混合現實全息影像技術在多種臨床常用穿刺操作教學中的應用

徐藝瑄，魏 星，包楠迪

（1.解放軍總醫(yī)院第二醫(yī)學中心，北京 100853；2.解放軍總醫(yī)院第六醫(yī)學中心心血管病醫(yī)學部，北京 100037）

隨著人工智能技術的發(fā)展，以混合現實全息影像技術為代表的智能教學手段在臨床醫(yī)學教學實踐中得到了廣泛應用[1]?；旌犀F實技術通過將虛擬現實技術與增強現實技術相結合，利用全息影像實現在現實場景中投射呈現數字化場景信息，為用戶提供直觀、立體的沉浸式、交互式應用體驗[2]。混合現實技術能讓操作者同時保持與真實世界和虛擬世界的聯(lián)系，并根據自身需要及所處情境調整操作[3]，目前已有越來越多的醫(yī)療機構及醫(yī)學院校將混合現實全息影像技術應用于疾病臨床診斷、外科手術計劃制訂、醫(yī)療相關技能培訓等方面[4]。對實習醫(yī)師進行胸腔、腹腔、腰椎、骨髓穿刺操作培訓和技能評估是醫(yī)學臨床操作教學中的重要內容。以往臨床中常常采用理論結合模具教學的傳統(tǒng)教學方法，存在穿刺路徑不可視、解剖結構不直觀、模具穿刺部位結構易損壞、穿刺手感不真實等缺陷。另外，由于真實人體解剖結構相對復雜，大多數實習醫(yī)師接受培訓課時不足，因此對穿刺技能的掌握通常有限，很難達到理想的教學效果。如何提高常用穿刺操作的教學水平，提高實習醫(yī)師對胸腔、腹腔、腰椎、骨髓穿刺的掌握程度是目前亟待解決的問題。

目前，混合現實全息影像技術在醫(yī)學教育不同領域均有初步探索，同時也為提高針對實習醫(yī)師的胸腔、腹腔、腰椎、骨髓穿刺操作教學水平提供了新的思路和手段。利用這一技術，實習醫(yī)師可通過頭戴式可穿戴設備，從任意空間角度直接觀察操作對象解剖結構和穿刺路徑的高清三維全息影像，協(xié)助術者實時矯正穿刺操作，進一步提高穿刺的準確性。在臨床教學過程中，引入混合現實全息影像技術為實習醫(yī)師創(chuàng)建學習環(huán)境，可有效增強其學習動力與信心，幫助其更加迅速有效地完成知識建構與能力轉化?；旌犀F實全息影像技術輔助胸腔、腹腔、腰椎、骨髓穿刺操作教學，可大大降低實習醫(yī)師獲取信息、處理信息和應用信息的難度，提高臨床教學效果。但目前并無混合現實全息影像技術教學與傳統(tǒng)模具教學在臨床常用穿刺操作教學中應用效果比較的研究。為此，本研究將基于混合現實全息影像技術的創(chuàng)新教學模式應用于實習醫(yī)師臨床常用穿刺操作教學，并與傳統(tǒng)模具教學進行對比，從以下角度評價混合現實全息影像技術教學在臨床操作教學中的應用價值：（1）與傳統(tǒng)教學方法相比，混合現實全息影像技術教學是否可以有效提高胸腔、腹腔、腰椎、骨髓穿刺操作教學水平；（2）與傳統(tǒng)教學方法相比，混合現實全息影像技術教學能否獲得實習醫(yī)師更高的教學滿意度。以期為提高實習醫(yī)師臨床常用穿刺操作能力，也為推動教育發(fā)展的智能化及教學模式創(chuàng)新提供經驗及依據。

1 資料與方法

1.1 研究對象

選取2023 年解放軍總醫(yī)院新招錄的60 名實習醫(yī)師為研究對象，隨機分為實驗組及對照組，每組30 名。實驗組采用混合現實全息影像技術教學方法，對照組采用傳統(tǒng)模具教學方法，進行胸腔、腹腔、腰椎、骨髓穿刺操作教學。所有實習醫(yī)師均為本科學歷，在教學前未接觸過胸腔、腹腔、腰椎、骨髓穿刺的臨床操作。

1.2 教學方法

1.2.1 對照組 對照組教學內容參考2023 年度《臨床執(zhí)業(yè)醫(yī)師考試大綱———實踐技能》中胸腔、腹腔、腰椎、骨髓穿刺操作內容，帶教教師首先就穿刺適應證和禁忌證、操作前準備、患者體位擺放、穿刺點定位、消毒鋪巾、麻醉、準備穿刺用物、穿刺抽液、留樣送檢、術后處理等內容進行理論講解，然后應用穿刺模擬人進行操作示范，教學過程中重點強調人文關懷、操作規(guī)范、并發(fā)癥預防等細節(jié)。經帶教教師操作示范及講解操作要點后，實習醫(yī)師采用穿刺模擬人自行練習。教學時長為8 課時，其中胸腔、腹腔、腰椎、骨髓穿刺操作各2 課時。

1.2.2 實驗組 實驗組采用基于睿航全息導航模擬培訓系統(tǒng)（北京維卓致遠醫(yī)療科技發(fā)展有限責任公司） 的混合現實全息影像技術教學方法。該培訓系統(tǒng)由醫(yī)學模擬人、磁導航操作系統(tǒng)、全息顯示系統(tǒng)三部分組成，教學分為講解模式及訓練模式。具體方法：（1）講解模式。實習醫(yī)師佩戴混合現實顯示設備觀看教學內容，教學內容與對照組相同?；旌犀F實全息影像技術教學不同于傳統(tǒng)教學，實習醫(yī)師可在學習過程中實現與教學模型的實時交互：可通過全息影像技術觀看解剖模型，并對整體模型進行放大、縮小、選擇等操作；可對單個或多個部分進行隱藏、顯示和透明等操作。帶教教師可根據教學內容從多角度對電子教案進行編輯，根據實際教學需要修改教學病例的適應證、禁忌證、操作要點等內容，以實現教學內容的及時更新，使之進一步貼合臨床實際。（2）訓練模式。實習醫(yī)師通過佩戴混合現實顯示設備，可以同時看到模擬人、與模擬人相匹配的數字解剖模型、穿刺針以及穿刺針的虛擬模型。實習醫(yī)師可利用電磁操作工具及磁導航設備在虛擬現實環(huán)境下分別在胸腔穿刺、腹腔穿刺、腰椎穿刺和骨髓穿刺模擬人上進行穿刺操作訓練，教學中應用的磁定位導航技術可實現將虛擬穿刺針呈現在虛擬模型上，真實穿刺針與虛擬穿刺針同步運動，實現對器械空間位置的實時、精準跟蹤，并實時顯示穿刺路徑、器械與模擬人空間位置的相對關系，以直觀展示操作過程。訓練內容分為標記穿刺點、消毒、鋪巾、局部麻醉、穿刺、抽液等。在訓練模式中，實習醫(yī)師可通過啟用虛擬相機，以穿刺針針尖的位置和方向為視角，觀察穿刺過程中各解剖結構之間的位置關系，同時系統(tǒng)具有顯示預警信息功能，在穿刺路徑錯誤時，界面中會顯示“當前路徑可能會刺中XXX（相應解剖結構）”信息；在訓練模式中，實習醫(yī)師可選擇顯示參考路徑，通過顯示預先規(guī)劃好的路徑和操作時的實時動態(tài)路徑信息以引導實習醫(yī)師進行正確操作。系統(tǒng)可對實習醫(yī)師完成的穿刺練習進行記錄，記錄內容包含穿刺時間、穿刺部位和穿刺完成質量等信息。

1.3 教學效果評估

1.3.1 操作能力考核 教學完成后，分別對兩組實習醫(yī)師的胸腔、腹腔、腰椎、骨髓穿刺操作能力進行考核，考核內容參考2023 年度《臨床執(zhí)業(yè)醫(yī)師考試大綱———實踐技能》中胸腔、腹腔、腰椎、骨髓穿刺操作內容，分別從術前準備、穿刺部位選擇、消毒和鋪巾、局部麻醉、穿刺、抽液、拔針、無菌觀念、操作步驟熟悉、手法熟練等幾個方面進行評分，胸腔、腹腔、腰椎、骨髓穿刺操作評分各占25 分，滿分為100 分。

1.3.2 教學滿意度問卷調查 考核結束后，分別對兩組實習醫(yī)師進行教學滿意度問卷調查。問卷中將教學滿意度分為非常滿意、滿意、一般、不滿意4 個等級，滿意率=（非常滿意人數+滿意人數）/總人數×100%。

1.4 統(tǒng)計學方法

應用SPSS 29.0 軟件對數據進行統(tǒng)計學分析，計量資料用（±s）表示，計量資料比較分析采用成組t 檢驗，計數資料比較分析采用Fisher 精確χ2檢驗，P＜0.05 為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結果

2.1 兩組實習醫(yī)師考核成績比較

教學完成后，實驗組實習醫(yī)師胸腔穿刺、腹腔穿刺、腰椎穿刺、骨髓穿刺4 項操作考核成績均高于對照組，但差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）；實驗組考核成績總分也高于對照組，差異具有統(tǒng)計學意義（P＜0.05），見表1。

表1 兩組實習醫(yī)師考核成績比較（±s，分）Table 1 Comparison of interns' assessment scores between two groups（±s，score）

表1 兩組實習醫(yī)師考核成績比較（±s，分）Table 1 Comparison of interns' assessment scores between two groups（±s，score）

項目 實驗組對照組t P胸腔穿刺腹腔穿刺腰椎穿刺骨髓穿刺總分19.53±2.84 19.60±2.71 19.13±2.98 18.77±3.14 77.03±6.00 18.63±2.80 18.53±2.94 18.23±2.93 17.60±2.86 73.00±5.49 1.237 1.460 1.179 1.505 2.717 0.221 0.150 0.243 0.138 0.009

2.2 兩組實習醫(yī)師教學滿意度比較

教學完成后，實驗組實習醫(yī)師教學滿意率（90.0%）顯著高于對照組（63.3%），差異有統(tǒng)計學意義（χ2＝13.393，P＝0.002），見表2。

表2 兩組實習醫(yī)師教學滿意度比較[n（%）]Table 2 Comparison of interns' teaching satisfaction between two groups[n（%）]

3 討論

3.1 混合現實全息影像技術已廣泛應用于醫(yī)學相關領域特別是醫(yī)學教育培訓領域

目前，虛擬現實技術已在多個醫(yī)學相關領域得到了廣泛應用。混合現實全息影像技術是虛擬現實技術的進一步延伸，可將數字信息利用計算機可視化技術生成虛擬圖像并投射至真實環(huán)境，進而將真實物理世界與計算機虛擬模型整合在同一空間后與用戶間形成實時交互反饋[5]?；旌犀F實全息影像技術可為使用者營造出由虛擬空間和真實環(huán)境空間共同組成的更加具有真實感的混合現實空間，在應用于醫(yī)學相關領域時，使用者可從多角度觀看立體的研究對象并實時對模型進行模擬操作，同時模型會給予使用者實時反饋，具備更強的真實性[6]。使用者可在虛擬現實三維交互工作環(huán)境下模擬手術及其他臨床操作，具有損耗及風險低、可重復性高的優(yōu)點，在醫(yī)療及教學領域具有豐富的應用場景[4]。混合現實技術在醫(yī)學相關領域的應用主要集中于外科[7]，此外在神經病學、醫(yī)學影像學、耳鼻咽喉科等學科也有不同程度的應用，主要應用場景為醫(yī)學影像資料的三維重建、疾病輔助診斷、手術規(guī)劃、術中導航以及醫(yī)學教育培訓等[8]。Brun 等[9]利用冠狀動脈CTA（CT 血管造影術）影像檢查結果構建混合現實全息影像模型，并應用于先天性心臟病的輔助診斷，體現了混合現實全息影像技術在涉及解剖結構的疾病鑒別和診斷上簡單化、直接化的優(yōu)勢?；旌犀F實全息影像技術也越來越多地應用于術前溝通環(huán)節(jié)，其對手術過程具象化的展示可有效加深患者對手術術式及風險的理解，為促進醫(yī)患溝通提供了全新的思路和工具[1]。Wu 等[10]將混合現實全息影像技術用于復雜頸椎骨折手術的術前醫(yī)患溝通，通過向患者及其家屬直觀展示手術部位的立體結構，顯著提高了術前醫(yī)患溝通的質量和效率。外科手術的術前規(guī)劃和術中導航輔助是目前混合現實全息影像技術的主要應用場景，可在手術中將模型投影于患者體表，并清晰顯示解剖結構，降低了解剖變異結構的辨認難度，且無須擴大切口即可準確知曉術野周邊重要解剖結構的位置，避免誤傷。2004 年Marescaux 等[11]首次將混合現實技術應用于腹腔鏡手術，邁出了混合現實技術輔助外科手術的第一步。Incekara 等[12]將混合現實技術應用于腦腫瘤患者的術前定位，與傳統(tǒng)的神經導航定位方法相比顯著減小了定位誤差。Lee等[13]利用混合現實技術輔助骨科醫(yī)師在術中進行螺釘安裝定位，同時顯示手術部位解剖結構，起到了提高手術成功率及減少手術并發(fā)癥的作用。Jayender 等[14]的研究發(fā)現，虛擬現實全息影像輔助下的腹腔鏡手術其操作時間、準確度、平穩(wěn)性方面均優(yōu)于傳統(tǒng)CT 輔助下的腹腔鏡手術。Wei 等[15]將虛擬現實技術應用于經皮脊柱錐體后突成形術，結果顯示虛擬現實技術可明顯縮短手術時間并減少術中X 線照射次數。Li 等[16]的研究發(fā)現，虛擬現實技術輔助下的腎部分切除術患者術中出血量及術后腎周血腫、尿瘺等并發(fā)癥明顯減少，且手術時間、腸道功能恢復時間、術后住院時間均明顯縮短。

由于混合現實技術可實現對復雜人體解剖結構更加直觀的展示，其在醫(yī)學教育培訓中的應用日益廣泛[1]。相關研究顯示，接受混合現實技術所呈現的全息三維模型教學的外科醫(yī)師在理解手術理論知識、提高手術操作技能方面呈現出更好的學習效果[17]。Stefan 等[18]認為混合現實技術可在無輻射條件下幫助學員加深對手術過程和解剖結構的理解，并可在同一疾病模型上多次實踐不同術式，在多個方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)教學方法。在一項針對基于混合現實技術建立的鼻竇內窺鏡檢查模型的相關研究中[19]，受訓學員表示該種教學方法對解剖結構的展示達到了較高的水準，且操作訓練過程中的感受與實際手術過程中的體驗基本一致。一項將混合現實技術應用于骨科手術教學的研究顯示，混合現實技術可通過顯示手術部位的解剖結構，幫助骨科醫(yī)師在螺釘安裝過程中實現快速定位，進而協(xié)助術者提高手術質量[13]。同時，也有多項研究將混合現實技術應用于脊椎手術[20]、心外科手術[21]、腹腔鏡手術[14]及肺部手術[22]的臨床教學，混合現實技術通過提高學員的空間思維能力和對解剖結構的認知，顯著提高了教學效果。

3.2 混合現實全息影像技術能有效提高胸腔、腹腔、腰椎、骨髓穿刺操作的臨床教學質量

胸腔、腹腔、腰椎、骨髓穿刺廣泛應用于重癥醫(yī)學科、心胸外科、普外科、骨科、腫瘤科等多學科疾病的診斷及治療過程，是臨床醫(yī)師必須掌握的基礎操作技能，而目前低年資臨床醫(yī)師特別是實習醫(yī)師對胸腔、腹腔、腰椎、骨髓穿刺操作的掌握普遍較為薄弱，不能很好地滿足臨床實際需要，這與傳統(tǒng)穿刺教學方法的短板密切相關：傳統(tǒng)教學方法常采用理論教學結合模具教學，而傳統(tǒng)的硅膠模具穿刺路徑及解剖結構不可視，不能為實習醫(yī)師提供直觀的視覺展示及良好的教學體驗。本研究采用的混合現實全息影像教學系統(tǒng)在混合現實可視化技術的基礎上結合導航定位技術，可在以混合現實的方式全息呈現模擬人數字化三維解剖結構的同時實時跟蹤穿刺針在模擬人體內的空間位置，將位置信息全息呈現在數字模型上，有效提升實習醫(yī)師對操作過程中涉及的解剖理論知識、操作原理、操作流程等綜合認知能力。教學過程中以混合現實全息方式呈現醫(yī)學模擬人內部的三維解剖結構，從而幫助實習醫(yī)師直觀理解穿刺入路周圍組織的解剖結構；通過對操作器械空間位置的定位追蹤，實時顯示穿刺路徑、器械與模擬人空間位置的相對關系，提高操作的準確性；使用增強現實技術，以第三方視角觀看顯示或錄制的混合現實全息影像，便于實習醫(yī)師學習總結操作要點；在操作中出現可能產生副損傷的風險時實時預警提示，帶教教師和實習醫(yī)師可實現邊操作、邊觀察、邊討論，對操作過程加深理解和記憶深刻，較傳統(tǒng)教學方法顯著提高了教學水平。本研究教學完成后對兩組實習醫(yī)師進行穿刺操作考核及教學滿意度問卷調查，結果顯示實驗組胸腔、腹腔、腰椎、骨髓穿刺的總分和教學滿意度均高于對照組（P<0.05），體現了混合現實全息影像技術教學方法對常用穿刺操作臨床教學質量的提升作用。

3.3 研究局限性

本研究存在以下局限性：（1）研究對象均為解放軍總醫(yī)院的實習醫(yī)師，樣本量較小，且實習醫(yī)師整體醫(yī)學水平及帶教教師的帶教水平均會對教學效果產生影響，研究結果仍有待更大樣本量的多中心研究進一步驗證。（2）實習醫(yī)師受限于執(zhí)業(yè)資格，需要在教學模擬人上進行穿刺操作訓練及測試，尚不能獨立在患者身上完成操作，故理論學習、模擬操作與臨床實際仍存在差距，而臨床實踐操作技能最終仍需落實在臨床實際應用中，因此，混合現實全息影像教學技術的教學效果仍有待在臨床實際應用中進一步驗證。

4 結語

作為一種新型全息數字影像技術，混合現實全息影像技術通過結合虛擬及現實場景，可以更加立體直觀的方式呈現人體解剖結構并在操作教學過程中即時給予學員干預與反饋，使臨床操作學習變得更加簡單、高效。混合現實全息影像技術作為一種新型教學方法，值得在臨床常用穿刺操作教學及其他臨床操作教學中推廣應用。