基于unity3D的虛擬仿真手術訓練體系在臨床醫學生教學中的應用研究

陳國棟 鄧鑫 廖文彥 賀軍 齊碩 雷曉華 侯嘉豐 謝翼 陶光偉 馮燦 涂順 謝湘閩 丁成明

1南華大學衡陽醫學院 南華大學附屬第一醫院肝膽胰外科，衡陽 421001；2南華大學衡陽醫學院 南華大學附屬第一醫院產科，衡陽 421001；3南華大學衡陽醫學院 南華大學附屬南華醫院肝膽外科，衡陽 421001

臨床醫學專業學生實踐教學的現狀和發展情況

1.目前臨床醫學專業生的實踐教學現狀

對于醫學生及社會而言，從理論知識過渡到臨床實踐，其中充滿很多不可控因素及風險挑戰，好的教育引導顯得十分重要。Mao等［1］在中國醫學生焦慮和抑郁的研究中發現，中國醫學生抑郁癥平均患病率為32.74%，焦慮平均患病率為27.22%，反映了學醫過程中充滿了許多挑戰和困難。目前來說，醫學生的臨床實習效果因為種種原因而變得差強人意。迄今為止，醫學本科五年制教學基本采用在校學習3年、見習1年、實習1年的方式，真正讓學生接觸臨床實踐的時間僅為2年，而大部分離校學生在實踐時間相對較短、學習任務較重、學校和醫院相應的管理措施存在較多缺陷的情況下，才開始接觸臨床，使醫學生的學習態度發生了變化，造成成績不是很理想。此外，醫學生實習目前在法律法規上缺乏相應的保障，實習醫生缺乏獨立實踐的機會，社會輿論導向對弱勢群體的報道以及患者自我維權意識和法律意識的提高，對實習醫生的工作執行有拒絕的權利，大大降低了實習醫生獨立臨床工作的概率。而且，由于大多數的高等醫學院校和臨床附屬醫院之間缺乏必要的溝通和聯系，帶教醫生臨床工作任務繁忙，帶教醫生對實習醫學生重視不夠或者缺乏帶教經驗等情況，以及教學方式的不合理性，同時，在實習過程中，醫學生除了要面對繁重的臨床學習，很多醫學生迫于家庭及社會的壓力，進而準備考研、找工作等?？偨Y起來，這些原因都在一定程度上使醫學生實踐教學工作的開展達不到應有的目的，并且使得學生越學越累，造成惡性循環?，F階段，我國醫療衛生體系改革也出現瓶頸，亓來華等［2］分析了目前我國“5+3”臨床醫學人才培養模式的現狀和問題，提出了轉化教學思維、革新教學方式、更新教學技術，做到以學生為主體的自我學習模式，多途徑拓展臨床技能訓練的目標。

2.醫學生教育的現階段發展及局限

傳統醫學類學生的教育，在很長一段時間內，都是以不同學科類型為主的教學模式。該模式被認為是將海量的醫學知識由教師向學生系統傳授的最高效方式。當然，該模式缺乏靈活性，學生面對海量的醫學知識，不知從何下手，課堂上老師滔滔不絕地傳授，不免有些疲倦。目前針對一些基礎醫學課程的教學實踐安排顯得不合情理，講師往往要求在幾個學時下完成1個系統甚至2個系統的授課內容。成建華［3］研究指出在基礎醫學課程整合改革中，最主要的整合方法就是打破原有的學科界限，將外科學、內科學、生理學、病理生理學、病理學、藥學、生物化學等課程按體系分別拆分，然后重新劃分成新的一體化課程。以器官系統為中心的整合課程模式雖然在一定程度上緩解了醫學生學習的疲勞程度，但其并未積極調動醫學生的自我主動學習性。當然，教學的目的和意義是培養醫學生自我處理問題和學習的能力，目前隨著基于問題的學習法（PBL）、案例學習法（CBL）、團隊學習法（TBL）教學模式的引進，極大緩解了醫學生在學習過程中脫離實踐的矛盾，并提高了醫學生的自主能動性，醫學生的自主學習能力、臨床思維能力、動手操作能力、解決問題的能力都得到了一定程度的提高，但目前CBL+PBL教學效果缺乏大數據支撐，現有教學模式如何進一步提升，還需要深入研究探討［4-6］。醫學模擬教學是指應用多種技術手段模擬臨床場景，以幫助醫學生提高臨床能力為目的，提供無風險、規范化的學習條件和環境的教學模式。目前模擬教學在醫患溝通教育課程中無風險、標準化應用，極大地提高了教學質量，改善了教學效果，并逐步完善了我國醫患溝通教育教學體系［7］。教育信息化工作在信息化不斷發展的今天，也逐步被搬上議事日程。教育部連續出臺不少文件和指示，要加速推進現代化信息技術與高等教育的有機融合。站在嶄新的歷史起點，現代社會發展賦予了教育新的使命，即通過“五育”并舉與融合的途徑去推動教育體系的全方位改革，其背后折射的則是對教育本質立場的堅持，以人為本，對人的健康成長與生命品質的關注，教育現代化的終身教育與信息化的推進［8］。醫學教育與現有信息技術發展成果相結合，不僅順應時代發展要求，更使得新一代醫學生綜合素質更上一層樓，更好的搭建了一個良好的平臺，讓醫學生提前體驗臨床［9-11］。目前虛擬仿真實驗平臺的搭建進行得如火如荼，虛擬仿真平臺采用VR/AR、增強現實等技術，使參與者沉浸到三維動態視景環境中，并能夠通過眼睛、觸感、聽覺變化，實現人機交互操作，讓醫學生加深對知識的理解和使用，透過虛擬的環境來體會臨床工作中的現實。

3.實踐教學中應用虛擬仿真手術訓練

虛擬現實技術（virtual reality technology）是集人機交互技術、多媒體技術、3D技術、仿真技術、計算機軟件學、人機界面技術等多種技術為一體的尖端交叉技術。隨著計算機技術的不斷發展，在基礎醫學知識教育和臨床技能培訓方面，應用虛擬現實技術可以擺脫傳統教學模式的諸多限制，不僅可以創新教學理念、拓展教學空間、提升教學質量，還能提高教學效率、減少耗材投入，做到人機互動，這樣才能有效地促進教學的改革與發展［12］。一種全新的學習模式，虛擬仿真技術在醫學領域的應用也是有目共睹的，最關鍵的是，學習者的學習成績以及實踐操作技能有了顯著的提高，保證了教學質量［13］。隨著虛擬技術的不斷成熟，能將課本上死板、抽象的知識或實踐性較強的教學內容具象化，生動、形象地呈現在同學們的面前，幫助同學們對知識點有更好的理解，對臨床的一些技巧也有一定的掌握。同時虛擬技術因其交互性、沉浸性為實習醫生及較年輕的住院醫師提供了逼真的手術室環境，學習者更加愿意主動積極地學習，而不是被迫灌輸各種知識，這對我國醫學教學改革的建設具有重大意義［14］。王萌等［15］研究表明，相對于傳統的教學模式，在外科手術器械的教學與應用上，虛擬現實技術的外科教學系統可以加深學生對器械使用方法的理解，試驗組在器械使用方法題的得分顯著高于對照組，從而提高教學質量?？傮w來說，VR技術的運用有效解決了傳統教學方法中學生對書本知識理解不到位、學習主動性不高、教學資源分配不均等問題，提高了學習者的興趣和專注度，是一種新穎、高效的教學方法。

虛擬仿真手術訓練體系的意義及優勢

1.虛擬仿真手術訓練體系順應時代發展及需求

目前三維醫學解剖數據分析在指導臨床工作中起到日益重要的作用，VR技術引用其中，為醫務工作者提供一個可用于術前規劃的虛擬環境。該技術不僅能讓醫護人員沉浸在模擬的手術場景中，在臨床操作中提前感受并學會應對復雜實際情況的方法，各種手術的實際操作也可以通過視、聽、觸覺來感知和學習［16］。運用該技術不僅為醫務人員節省了培訓費用，而且對提高醫療教育培訓效率和質量具有十分重要的意義，使實施手術的風險大大降低［17］。虛擬手術（virtual management）是虛擬現實技術與現代醫學、生物力學、材料學等多學科交叉融合的產物，隨著各種技術在醫療領域的發展而日益受到重視。虛擬手術系統在電腦中構建一個包含手術對象模型、手術器械模型，甚至可以包含手術室場景等復雜環境的手術虛擬環境，將手術過程借助虛擬環境展示給相關醫護人員，并提供手術指導、培訓等［18-19］。

2.虛擬手術訓練（virtual operation）是虛擬現實技術在醫療領域最有發展前景的一類應用

2.1.醫學教育應用虛擬手術訓練系統 虛擬手術訓練系統構建了一套基于unity3D的能夠模擬真實手術的系統，提供手術展示、模擬和訓練等功能需求，供醫護人員或醫學院學生使用。與傳統手術訓練相比，不僅使手術訓練更加三維立體化、零風險化，還充分調動了參與者的積極性，彌補了醫學生缺少臨床手術訓練機會的缺陷。這對于年資尚淺的醫生來說意義重大，此外，在傳統的訓練過程中，很多病例和病體由于手術過程中操作對試驗體的不可逆影響而無法重復進行試驗，這一方面給對病例的手術結果評估帶來壓力，另一方面也造成了資源的不足，并且由于虛擬環境的可重用特性，系統可以在虛擬的手術訓練模式中進行初始化設置，不限制每個病例的訓練次數，也可以重復應用對病例的手術結果評估［20］。并且虛擬手術訓練巧妙地避免了手術過程中的潛在問題，目前臨床上許多傳染病患者手術過程中導致醫務人員感染的事件報道屢見不鮮，手術也很可能會對醫生造成細菌病毒感染的危險。手術訓練本身就是針對那些通過虛擬環境進行手術訓練的新醫生或醫學院學生，他們對手術不是很熟練或缺乏必要的自我保護意識，能夠模擬真實訓練，同時也避免了因新醫生技能不足而耽誤手術治療或因操作不慎而使訓練者自身感染細菌的情況發生。這對于提高手術訓練的安全性，避免醫學和倫理道德沖突以及通過虛擬環境進行手術訓練的新醫生或醫學院學生進行手術訓練，具有重要意義［21］。Wilson M等［22］指出通過在虛擬現實模擬器上進行基于熟練度的培訓，能夠提高臨床相關的白內障手術技能，具有中等經驗水平的新手和外科醫生的手術室表現得分有所提高，這無疑給新醫生帶來了福音，研究還發現更有經驗的白內障外科醫生并沒有從模擬器培訓中受益。虛擬手術訓練的可重復性、低風險性為年輕臨床醫務工作者創造了一個可反復學習手術操作和應對手術過程中突發狀況處理的機會，為他們在實際手術提供向導。一些研究中指出虛擬手術訓練可以用來評估外科醫生的技能，并且可以用來評估培訓外科醫生的進度。Bric JD 等［23］在研究中指出VR培訓課程中獲得的技能與在干燥的實驗室模擬中獲得的技能相當。

2.2.虛擬仿真技術在臨床實踐中的指導和臨床應用 隨著現代化模式的不斷發展，更趨向學生本體、問題本位，為了改善原有教學模式中存在的種種挑戰和不足，目前高科技在實驗教學中所占比例越來越大，在醫學教學中應用虛擬仿真技術，就成為了解決這一難題的最好方法。心肺聽診在臨床技能教學中一直以來是醫學生學習的重點和難點，通過虛擬仿真技術，我們可以使用標準化病人教學系統對醫學生進行培訓，使醫學生能夠直觀具體地接觸到臨床實踐，通過該技術使醫學生的臨床技能水平得到明顯的提高。此外，通過教學模擬胸腔穿刺、腹腔穿刺、骨髓穿刺、腰椎穿刺、氣管插管，并結合交互性力反饋的醫學穿刺模擬系統，模型上的實時定位反饋系統，為操作人員提供一個非常逼真的手術訓練環境，充分鍛煉操作者的臨床應變能力。另外，交互式化診療思維訓練系統（body interact）是以真實案例為基礎的虛擬病人的互動體驗，能夠實時體現患者健康狀態，在接近真實的臨床診療環境之中，循序漸進地訓練學員正確的臨床診斷步驟和思維能力［24］。劉欣和趙婷華［25］在基于體感交互技術下虛擬訓練對肩關節功能障礙的肩關節活動范圍與肌力改善效果的研究中表明，體感交互技術下虛擬訓練可有效改善肩關節活動范圍、增強肱骨肌力水平、促進患者肩關節恢復各項功能。另有研究表明利用互聯網+虛擬現實技術在泌尿外科教學的過程中具有獨特的優勢，既可實現對學生的臨床思維能力、臨床知識及技能掌握程度的綜合評估，也可達到提高對臨床診斷思維及對策的學習效果，極大的緩解了醫學生在真實病人手術時給病人帶來的風險和痛苦，使醫療糾紛問題得到了源頭上的緩解，也為醫學生的順利成長保駕護航［26］。目前臨床上醫學生親自操刀的可能性極低，這是鑒于當前教學資源緊張、醫患關系緊張的醫療環境。一方面，上級醫生不放心，另一方面醫學生自身學藝不精，不敢在活人身上操作。但是，通過虛擬訓練平臺，醫學生可以身臨其境地體驗虛擬環境下的各種手術效果，以及各種突發情況、避免或減少手術失誤、提高手術成功率，具有零風險、高性價比、可重復性等優勢［27］。

2.3.虛擬仿真技術在外科手術領域的發展 從萌芽到獨立發展，VR概念的誕生和思想的形成經歷了大約1個多世紀的發展和演練過程。從1965年Ivan Sutherland 教授在其論文中闡述了有關計算機交互的內容—the ultimate display（終極顯示）到1973年Myron Krurger 教授提出“Artificial Reality” 及VPL 公司 Lanier J 提 出 的“Virtual Reality”一詞，VR技術從想象到一步步成為現實。VR模擬的未來包括在評估中用于重新認證目的、基于程序的高級培訓以及作為手術前的熱身工具。隨著虛擬技術的不斷發展和新技術的不斷融合，目前，裂唇修復手術模擬系統、腹腔鏡輸卵管結扎手術訓練系統、手術傷口清創術模擬訓練、神經外科手術模擬訓練系統等多項虛擬手術訓練系統已在國外出現，通過與傳統手術訓練效果的比較，虛擬仿真手術可以實現針對患者個體化術前評估和手術設計，為臨床醫生診療提供依據。并相繼在國內開發了鼻內窺鏡虛擬手術模擬系統、膝關節鏡模擬系統、虛擬血管介入手術訓練系統、虛擬仿真電子內窺鏡教學系統等相關虛擬手術訓練系統。腔鏡手術作為普外科最為常見的手術之一，是每一位普外科大夫所必需的技能。腔鏡手術是每個普通外科醫生必備的技能，作為普通外科最常見的手術之一。近年來，《腹腔鏡模擬器腹腔鏡手術訓練教程》以VR技術為基礎，得到了廣泛的應用［28］。有研究表明，運用VR技術的手術訓練能使學習者的學習曲線縮短，訓練時間降低。潘睿俊一邊為1名82歲的女性患者實施3D腹腔鏡下右半結腸癌根治術的同時，運用腹腔鏡圖片與手術室全景圖片的VR全程直播中首次在國內使用VR技術進行了全方位的展示，各位專家及學習者都可通過手機以及佩戴VR眼睛全程參與手術過程，充分學習該手術的難點以及手術重點。除了這些，近年來，VR也在走進外科手術，特別是復雜、難度較大的干預措施。肝膽外科由于其本身復雜的解剖結構以及涉及多個器官臟器的手術而具有巨大的挑戰性。目前來說，先進的成像技術，如虛擬和增強現實（AR），可用于克服其中的一些挑戰，優化術前診斷和戰略治療規劃，為患者精準制定有效的手術規劃。通過術前的三維虛擬建模，發現可能遺漏的解剖變異和復雜的解剖關系，并且AR能夠提供精確的肝臟體積計算、沿肝段的切除平面的術前規劃、門靜脈蒂的最佳定位以及腫瘤切除邊緣范圍的分析，從而減低術中風險，加速患者術后康復［29］。另在骨科臨床手術中，不再局限于二維影像信息，如早期的X光、CT、核磁共振等。隨著虛擬技術的發展，骨科醫生的術前規劃、手術導航、手術定位、手術方案的制定等都是經過電腦處理形成三維圖像重建后的［30］。這極大程度地降低了手術的不可控風險，確保了手術的順利進行及保障了病人的人身權益，提高了手術質量。

討 論

運用VR技術進行臨床手術技能系統訓練，其優點在于手術環境逼真和靈活，人機交互性強，性能穩定，實時定位、反饋精確度高，不僅提高了培訓效率，也降低了成本。早期外科醫生積累手術經驗的方式是被動、低效的學習形式，比如教科書以及手術室學習。利用VR技術，醫學生能通過主動、高效的訓練形式進行手術技能的培訓，縮短了培訓周期，充分調動了醫學生的主觀能動性，訓練者更快掌握手術技巧，可以想象，VR技術會給傳統醫療局勢的改變可想而知。當然，在軟件開發及硬件設備成本高昂，反饋信息局限于視覺、聽覺、觸覺和力學反饋等方面，都在一定程度上限制了該技術的運用。除此之外，虛擬技術在一定程度上推動了我國醫療衛生的建設和發展，相信在不久的將來，還可以利用虛擬技術作為橋梁和紐帶，讓醫生和患者聯系起來，運用VR新技術建立起患者對醫生的信任，并通過及時的溝通反饋使醫患矛盾朝著良性的方向發展，及時避免一些暴力事件的發生。

作者貢獻聲明丁成明：論文的整體設計、修改和質量把關；陳國棟、鄧鑫、賀軍：論文撰寫；廖文彥、齊碩、雷曉華、侯嘉豐、謝翼、陶光偉、馮燦、涂順、謝湘閩：論文修改