虛擬仿真系統在腹腔鏡外科教學改革應用與研究

劉 潔 段光琦 張 陽 陳國仙

1.皖南醫學院弋磯山醫院小兒外科 安徽蕪湖 241001;2.皖南醫學院臨床醫學院 安徽蕪湖 241001

腹腔鏡手術無法直接感觀和接觸實體的組織和器官,同時由于腔鏡本身的“手眼分離”特點,腹腔鏡技術的這種特殊性導致腹腔鏡外科手術學成為目前外科學教學的難點之一[1-2]。科學技術發展日新月異,虛擬現實(virtual reality,VR)技術在腹腔鏡外科教學中被廣大教學人員所關注[3-4]。為了滿足當今學生的學習需求,教育工作者已經開始調整他們的教學方式,通過使用主動學習和結合教育技術來吸引學習者。腹腔鏡外科醫生強調腹腔鏡課程為學生提供知識、技能和能力,以提供以患者為中心的護理和解決問題。因此,必須為臨床醫學專業的學生提供充分的機會來練習他們的外科技能。實踐經驗可以說是讓學生為從事微創外科做好準備的最佳方式。然而,實踐經驗面臨挑戰,例如為所有學生確保足夠的場地并確保所有學生都有同等的經驗。為學生提供模擬體驗而開發的一種機制是將模擬納入教學課程,模擬可能涉及從準備好的演員場景到使用模擬假人的任何事情。然而,模擬通常需要大量的計劃并且往往是資源密集型的,人體模型成本高昂,場景模擬需要高師生比例。盡管存在這些挑戰,教育工作者仍努力為學生提供最佳的學習體驗。

本文基于目前的腹腔鏡外科教學的模式以及VR技術的發展現狀,對腹腔鏡外科手術學的數字化模擬教學提供初步的教學參考。

1 目前腹腔鏡外科手術學教學的主要模式

1.1 視頻模擬器方式(訓練箱模式)

隨著腔鏡模擬器的逐漸商業化,市面上已經出現了多種型號和規格[5]。實際上,該種訓練方式的訓練成本不高,訓練者可以直接通過操作鉗進行模擬訓練。對于一位初學者,這種訓練模式不僅可以鍛煉其空間感,而且可以很好地訓練方向感和手眼配合能力,目前大多數的臨床外科醫生基本上都是采用這種模擬方式進行腹腔鏡外科操作的聯系,也是目前廣大院校最為常用的教學模式[6]。但是視頻模擬器畢竟只是一種重復和反復的練習,訓練者沒有一種身臨其境的感覺,同時也只是進行簡單的練習,訓練的方式只能通過剪紙、夾豆子、套圈等簡單的模擬訓練來練習手眼結合、雙手的協調問題,對于實際外科手術的訓練效果微乎其微,因為學生無法觀察到實際手術中的組織和血管之間的關系,無法體驗真實的術中操作感覺,其教學效果可想而知。廣大學者逐漸在教學過程中意識到該種訓練方式的局限性,逐漸想轉變教學方式,尋找一種新的教學方法,以求取得更好的教學效果。

1.2 動物實驗

目前在部分醫療機構或者醫藥院校,即采用動物作為操作訓練對象,在腔鏡手術開展的初期,外科醫生認為在動物身上可以更加接近臨床實際操作的情景,更加接近實際的手術操作,所以很多外科醫生或者腹腔鏡外科教學專家多采用這種方式進行模擬訓練或者進行模擬教學。動物實驗的外科手術模擬了真正的手術操作環境,比如,手術中電凝所產生了止血以及組織離斷的效應,還有術中不正確的使用或者操作造成的損傷。動物實驗可以讓訓練者熟悉在活體樣本上的操作感受[7]。但此種訓練模式也有其不足之處,主要就是購買動物的成本過高,高校的訓練資金也是有限的,有時很難推廣。隨著數字醫學的不斷發展和進步,VR技術可以模擬手術中的各種情形來為教育者和訓練者提供服務,為廣大教學工作者提供了新的教學方法。

2 模擬教學在臨床教學中的應用

模擬教學作為一種積極、安全、有效的基于現實的教育方式,是對傳統教學方式的補充。模擬教學已經被廣大醫務人員用于相關專業的本科教育領域,大量已發表的研究表明,基于模擬的學習(simulation-based learning,SBL)經驗有助于將理論知識與實踐相結合,并獲得獨立實踐所需的技能[4,8-9]。模擬使用在本科醫學教育中,經常是以一種交互的方式,在復制的臨床問題或臨床案例設置中使用基于目標的重要角色扮演。與真實的臨床學習經驗相比,由于學習者有意識地練習技能和高階思維,SBL可能更有效率。使用SBL可以使醫學生處于道德安全保護的環境中,而不會危及真實患者/動物的生命安全,讓受訓者可以放心犯錯,這種訓練方式不僅可以增強他們的信心,同樣在訓練其思維方式和能力以及專業知識方面非常具有優勢。

3 VR技術在腹腔鏡外科教學中的應用

足夠的臨床實踐對于未來醫生的培養至關重要。然而,自相矛盾的是,由于大量的本科醫學生和有限的資源,臨床教學資源和實踐機會往往在大學教學中會受到限制,實際上動手操作的機會微乎其微。正因如此,目前對基于VR的醫學教學項目引起了廣大教育學者的廣泛關注。VR的基本要素是生成圖像的計算機、呈現感官信息的顯示系統以及反饋用戶位置和方向以更新圖像的跟蹤器。今天可識別的硬件出現于20世紀80年代,但主要局限于專業實驗室,系統差異很大。VR、人工智能和機器學習技術越來越多地被納入本科醫學教育實踐中。筆者長期從事本科生以及外科學專業的規培醫生帶教,較早地在實際教學工作中應用了VR技術,有著豐富的臨床教學經驗,我們體會到的是較傳統教學模式,VR技術在腹腔鏡外科手術學教學中的優勢主要體現在:

3.1 理論教學

以往的外科手術學理論教學一般是在課堂上通過手寫的板書進行教學,后來發展到利用投影儀以及制作膠片進行教學,計算機技術發展后,就出現了電腦教學,制作PPT來進行課堂講授。但是這些教學方式都是在二維空間進行,不能讓學生參與其中,學生只是停留在聽、或者是想的階段,無法真實感受。雖然對于一般的課程可能還可以完成常規教學,但是對于腹腔鏡外科手術學這樣的臨床操作能力要求極高的課程就很難保證教學效果。VR技術恰恰在此方面具有絕對優勢,因為該技術可以讓訓練者身臨其境,沉浸式地體驗所有操作所帶來的觸感和空間感,真正地實現理論與實踐相結合。文獻報道,沉浸式VR不僅可以讓被訓練者愿意參加,而且樂于參加,究其原因,是因為受訓者可以更加輕松地學習和理解學習的內容,提高其參與的積極性。

3.2 技能培訓教學

隨著科技的進步,微創理念逐漸深入人心,與傳統開放手術相比,腹腔鏡手術已經顯現出了巨大的優勢。腔鏡手術對于操作者的技術要求較高,因為其術中的操作模式與開放手術完全不同。例如:開放手術是用兩只手來進行術中打結,有時使用手去直接感受和觸摸,從而進行分離或者判斷具體的腫瘤邊界等,而在腹腔鏡下這些操作均需要通過器械來完成。腔鏡的操作技能需要經過特殊的培訓,不然在實際的操作中就會造成巨大的手術風險。有研究對23名具有腹腔鏡操作經驗的外科住院醫生進行VR模擬訓練的對比研究,結果顯示在培訓之后,其腹腔鏡操作技能的測試分數可以明顯提高,而與其是否具有腹腔鏡操作經驗并無太大聯系。

3.3 手術演練教學

在手術模擬訓練方面,VR技術也會發揮重要作用。手術模擬在外科領域特別有吸引力,因為它避免了使用患者進行技能練習,并確保受訓者在治療患者之前已經進行了一些練習。手術模擬可能涉及也可能不涉及計算機的使用,目前的手術演練教學基本上都是以箱式模擬器、動物實驗為主,在臨床上基本上以“師帶徒”的方式進行,存在很大的局限性。最近,醫學教育界對VR的興趣越來越大,特別是在解剖學教學和外科住院醫師規范化培訓方面[3]。我們在教學中發現,基于虛擬VR技術的模擬訓練可以提供高度仿真的觸覺反饋,使訓練素材甚至優于尸體和動物。可以預見,虛擬手術訓練平臺的應用將會在醫學領域的人才儲備上發揮重要作用[7]。隨著科學技術的發展,在遠程操作中就可以實現手術模擬訓練,而在實際的操作中,5G網絡的出現已經實現了遠程的腹腔鏡手術。

4 沉浸式技術在腹腔鏡外科教學中的應用

教育技術正在改變我們今天的學習方式,其目的是最終改善教育。在課程中增加教育技術需要通過知情的循證研究來制定和指導。教育技術包括虛擬現實(VR)、增強現實(AR)和混合現實(MR)等教學軟件,統稱為沉浸式技術。沉浸式技術應建立在有效的教學方法周圍,以提供適當的學習方法和學習結果。沉浸式技術被認為提供了基于建構主義理論和體驗式學習的教學法,創造了一種幫助視覺學習者的環境,使學生能夠在實踐中學習,發展創造力,并增加對無形概念的理解。沉浸式技術被定義為提供感官刺激以在與計算機生成的世界的交互中提供真實感和沉浸感的設備。解剖學是使用沉浸式技術教授的最常見主題,這可能是因為沉浸式技術能夠增強對無法可視化的復雜身體過程的理解。解剖學和胚胎學等科目要求學生將2D圖像轉換為3D概念,這對于那些難以想象圖像轉換的人來說可能是一個認知挑戰。學生也可能在心理上不準確地旋轉復雜的結構,讓大腦填補任何缺失結構的空白。引入沉浸式技術作為一種教育工具,可以自動為學生標準化這一過程,并增強對某些學科的理解,如解剖學和胚胎學。例如,助產教育需要理解復雜的概念,如子宮中的胎兒發育。因此,這將是未來比較傳統學習工具和沉浸式技術的重要領域。

5 總結與展望

VR技術作為傳統腹腔鏡外科手術學教學的延伸,解決了傳統教學中學生無法觀察到實際手術中的組織和器官之間的關系,無法體驗真實的術中操作感覺等眾多問題。未來,我們不僅能夠將圖像、視頻和虛擬環境可視化,在不同的醫療環境中形成自己,而且我們還能夠直接看到現場手術,并將這項技術用于遠程手術。這種虛擬模擬器是開發更復雜、更詳細的手術模擬的第一步。總之,VR技術對了解解剖以及模擬手術有極大幫助。另外,醫學專業人員或學生可以根據自己的意愿多次進行模擬,而不需要直接在真實患者身上進行盲目的實驗,可以有效提高腹腔鏡模擬教學的訓練效果,提升教學水平。