偏倚風險較低。整體而言，所納入研究的文獻質量高。

圖1 文獻篩選流程

圖2 所納入研究偏倚風險總結

圖3 所納入研究偏倚風險摘要

2.2 Meta分析結果

2.2.1 VR組與無訓練組訓練效果的比較 6項研究對比了VR組與無訓練組基于操作時間評價的訓練效果，Meta分析結果發現，VR組操作時間較無訓練組顯著縮短[SMD=-0.94,95%CI(-1.31,-0.57),P<0.00001],異質性檢驗I2=0，P=0.77,異質性低,采用固定效應模型，見圖4。2項研究對比了基于評分評價的訓練效果，Meta分析結果表明，VR組訓練得分較無訓練組顯著提高[SMD=1.39，95%CI(0.67，2.10)，P=0.0002]，異質性檢驗I2=34%，P=0.22，異質性低,采用固定效應模型，見圖5。

圖4 VR組與無訓練組操作時間比較的森林圖

圖5 VR組與無訓練組得分比較的森林圖

2.2.2 VR組與箱式訓練組訓練效果的比較 5項研究對比了VR組與箱式訓練組基于操作時間評價的訓練效果，異質性檢驗I2=83%，P=0.0001，異質性較高，通過逐一排除文獻法進行敏感性分析發現，剔除Mohammadi的研究后(圖6)，研究異質性降低為低異質性I2=0，P=0.40，采用固定效應模型，Meta分析結果顯示，VR組操作時間較箱式訓練組明顯減少[SMD=0.54，95%CI(0.16，0.92)，P=0.006]。3項研究對比了基于評分評價的訓練效果，Meta分析結果(圖7)表明，兩組得分差異無統計學意義[SMD=-0.21，95%CI(-2.37,1.94)，P=0.85]，異質性檢驗I2=88%，P=0.0002，異質性較高，通過逐一排除文獻法進行敏感性分析后無明顯改變，提示Meta分析結果穩定，因此采用隨機效應模型。

圖6 VR組與箱式訓練組操作時間比較的森林圖

圖7 VR組與箱式訓練組得分比較的森林圖

2.2.3 VR組與傳統訓練組訓練效果的比較 3項研究對比了VR組與傳統訓練組基于得分評價的訓練效果，異質性檢驗I2=89%，P=0.0001，異質性較高，通過逐一排除文獻法進行敏感性分析發現剔除Nickel的研究后，研究結果發生變化(圖8)，研究異質性降低為I2=55%，P=0.14，采用固定效應模型，VR組得分較傳統訓練組高[SMD=1.98，95%CI(1.08，2.88)，P<0.0001]，該文獻對研究結果的影響較大，造成結果改變的原因可能是系統或專家評估的具體任務存在差異。

圖8 VR組與傳統訓練組得分比較的森林圖

表1 文獻基本情況

續表1

表2 研究資料的基本信息

3 討 論

隨著精準醫學的快速發展及臨床醫生對微創外科理念的不懈追求，腹腔鏡手術逐漸成為大部分腹部手術的首選，較傳統開放手術，具有創傷小、臟器功能干擾輕、康復快等優點。近年，達芬奇手術機器人系統的普及更是讓腹腔鏡技術達到了前所未有的新高度。但與此同時，腹腔鏡手術具有操作難度大、培養周期長等特點，這使年輕醫生的培養遇到了不小的挑戰[18]。隨著科技的發展，基于VR技術的腹腔鏡培訓教學系統應運而生，其在解剖教學、手術入路培訓、視頻學習等方面的獨特優勢，可明顯縮短青年醫生與醫學生的學習曲線，近年逐步在我國醫科院校、醫院的教學培訓中得到推廣應用，成為推動智能醫教改革發展的技術力量[19]。

基于VR技術的腹腔鏡培訓教學系統利用多媒體技術、數字影像技術與仿真技術相結合生成逼真的視、聽、觸覺一體化的虛擬手術環境，受訓者借助手術設備及VR設備對虛擬環境中的解剖結構進行腹腔鏡手術操作的訓練，目前已有研究證實了基于VR技術的腹腔鏡培訓教學系統是有效的；此外Jin等[2]的一項研究表明，對沒有經驗的醫學生或新手外科醫生更有益，它似乎可提高參與者第一次腹腔鏡手術的表現。本研究再一次證實基于VR技術的腹腔鏡培訓教學系統是有效的，進一步探討了基于VR技術的腹腔鏡培訓教學系統與箱式訓練器、傳統訓練的效果差異，結果表明基于VR技術的腹腔鏡培訓教學系統優于另兩者。

結合所納入文獻分析VR訓練器的優勢與劣勢,我們發現，在縫合訓練方面，VR訓練器較箱式訓練器更勝一籌[16,20]，這可能因VR訓練器具有以下優勢：(1)每一步訓練都有相應教學視頻教授標準操作方法；(2)每一步關鍵步驟都有提示，引導學員循序漸進；(3)每項任務完成后都有自動評價，并指出其錯誤與需要改進的地方；(4)更加真實，使學員更加身臨其境。同時有文獻[21]指出，模擬訓練箱較VR訓練器可提供更加真實的觸覺反饋，這可能因應用VR訓練如切割、電灼、移動易位中鏡頭是由計算機操作。此外，VR受訓者的觸覺反饋是計算機根據電運動計算模擬出來的，沒有模擬訓練箱使用真正的手術器械得到觸覺反饋那么準確。其次，對比VR訓練組與傳統訓練組教學效果時，我們發現剔除Nickel的研究后，研究結果發生了變化，VR組的得分高于無訓練組，VR組的培訓教學效果優于傳統訓練組。進一步分析發現，Nickel的研究中，對照組采用了多種傳統訓練方法相結合的混合培訓教學方案，達到了與VR組相似的訓練效果(P=0.92)，這是否也間接說明了混合培訓教學方法的訓練效果優于單一的傳統訓練效果，尚需后續的研究討論。

雖然VR訓練器優于盒式訓練器、傳統訓練，但由于其費用高昂[22]、便攜性較差、后期需要大量的維護與技術支持的缺點，并不適合我國當前的國情特點與需求[17]。但我們仍應看到VR技術在腹腔鏡手術培訓教學中的巨大潛力，其通過模擬臨床場景，為醫學生提供了無風險、標準化的學習環境，同時也革新了腹腔鏡教學模式，即從各環節相對獨立的“教-學-實驗”轉變為“理論+模擬實操+反饋”，這是其他教學方式所無法達到的[23]。因此，我們也提出了自己的想法，是否可通過利用新一代5G互聯網技術與VR技術相結合，構建腹腔鏡教學培訓平臺來降低基于VR技術的腹腔鏡手術培訓教學的成本，提高了便攜性與通用性，以實現推廣。這值得我們進一步討論與實踐。

本研究也具有一定的局限性，首先,由于目前國內開展的基于VR的腹腔鏡手術培訓教學相對較少，所納入的國內文獻較少。其次，由于所納入文獻的訓練手段及評分系統存在差異，研究間的可比性不足。最后，由于目前針對VR技術對患者安全性的研究較少，本研究未進行討論，希望后續研究對此加以補充。