VR技術在神經外科教學中的應用探討

王毅 葛玥 呂波 毛宏亮 程宏偉

摘?要：近年來，隨著計算機仿真技術的不斷發展，虛擬現實技術（virtual?reality，VR）技術越來越廣泛地應用于日常生活的方方面面。本文將從VR技術的基本原理、神經外科教學的現狀和存在的問題入手，探討VR技術在神經外科教學中的應用，包括模擬手術、三維可視化、交互式學習、遠程教學和病例演示等方面。通過對現有研究和實踐的總結和分析，提出了VR技術在神經外科教學中應用的優勢和不足之處，并對未來的發展趨勢進行了展望。

關鍵詞：VR技術；神經外科教學；模擬手術；三維可視化

一、概述

神經外科是指能夠進行與神經系統有關的診斷和外科治療的實踐活動。神經外科的研究范疇包括先天性發育異常、外傷、感染、腫瘤、血管病變和遺傳代謝障礙，功能障礙性疾病等［1］?。由于神經外科屬于臨床學科，其實踐的對象為患者，因此，神經外科對醫生的實踐能力和經驗要求極高。做好神經外科的教學工作是培養合格優秀的神經外科醫師的重要保障和基礎條件。傳統的神經外科教學主要是通過課堂授課、病例討論和實踐操作等方式進行。然而，傳統神經外科教學模式存在一些問題，主要體現在患者風險大、教學成本高、實踐操作機會少等。隨著計算機仿真技術的不斷發展，虛擬現實技術（virtual?reality，VR）越來越廣泛地應用于日常生活的方方面面，包括藝術培養、設計開發、影視制作、安全培訓等。將VR技術應用于神經外科的教學，可以有效地解決傳統教學中所存在的問題。本文將從VR技術的基本原理、神經外科教學的現狀和存在的問題入手，探討VR技術在神經外科教學中的應用，包括模擬手術、三維可視化、交互式學習、遠程教學和病例演示等方面。通過對現有研究和實踐的總結和分析，提出了VR技術在神經外科教學中應用的優勢和不足之處，并對未來的發展趨勢進行了展望。

二、VR技術的基本原理及應用

VR技術中文名為虛擬現實，又稱為靈境技術。虛擬現實是通過計算機技術構建三維場景并借助特定設備讓用戶感知并支持交互的一種體驗，它是仿真技術與計算機圖形學、人機接口技術、多媒體技術、傳感技術、網絡技術等多種技術的集合［2］?。具體來說，VR技術是一種基于計算機模擬的虛擬現實技術，它通過計算機生成的虛擬環境，讓用戶身臨其境。VR技術的基本原理是通過頭戴式顯示器、手柄、追蹤器等硬件設備，將用戶的視覺、聽覺、觸覺等感官輸入接口與計算機系統相連接，實現用戶在虛擬環境中的交互體驗。VR技術主要包括以下幾方面：3D建模：通過計算機圖形學技術，將真實世界中的物體、場景等建模成三維模型。頭戴式顯示器：通過頭戴式顯示器等設備，將虛擬環境和虛擬對象的信息呈現給用戶。交互設備：通過手柄、手套等交互設備，讓用戶感知和控制虛擬環境和虛擬對象。計算機視覺和計算機網絡：通過計算機視覺技術，讓計算機能夠感知用戶的動作和表情；通過計算機網絡技術，讓多個用戶在同一虛擬環境中進行交互。目前，VR技術可以分為三種類型：非沉浸式、半沉浸式和全沉浸式VR技術。其中，全沉浸式VR技術是最為先進和完整的一種技術，它可以讓用戶完全沉浸在虛擬環境中，使用戶身臨其境。

目前虛擬現實技術已經在許多行業中得到了廣泛的應用，包括但不限于以下行業：游戲行業：虛擬現實技術已經成為游戲開發中的一個重要組成部分，可以讓玩家沉浸在游戲世界中，提高游戲體驗。教育行業：虛擬現實技術可以為學生提供更加生動、直觀的學習體驗，例如可以通過虛擬現實技術帶領學生參觀博物館、歷史遺跡等。醫療行業：虛擬現實技術可以為醫生和護士提供更加真實、直觀的手術模擬和訓練，提高手術成功率和減少風險。建筑行業：虛擬現實技術可以幫助建筑師和設計師更加直觀地了解建筑設計效果，提高設計效率和減少錯誤。旅游行業：虛擬現實技術可以為游客提供更加真實、直觀的旅游體驗，例如可以通過虛擬現實技術帶領游客參觀名勝古跡、自然景觀等。軍事行業：虛擬現實技術可以為軍事訓練提供更加真實、直觀的模擬環境，提高軍事訓練效果和減少風險。娛樂行業：虛擬現實技術可以為觀眾提供更加生動、直觀的娛樂體驗，例如可以通過虛擬現實技術帶領觀眾參觀演唱會、體育比賽等。

三、開展神經外科教學工作的原則和方法

神經外科教學工作是指針對神經外科學科的學生，通過教學手段和方法，傳授神經外科學科的理論知識和實踐技能，培養學生的專業素養和實踐能力，以滿足神經外科醫療服務的需求。神經外科教學工作的開展需要遵循以下原則：教學目標明確：教學目標應該明確具體，與學生的實際需求和職業發展緊密相關。教學內容全面：教學內容應該涵蓋神經外科領域的各個方面，包括基礎理論、臨床實踐、手術技能等。教學方法多樣：教學方法應該多樣化，包括講解、演示、實踐、模擬等多種方式，以滿足不同學生的學習需求。教學資源充足：教學資源應該充足，包括設備、材料、人力等方面的支持，以保證教學質量和效果。教學評估有效：教學評估應該科學有效，包括考試、實踐評估、學生反饋等多種方式，以評估學生的學習效果和實踐能力，為教學改進提供依據。在開展神經外科教學工作時，可以采用以下具體措施：建立教學團隊：建立由專業教師、臨床醫生、實踐專家等組成的教學團隊，共同制定教學計劃和教學內容。采用現代化教學手段：采用現代化的教學手段和技術，例如虛擬現實技術、模擬手術技術等，提高教學效果和質量。加強實踐教學：加強實踐教學，提供更多的實踐機會，讓學生能夠親身參與和實踐，掌握實踐技能［2］?。提供多元化教學資源：提供多元化的教學資源，例如圖書、期刊、網絡資源等，讓學生能夠自主學習和深入研究。建立有效的教學評估體系：建立科學有效的教學評估體系，包括考試、實踐評估、學生反饋等多種方式，為教學改進提供依據［3］?。

四、神經外科教學的現狀和存在的問題

神經外科是一門高難度的學科，對手術操作技術要求極高，同時對醫生的實踐能力和臨床經驗也同樣有著極高的要求。傳統的神經外科教學主要是通過講課、病例討論和實踐操作等方式進行，但傳統教學模式存在以下一些問題。

（一）患者風險大

神經外科是一門以臨床操作和實踐為主要目標的學科。在臨床教學方面，一些操作需要學生在帶教教師的指導下完成，例如常規的換藥、縫合硬腦膜、腰椎穿刺等。然而，無論帶教教師如何指導，最終的操作必須要學生的完成才能達到學習目標。因此，在操作過程中，患者存在相關的一些風險。由于神經系統的特殊性，患者面臨的風險顯著高于其他學科。

（二）教學成本高

神經外科的很多操作都是有特殊專門的設備及系統。例如腰穿包、神經外科動力系統、顯微鏡、內鏡等。在操作教學過程中，這些設備及系統均會帶來相關的損耗，而不當的操作則可能會損壞設備及系統。因此，傳統教學模式下神經外科的教學成本較高。

（三）教學資源有限，實踐操作機會少

由于患者風險大，教學成本高，帶教醫師在教學過程中有所顧慮，進而導致很多可以由學生完成的操作均由帶教教師直接完成，從而造成了學生實踐操作機會少，無法充分鍛煉技術技能。

（四）教學內容及模式單一，教學效果不理想

傳統教學內容包括神經外科基礎及臨床。教學模式主要是通過課堂授課、病例討論、實踐操作等方式進行，但這些教學方法忽略了對手術解剖結構和病理生理的深入了解，也很難讓學生真正理解手術過程和操作技巧。

上述問題都嚴重制約了神經外科教學的發展，因此，我們需要結合發展情況尋求新的教學方式來解決這些問題。

五、VR技術在神經外科教學中的應用

VR技術由于其直觀性、可控性、可模擬性、可重復性，其在教學中的應用已經成為一個熱門話題。目前，VR技術在教育教學方面廣泛應用于藝術、裝備制造、現代物理及臨床醫學［36］?。結合其特點，以下是一些VR技術在神經外科教學中的應用場景：

（1）模擬手術。利用VR技術建立標注化病例模型，在此基礎上，結合VR可穿戴設備、傳感系統等在標準化模擬病例上進行手術模擬，使學生在虛擬環境中仍然可以達到實踐手術技能、提高手術技術、增加手術經驗的目的。這種方法既可以解決傳統教學模式患者承擔巨大風險的問題，又能讓學生在沒有真實患者的情況下提高手術能力。

（2）三維可視化。三維可視化是VR技術最廣泛的應用［7］?。神經系統解剖學是神經外科的重要基礎，也是學習神經外科的必要知識儲備。然而，神經解剖學的知識抽象且復雜。因此，一直以來，教師的教學及學生的學習均存在諸多困難。教師不知道如何教授這些復雜抽象的解剖學知識，學生不知道如何學習。VR技術可以將復雜抽象的神經外科手術的解剖結構以三維形式呈現，讓學生更好地理解手術過程，從而提高學生的解剖學知識儲備，提高臨床技能。

（3）交互式學習。在教學過程中，將VR技術與實際手術過程結合，實現交互式學習的目的。VR技術可以提供交互式學習體驗，讓學生在虛擬環境中與手術過程進行互動。這種方法可以增強學生的參與感和興趣，提高學習效果。在交互式學習過程中，VR技術可以提供實時反饋，讓學生及時了解自己的操作情況和不足之處，進一步提高手術技能。通過VR技術，學生可以獲得實時反饋，了解自己的手術操作情況和不足之處，從而及時調整自己的操作方式，提高手術技能和經驗。

（4）遠程教學。VR技術在遠程教學中也有著廣泛應用［8］?。在神經外科教學中，部分學生可能無法在現場教學中獲得學習機會。利用VR技術可以進行遠程教學，讓學生在不同地點均能參與神經外科教學過程。利用VR技術結合遠程設備開展神經外科教學活動，既可以節省時間和成本，又能夠提高教學效率。

（5）病例演示。在神經外科臨床實踐中，存在不同診斷不同情況的患者，因此神經外科的臨床學習周期較長，提高速度慢。同時，部分特殊病例可能屬于少發病、罕見病，甚至部分學生、帶教教師也很少接觸這類病例，失去了寶貴的學習機會。合理利用VR技術可以用來展示不同的神經外科病例，包括常見病、多發病及少見病、罕見病等。利用VR技術可以實現病例演示過程，從而讓學生了解不同病例的處理方法和手術技巧。

六、VR技術應用相較傳統模式在神經外科教學中的優勢

（1）提高手術技能和經驗。相較傳統教學模式，在神經外科教學中，結合VR技術可以提供更加真實和生動的手術模擬，讓學生在虛擬環境中進行手術練習，體驗身臨其境的手術過程，降低患者風險，同時也可以提高學生的手術技能和經驗。在真正臨床實踐中，可以提前建立特定患者的VR模型，首先在模型上不斷操作并練習，在熟練度達到一定程度后再真正進行相關操作，進一步保障患者的安全。

（2）降低學習成本。傳統的神經外科教學需要患者的參與。實踐過程中，一位患者可能面對多位學生的練習。患者承擔風險，同時學生的學習質量也無法得到保障。利用VR技術可以實現一套設備多人使用練習，結合遠程技術，可以進一步降低學生的學習成本。

（3）提高學習效率。VR技術可以提供實時反饋，讓學生及時了解自己的操作情況和不足之處，進一步提高手術技能。在具體操作過程中，可以實時反饋、復盤。對于操作中的難點可以反復練習。同時，VR技術可以將神經外科手術的解剖結構以三維形式呈現，學生可以結合教材，多角度、多維度地去觀察病變，理解病變和周圍相關解剖結構的關系，讓學生更好地理解手術過程，提高學習效率。

七、VR技術在神經外科教學中的挑戰

雖然VR技術目前在多學科多場景中得到廣泛應用，但其自身仍存在相關問題［910］?。在神經外科教學中，該技術的相關問題主要包括：

（一）技術限制

VR技術需要大量的技術支持，包括軟件開發、硬件設備、網絡帶寬等方面的支持。能夠達到VR技術應用相關硬件軟件支持條件的單位仍然有限，這些限制會影響VR技術在神經外科教學中的應用、推廣及普及。

（二）真實性問題

雖然VR技術可以提供更加真實和生動的手術模擬，但是目前的模擬技術仍然存在力學反饋、畫面色彩、空間解析度失真的問題。同時，學生在虛擬環境中進行手術練習時，仍可能會遇到一些虛擬環境無法模擬的情況，這可能會影響學生的手術技能和經驗，對于臨床實際問題的判斷也會造成影響。

（三）費用問題

VR技術需要大量的人力、物力和財力投入，這可能會增加教育部門和學生的負擔，從而影響VR技術在神經外科教學中的應用。

結語

綜上所述，VR技術在神經外科教學中的應用具有廣闊的應用前景和巨大的潛力市場。集合VR技術，學生可以在虛擬環境中進行操作模擬，從而提高手術技能和經驗；VR技術可以將神經外科手術的解剖結構以三維形式呈現，讓學生更好地理解手術過程；VR技術可以提供實時反饋，讓學生及時了解自己的操作情況和不足之處，進一步提高手術技能。雖然VR技術在神經外科教學中面臨一些技術限制、真實性及費用問題，但是隨著科技的不斷發展和應用成本的不斷降低，VR技術必將能更廣泛地應用于臨床教學，VR技術也有著更廣闊的應用空間。

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基金項目：安徽省衛健委健康科研項目，項目編號：AHWJ2022b080；安徽省轉化醫學研究院科研基金，項目編號：2022zhyxC23

*通訊作者：程宏偉（1974—?），男，副教授，博士研究生導師，主要從事神經外科基礎臨床及教育教學研究。