顧 曉 ，楊 進(jìn) ，杜擁軍 ，古 濤

（1.揚(yáng)州大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院泌尿外科，江蘇揚(yáng)州 225001；2.美國布朗大學(xué)醫(yī)學(xué)院，羅德島州，02860）

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在外科教學(xué)中的應(yīng)用

顧 曉1，楊 進(jìn)1，杜擁軍1，古 濤2

（1.揚(yáng)州大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院泌尿外科，江蘇揚(yáng)州 225001；2.美國布朗大學(xué)醫(yī)學(xué)院，羅德島州，02860）

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，VR）是近年出現(xiàn)的計(jì)算機(jī)輔助應(yīng)用技術(shù)，在醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域初顯優(yōu)勢。新時(shí)代的外科教學(xué)面臨挑戰(zhàn)，文章介紹了VR技術(shù)的特點(diǎn)及其在外科教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；模擬環(huán)境；外科學(xué)

當(dāng)代醫(yī)學(xué)教育正面臨諸多挑戰(zhàn)，如醫(yī)學(xué)科技的快速發(fā)展需要更多的醫(yī)學(xué)教育時(shí)間，醫(yī)學(xué)新領(lǐng)域的出現(xiàn)要求增加醫(yī)學(xué)課程，醫(yī)學(xué)教育需要從被動(dòng)傳授型向主動(dòng)學(xué)習(xí)型轉(zhuǎn)變，同時(shí)需要適應(yīng)醫(yī)療服務(wù)模式的轉(zhuǎn)變。外科學(xué)教育已歷經(jīng)一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，這是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，需要增加醫(yī)學(xué)生接觸患者和操作訓(xùn)練的機(jī)會(huì)，同時(shí)又要保護(hù)患者隱私和避免傷害；醫(yī)學(xué)招生規(guī)模的擴(kuò)大使醫(yī)學(xué)生在外科實(shí)驗(yàn)室和醫(yī)院手術(shù)室的操作機(jī)會(huì)與時(shí)間更加不足；醫(yī)患關(guān)系敏感使自愿參與教學(xué)活動(dòng)的患者明顯減少；醫(yī)學(xué)生在臨床只能隨機(jī)遇到可觀察學(xué)習(xí)的病例或手術(shù)。在外科教學(xué)中如何解決以上問題？計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，為醫(yī)學(xué)教育提供了現(xiàn)代化的環(huán)境，基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)的誕生與發(fā)展，將對外科學(xué)教育產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

1 VR技術(shù)及其特點(diǎn)

VR技術(shù)是指通過多媒體技術(shù)與仿真技術(shù)結(jié)合而生成逼真的視、聽、觸覺一體化的虛擬環(huán)境，使用戶與虛擬環(huán)境中的客體交互作用，從而產(chǎn)生身臨其境的感受和體驗(yàn)[1]。它是在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、圖像處理與模式識(shí)別、人工智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等基礎(chǔ)上發(fā)展起來的交叉學(xué)科，是對現(xiàn)代仿真技術(shù)的突破和發(fā)展。VR技術(shù)的基本特征是臨境感、交互性和構(gòu)想性[1]。臨境感是指計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境能給人以身臨其境的感覺，如同進(jìn)入真實(shí)的客觀世界；交互性是指用戶能夠與虛擬環(huán)境中的對象進(jìn)行交互操作，從而感知和響應(yīng)虛擬環(huán)境；構(gòu)想性是指虛擬環(huán)境能夠激發(fā)用戶的想象力和創(chuàng)造性思維，提高感性和理性認(rèn)識(shí)。VR技術(shù)因其可操作性、真實(shí)性和可重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)今計(jì)算機(jī)多媒體輔助教學(xué)的重要發(fā)展方向之一。目前，VR技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育中，已經(jīng)成功應(yīng)用于基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)及遠(yuǎn)程教育等方面，該技術(shù)在虛擬醫(yī)學(xué)手術(shù)教學(xué)中的優(yōu)勢尤為突出。

2 通過VR技術(shù)學(xué)習(xí)外科技能

VR技術(shù)在外科教學(xué)中亦稱計(jì)算機(jī)外科模擬教學(xué)系統(tǒng)。手術(shù)教學(xué)一直是外科教學(xué)的難點(diǎn)，學(xué)員只有增加手術(shù)操作訓(xùn)練方能提高手術(shù)成功率，減少失誤率。VR技術(shù)可以通過模擬和復(fù)制手術(shù)場景，讓初學(xué)者通過反復(fù)訓(xùn)練，不斷改正操作錯(cuò)誤，達(dá)到準(zhǔn)確熟練掌握外科技能，鍛煉應(yīng)對臨床手術(shù)中各種風(fēng)險(xiǎn)的能力。虛擬手術(shù)操作系統(tǒng)具有可重復(fù)、無風(fēng)險(xiǎn)和自動(dòng)指導(dǎo)等優(yōu)點(diǎn)，學(xué)員通過它完成從切割、止血、分離、病灶處理到縫合等步驟，身臨其境地觀察和感受人體組織。VR技術(shù)還可以對模擬操作的結(jié)果進(jìn)行評判，向?qū)W員反饋訓(xùn)練情況，調(diào)整培訓(xùn)計(jì)劃，使學(xué)員能夠更好地掌握外科手術(shù)要領(lǐng)和技術(shù)，為臨床實(shí)踐作好準(zhǔn)備。

外科手術(shù)已從開放手術(shù)發(fā)展至微創(chuàng)手術(shù)，包括腹腔鏡手術(shù)和機(jī)器人手術(shù)。與開放手術(shù)不同，內(nèi)腔鏡操作時(shí)需要觀察兩維的監(jiān)視器，手術(shù)者需要適應(yīng)有限的觸覺反饋和使用長器械時(shí)的支點(diǎn)效應(yīng)[2]。通過VR技術(shù)進(jìn)行模擬訓(xùn)練可以縮短實(shí)際臨床工作中的學(xué)習(xí)曲線，提高實(shí)踐工作中的學(xué)習(xí)效率和手術(shù)成功率，減少并發(fā)癥的發(fā)生。研究采用VR技術(shù)進(jìn)行微創(chuàng)手術(shù)訓(xùn)練的學(xué)習(xí)曲線，結(jié)果表明新手經(jīng)過大約10例的操作訓(xùn)練后可以達(dá)到熟練的程度[3]，但各學(xué)員展示的學(xué)習(xí)曲線不盡相同，因此對于操作訓(xùn)練達(dá)到熟練程度的課程時(shí)間需個(gè)體化制定。達(dá)到熟練操作之后，所學(xué)的技能約能一定程度地保持7個(gè)月[4]。研究表明采用不同VR外科模擬系統(tǒng)產(chǎn)生的學(xué)習(xí)曲線是相似的[5]。

通過VR技術(shù)學(xué)習(xí)外科技能，其目的是提高在臨床操作實(shí)踐中的熟練程度，因而通過模擬系統(tǒng)所學(xué)的技能能否應(yīng)用于臨床實(shí)踐是衡量該系統(tǒng)價(jià)值的重要指標(biāo)。P a r k等研究表明，通過VR技術(shù)訓(xùn)練結(jié)腸鏡操作的學(xué)員，能更好地對患者進(jìn)行此項(xiàng)操作，這個(gè)差異表現(xiàn)在對首個(gè)10例患者的操作[6]。另一項(xiàng)研究表明采用VR技術(shù)訓(xùn)練的醫(yī)生進(jìn)行腹腔鏡膽囊切除術(shù)，在手術(shù)時(shí)間、損傷發(fā)生率和術(shù)后恢復(fù)方面明顯優(yōu)于未經(jīng)訓(xùn)練者[7]。以往外科操作技能評估，通常是教師或上級(jí)醫(yī)生的主觀判斷，沒有準(zhǔn)確可靠的評判系統(tǒng)，VR技術(shù)能夠自動(dòng)，快速和公正地評判學(xué)員的操作表現(xiàn)，評估學(xué)習(xí)效果，可以監(jiān)控學(xué)習(xí)進(jìn)度，向?qū)W員反饋信息，最終確認(rèn)培訓(xùn)目標(biāo)是否完成，是此項(xiàng)技術(shù)的另一優(yōu)勢。VR技術(shù)本身需要具有可靠性和被認(rèn)可性，包括學(xué)員對結(jié)構(gòu)和界面的認(rèn)可。研究表明結(jié)腸鏡VR模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與界面認(rèn)可度良好，但上消化道內(nèi)鏡檢查VR模擬系統(tǒng)受到批評，認(rèn)為內(nèi)腔鏡插入食道是實(shí)際操作中相對較難的步驟，而VR技術(shù)將此步驟表現(xiàn)得過于簡單[8]。來自學(xué)員的反饋意見將有助于VR技術(shù)的改進(jìn)與優(yōu)化。

專家建議應(yīng)將采用VR技術(shù)的手術(shù)訓(xùn)練列入外科學(xué)課程，如基礎(chǔ)腹腔鏡課程由12個(gè)操作模塊和7個(gè)考試模塊組成[9]。必須在VR模擬系統(tǒng)上訓(xùn)練達(dá)到熟練方可進(jìn)入手術(shù)室進(jìn)行實(shí)際操作，已是許多國際專家的共識(shí)。在課程設(shè)置時(shí)，選用具有較高認(rèn)可度的VR模擬系統(tǒng)作為教學(xué)工具，安排分層漸進(jìn)的訓(xùn)練時(shí)間，確定達(dá)到熟練程度的參數(shù)要求。培訓(xùn)課程結(jié)束時(shí)檢驗(yàn)學(xué)員的學(xué)習(xí)效果，以進(jìn)一步優(yōu)化課程設(shè)計(jì)與目標(biāo)。我國已將VR虛擬手術(shù)系統(tǒng)應(yīng)用于外科教學(xué)，如廈門大學(xué)研發(fā)的“肝虛擬手術(shù)系統(tǒng)”，國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院和解放軍總醫(yī)院合作研制的“虛擬膝關(guān)節(jié)鏡外科手術(shù)仿真系統(tǒng)”。

雖然精湛的外科操作技術(shù)是每個(gè)外科學(xué)員的目標(biāo)，手術(shù)室的其它因素也是手術(shù)成功的重要保證，如團(tuán)隊(duì)的合作與交流，術(shù)中情況的及時(shí)掌握，術(shù)中的決策和管理等。這些非手術(shù)操作技能的重要性在傳統(tǒng)外科教學(xué)中被低估，亦無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的培訓(xùn)評價(jià)體系。通過VR技術(shù)建立虛擬手術(shù)室可以全真再現(xiàn)手術(shù)室的精細(xì)復(fù)雜配合，如Paige報(bào)道在虛擬手術(shù)室中手術(shù)醫(yī)生、麻醉醫(yī)生與護(hù)士一起協(xié)作處理腹腔鏡膽囊切除術(shù)患者術(shù)中發(fā)生的房顫[10]。在這個(gè)VR模擬系統(tǒng)中，不僅可以評估手術(shù)操作的水平，還可以評估對患者情況變化的處理。在真實(shí)手術(shù)室中，學(xué)員不一定能遇上適合的手術(shù)示教病例，手術(shù)的難易與學(xué)員的操作水平不相適應(yīng)，學(xué)員無法重復(fù)操作，外科教師的水平和教學(xué)態(tài)度不一，這些因素提示，于外科學(xué)員而言，虛擬手術(shù)室有諸多優(yōu)勢，能夠模擬真實(shí)的手術(shù)場景，提高外科醫(yī)生的綜合處理能力，不同地點(diǎn)的人員可以同時(shí)通過遠(yuǎn)程登陸參與學(xué)習(xí)與訓(xùn)練。

3 虛擬患者在外科教學(xué)中的應(yīng)用

醫(yī)學(xué)生與患者進(jìn)行交流在外科診療學(xué)習(xí)中不可缺少。1999年由新加坡Cyber Active科技公司研制的Cyber患者（Cyber Patient）是最早的虛擬患者之一[12]，學(xué)員可以對該患者進(jìn)行病史采集（Cyber患者將回答學(xué)員的提問），體格檢查（包括視診、觸診和特殊檢查），輔助檢查，治療計(jì)劃，手術(shù)，術(shù)后處理與隨訪。美國Linden研究公司開發(fā)的“二次生命”（Second Life）是國際最新的醫(yī)學(xué)虛擬世界（Virtial World），學(xué)員可以進(jìn)入虛擬門診，學(xué)習(xí)采集病史、體格檢查和閱讀影像資料，盡管這一學(xué)習(xí)系統(tǒng)尚未加入手術(shù)部分，外科教育工作者已十分看好其巨大的外科教學(xué)潛力。高速互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展與普及，使不同地點(diǎn)的學(xué)員可以同時(shí)對虛擬患者進(jìn)行操作，相互交流診療的體會(huì)，提高互動(dòng)性學(xué)習(xí)的效率與效果。由VR技術(shù)建立的虛擬患者通常被設(shè)計(jì)為具有某一臨床病癥，用于醫(yī)學(xué)知識(shí)與技能教學(xué)。虛擬患者也可幫助外科醫(yī)生針對真實(shí)患者的不同解剖特點(diǎn)，設(shè)計(jì)不同的手術(shù)預(yù)案。

每位患者的解剖均有一定的差異，尤其病理狀態(tài)使解剖特點(diǎn)可能發(fā)生明顯改變，導(dǎo)致局部情況與解剖圖譜及手術(shù)圖譜有很大區(qū)別，這種共性基礎(chǔ)上的差異可能造成實(shí)際工作中的失誤。先進(jìn)醫(yī)學(xué)影像診斷設(shè)備能夠精確采集患者的解剖結(jié)構(gòu)信息，通過VR技術(shù)重建出虛擬患者，給外科醫(yī)生帶來手術(shù)的真實(shí)感受，便于制定個(gè)體化手術(shù)方案，模擬手術(shù)過程，預(yù)感手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，增加實(shí)際操作的安全性，提高手術(shù)成功率。應(yīng)用VR技術(shù)還可以模擬患者的生理狀態(tài)，預(yù)測患者對某項(xiàng)治療的反應(yīng)。盡管這些治療前的模擬設(shè)計(jì)還沒有作為臨床工作的常規(guī)，但無疑對外科教學(xué)有重要影響。

4 結(jié)語

操作技能與非操作技能的學(xué)習(xí)是外科教學(xué)的兩個(gè)重要方面，通過VR技術(shù)的學(xué)習(xí)需將這兩方面的訓(xùn)練相結(jié)合，需循序漸進(jìn)地進(jìn)行訓(xùn)練。初學(xué)者可以采用低保真VR模擬系統(tǒng)進(jìn)行基本手術(shù)技能訓(xùn)練，再通過高保真VR系統(tǒng)學(xué)習(xí)特殊手術(shù)步驟，最后在虛擬手術(shù)室凝煉手術(shù)技能，此時(shí)學(xué)員可以有機(jī)會(huì)學(xué)習(xí)非操作技能，切實(shí)感受手術(shù)緊張感和實(shí)戰(zhàn)狀態(tài)。盡管VR技術(shù)在新時(shí)代外科學(xué)教育中將發(fā)揮重要作用，仍需重視傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方法，合理進(jìn)行課程設(shè)置，兩者結(jié)合形成混合學(xué)習(xí)方法（blendedlearning），將利于學(xué)員全面深入理解和掌握外科學(xué)知識(shí)與技能，讓患者獲得準(zhǔn)確的診斷和安全的治療。

[1]張力.應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提高網(wǎng)絡(luò)教學(xué)質(zhì)量的研究[J].電化教育研究,2003,（6）:56.

[2]A ggarwalR,Moorthy K,DarziA.Laparoscopic skillstraining andassessment[J].BrJ Surg,2004,（91）:1549.

[3]Gallagher AG,Satava RM .Virtualreality as ametric for the assessm entoflaparoscopic psychom otor skills learning curvesand reliabilitym easures[J].SurgEndosc,2002,（16）:1746.

[4]Stefanidis D,Korndorffer JR Jr,Sierra R,etal.Skillretention following proficiency-based laparoscopic simulator training[J].Surgery,2005,（138）:165.

[5]A ggarwal R,Tully A,Grantcharov T,etal.Virtualreality simulation training can improve technicalskills during laparoscopicsalpingectom yforectopicpregnancy[J].BJO G,2006,（113）:1382.

[6]Park J,Mac Rae H ,Musselm an,LJ,et al.Random ized controlledtrial of virtualrealitysim ulatortraining:transferto live patients[J].A m JSurg,2007,（194）:205.

[7]Seymour NE,G allagherA G,Roman SA,etal.Virtualreality training im proves operating room perform ance:results ofa randomized,double-blinded study[J].A nn Surg,2002,（236）:458.

[8]Moorthy K,Munz Y,JiwanjiM ,etal.Validity and reliability ofavirtualreality uppergastrointestinalsim ulatorand crossvalidation usingstructured assessm entofindividualper form ancewithvideoplayback[J].Surg Endosc,2004,（18）:328.

[9]PanaitL,Bell R L,R oberts KE,etal.Designing and validating acustom ized virtualreality-based laparoscopicskillscurriculum[J].JSurgEduc,2008,（65）:413.

[10]Paige J,Kozm enko V,Morgan B,etal.From the flightdeck to theoperating room :an initalpoilotstudy ofthe feasibility and potentialim pactoftrue interdisciplinary team training using high-fidelitysim ulation[J].J Surg Educ,2007,（64）:369.

[11]K arim Qayum iA,Qayumi T.Com puter-assisted learning:CyberPatient-a step in the future ofsurgicaleducation[J].JInvestSurg,1999,（12）:307.

[12]Boulos MN, Hetherington L,Wheeler S.Second Life:anoverview of the potentialof3-Dvirtualworlds in medicalandhealth education[J].Health in fo Libr J,2007,（24）:233.

The Application of VR in Surgerical Teaching

GU Xiao1,YANG Jin1,DU Yong-jun1,GU Tao2
（1.Urological Surgery,Yangzhou First Clinical Hospital,Yangzhou Jiangsu 225001,China；2.Medical College of Brown University,State of Rhode Island 02860,USA）

VR is the application of the computer aid technique in recent years,which shows its dominant position in medical education.The modern teaching of surgery faces to challenge.This passage introduces the features of VR and its present situation and future in the teaching of surgery.

virtual reality;simulation environment;chirurgery

G 642

B

1671-0142（2011）05-0055-03

顧曉（1969-）,男,江蘇揚(yáng)州人,副教授,博士,研究方向?yàn)橥饪婆R床醫(yī)學(xué)教學(xué)與研究.

（責(zé)任編輯劉 紅）