劉思怡 譚金海

·綜述與講座·

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在外科手術(shù)培訓中的應用與展望

劉思怡 譚金海

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，借助相關(guān)設(shè)備實現(xiàn)用戶與虛擬環(huán)境交互作用的信息技術(shù)。本文對虛擬現(xiàn)實技術(shù)在骨科、普外科、神經(jīng)外科和泌尿外科手術(shù)和培訓中的應用及效果進行綜述。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)； 虛擬手術(shù)； 手術(shù)培訓

虛擬現(xiàn)實(virtual reality，VR)技術(shù)是以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合相關(guān)科學技術(shù)，生成與一定范圍真實環(huán)境在視、聽、觸感等方面高度近似的虛擬環(huán)境，用戶借助相關(guān)設(shè)備與虛擬環(huán)境中的對象進行交互作用、相互影響，產(chǎn)生身臨其境的感受和體驗[1]。傳統(tǒng)的臨床手術(shù)教學一般通過尸體解剖或是手術(shù)室中“師傅帶徒弟”的方式進行，而前一種的成本高昂、資源少，后一種的風險高、教學內(nèi)容隨機，這兩種方式都很難進行系統(tǒng)的教學和訓練。將VR技術(shù)應用于臨床手術(shù)的教學和培訓是目前醫(yī)學研究的熱點及趨勢，VR技術(shù)的應用能改善目前臨床醫(yī)學教育和訓練的不足，將大量減少有損健康的、危險、昂貴的診斷性操作。Grantcharov[2]認為，運用基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的手術(shù)訓練模擬器可以讓學員在進入手術(shù)室這樣高成本、高壓力的環(huán)境之前做好心理準備，并且讓他們掌握基本的手術(shù)技能，這能縮短他們在手術(shù)室里的學習曲線。我們對近年來VR技術(shù)在部分學科手術(shù)中的應用及效果進行綜述。

一、在骨科手術(shù)中的應用

早期VR技術(shù)在骨科中的應用，大多數(shù)是基于X線、CT、MRI等圖像信息，經(jīng)過計算機處理形成三維圖像重建，為骨科醫(yī)生進行術(shù)前模擬、手術(shù)導航、手術(shù)定位、制定手術(shù)方案等，替代了傳統(tǒng)手術(shù)中醫(yī)生必須根據(jù)X線、CT、MRI等二維的圖像在大腦中形成三維印象進行手術(shù)的方式，縮小了手術(shù)切口、創(chuàng)面，減少了病人的痛苦。在此基礎(chǔ)之上，劉登均等[3]開發(fā)了一種全髖關(guān)節(jié)置換的可視化虛擬手術(shù)，實現(xiàn)了在術(shù)前確定假體選擇的型號，并且在術(shù)中進行股骨頸的精準定位，準確的截骨及最佳位置放置假體，保證了手術(shù)的安全性，提高了手術(shù)質(zhì)量。

目前，VR技術(shù)的應用中，虛擬膝關(guān)節(jié)鏡、虛擬髖關(guān)節(jié)鏡和虛擬肩關(guān)節(jié)鏡等訓練系統(tǒng)被廣泛應用于骨科的手術(shù)培訓中。為了分析新手運用膝關(guān)節(jié)模擬器鏡進行膝關(guān)節(jié)鏡的各類手術(shù)的學習曲線，并分析其相關(guān)的性能與潛在預測因素的關(guān)聯(lián)，Rahm等[4]進行了一項前瞻性研究。他挑選了20名平均年齡為23歲的醫(yī)學生參與了這項研究，對20名受試者進行了相同的標準化培訓后(如何使用30度關(guān)節(jié)鏡和工具等)，他們進行了為期4周的訓練，訓練分為8個階段，包括6個訓練，每個訓練30分鐘，包括測試三角操作技術(shù)、操作咬切鉗和(或)刨刀進行半月板切除術(shù)、移除游離體這3種訓練以及以上這3種訓練增加難度后用于評估受試者的學習曲線。結(jié)果表明，參與此次虛擬膝關(guān)節(jié)鏡試驗的醫(yī)學生在前2個小時的訓練中都有陡峭而快速的學習曲線。陳為堅等[5]建立了一套虛擬膝關(guān)節(jié)內(nèi)窺鏡手術(shù)仿真訓練系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)之上進行了訓練效果的研究[6]，他選擇了來自3所不同大學的外科實習醫(yī)生以及本院的非內(nèi)鏡?？漆t(yī)生共16名組成實驗組，并隨機挑選8名關(guān)節(jié)內(nèi)鏡外科醫(yī)生組成對照組，并將實驗組隨機分為未培訓組和受培訓組，每組各8人，訓練時間為1～3個月。結(jié)果表明，受培訓組與未培訓組間的系統(tǒng)操作成績比較，差異有統(tǒng)計學意義，對照組與未培訓組之間也存在顯著差異，而對照組和受培訓組之間的成績差異無顯著性。因此，虛擬現(xiàn)實手術(shù)系統(tǒng)可以把大量的培訓濃縮在一個較短的時期內(nèi)，并在這種集中訓練的過程中迅速提升操作技能。

二、在普外科手術(shù)中的應用

腹腔鏡作為普外科最為常用的手術(shù)方式，已經(jīng)成了每一位普外科醫(yī)生的必修課，運用基于VR技術(shù)的腹腔鏡模擬器進行腹腔鏡手術(shù)訓練的課程得到廣泛運用。Ayodeji等[7]發(fā)現(xiàn)，虛擬腹腔鏡模擬器真實、客觀、效率高，學員們都很樂于去使用它進行訓練。臨床上比較常用的模擬器有LAP Mentor(美國)、ProMIS(愛爾蘭)、Xitact(瑞士)、SEP(挪威)和LapSim(瑞典)等[8]。

Rosenthal等[9]在 3年時間內(nèi)招募了735名來自世界各地的受訓者，并讓他們每人進行了至少45分鐘的腹腔鏡模擬器訓練，并調(diào)查了他們對這項課程的接受程度和意見，最后72.0%的受訓者參與了調(diào)查，他們來自28個不同國家，其中68.0%的參與者認為設(shè)立這門課程是極好的，21.0%的人認為這門課程是有用的，9.0%的人認為這門課程是合理的，有2.0%的人認為這門課程是不合理或是沒有價值的。Lehmann等[10]也進行了類似的研究，他隨機挑選了36名參與者進行了15個課程的訓練，時間超過5天，結(jié)果表明，他們的學習曲線有一個顯著的提升，并在5天后到達平臺期；同時，有不同手術(shù)經(jīng)驗的參與者得分也有明顯差異，說明通過腹腔鏡模擬器來訓練腹腔鏡手術(shù)技巧是有效且可行的。

潘睿俊[11]在為1例82歲的女性病人實施3D腹腔鏡右半結(jié)腸癌根治術(shù)的同時，在國內(nèi)首次運用VR技術(shù)實現(xiàn)了腹腔鏡畫面與手術(shù)全景畫面的VR全程直播。不同于以往的微創(chuàng)手術(shù)轉(zhuǎn)播觀摩，學生只能看到內(nèi)窺鏡下的圖像，往往還會造成眩暈感，更重要的是沒有親臨現(xiàn)場的學生很難理解高難度手術(shù)中的各類技巧。在此次VR手術(shù)直播中，學生能夠通過自己的手機或是佩戴VR眼鏡來實時觀摩手術(shù)室全景畫面和腹腔鏡畫面，這或許對于微創(chuàng)外科的手術(shù)方式以及教學方式來說是一次革命。

三、在神經(jīng)外科手術(shù)中的應用

對神經(jīng)外科而言，在術(shù)前全面了解顱內(nèi)解剖結(jié)構(gòu)與病灶之間的空間關(guān)系尤為重要，應用VR技術(shù)進行術(shù)前模擬、手術(shù)導航、手術(shù)定位等，對于減少手術(shù)中腦損傷的風險有重要意義。

Ferroli等[12]在兩年半的時間里對100例腦血管疾病或復雜腦腫瘤病人進行了神經(jīng)外科手術(shù)，并在術(shù)前一天常規(guī)獲得他們的MRI或是CT檢查結(jié)果，必要時也獲取他們的血管三維重建結(jié)果，然后通過網(wǎng)絡(luò)傳送成像數(shù)據(jù)到Dextroscope工作站(新加坡)進行三維圖像的渲染、整合以及顱骨、腦動脈、腦神經(jīng)的顏色和透明度的調(diào)整，建立顱骨、血管、神經(jīng)的虛擬三維重建，圖像直接傳輸?shù)絍R眼鏡上，操作者可以直接用雙手來操作VR圖像。經(jīng)過Dextroscope的術(shù)前模擬后，這100例病人中有89例沒有進行傳統(tǒng)的開顱手術(shù)，而是用精準開顱的方法來得到手術(shù)中的充分暴露。楊德林等[13]將64例患有顱底腫瘤的病人隨機分成實驗組和對照組，每組分別為32例，實驗組使用Dextroscope工作站進行術(shù)前模擬和手術(shù)定位，對照組不使用該系統(tǒng)，并記錄腫瘤的手術(shù)切除率、術(shù)后腦血管并發(fā)癥和病人出院時的Karnofsky評分，結(jié)果表明，腫瘤切除率比較差異無統(tǒng)計學意義，術(shù)后實驗組的腦血管并發(fā)癥更少，Karnofsky評分更高。哈文波等[14]運用Dextroscope對42例老年自發(fā)蛛網(wǎng)膜下腔出血病人進行術(shù)前手術(shù)設(shè)計和模擬，并發(fā)現(xiàn)手術(shù)所見與術(shù)前模擬所見一致，且進行術(shù)前手術(shù)設(shè)計的病人在術(shù)中的動脈瘤破裂比例、手術(shù)時間及出血量均少于未進行術(shù)前手術(shù)設(shè)計的病人。因此，利用VR技術(shù)進行神經(jīng)外科術(shù)前計劃和手術(shù)模擬，可減少術(shù)中對腦血管、神經(jīng)的損傷，有助于根據(jù)病人具體情況設(shè)計個體化的手術(shù)入路，提升病人的預后及術(shù)后恢復效果。

四、在泌尿外科手術(shù)中的應用

作為使用內(nèi)鏡進行診療最多的學科之一，泌尿外科手術(shù)中膀胱鏡、輸尿管鏡、經(jīng)皮腎鏡、腹腔鏡(單孔腹腔鏡、機器人輔助的腹腔鏡)等的使用[15]，在體現(xiàn)出微創(chuàng)手術(shù)優(yōu)越性的同時，也對醫(yī)生腹腔鏡以及泌尿內(nèi)鏡的技術(shù)提出了要求。因此，腹腔鏡和泌尿內(nèi)鏡的訓練也成為了泌尿外科醫(yī)生的一門必修課，而VR技術(shù)為他們提供了一種可能。

Herlemann等[16]開設(shè)了一項綠激光前列腺汽化術(shù)的訓練課程，使用GreenLight Simulator手術(shù)模擬器進行手術(shù)技能的培訓，他在一項試驗中挑選了18名泌尿外科醫(yī)生進行GL-SIM手術(shù)模擬器的測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有綠激光前列腺汽化術(shù)手術(shù)經(jīng)驗的人得分高于沒有手術(shù)經(jīng)驗的人，差異有統(tǒng)計學意義，說明運用GL-SIM手術(shù)模擬器進行綠激光前列腺汽化術(shù)的基本技能培訓是有效的。蔡建良等[17]為了探討泌尿內(nèi)鏡模擬器對初學者軟性輸尿管鏡檢查操作的訓練作用，招募了51名沒有軟性輸尿管鏡操作經(jīng)驗的泌尿外科培訓學員，在Uromentor(美國)泌尿內(nèi)鏡虛擬模擬器上進行1小時系統(tǒng)基本操作訓練，然后進行3小時軟性輸尿管腎內(nèi)探查專項訓練，并在專項訓練前、后使用Uromentor泌尿內(nèi)鏡虛擬模擬器的軟性輸尿管腎內(nèi)探查項目對學院進行初評和復評各1次，分別記錄操作總時間、軟組織損傷次數(shù)、腎盂腎盞被完全檢查面積并進行模擬機客觀評分和綜合評估量表(GRS)評分，結(jié)果表明，在Uromentor泌尿內(nèi)鏡虛擬模擬器的專項訓練后，51名學員的各項軟性輸尿管操作評分均有顯著提高，各項評分比較差異有統(tǒng)計學意義。

五、展望

醫(yī)學領(lǐng)域尤其是外科學，由于其風險性和復雜性使得VR技術(shù)的介入成為必然。除以上列舉出的幾個學科以外，其他學科也將VR技術(shù)應用到了臨床診療或是手術(shù)教學上，如眼科、耳鼻喉科、胸外科、婦產(chǎn)科、心內(nèi)科等[18-23]。雖然都表現(xiàn)出了很好的效果，但是距離目標還有相當?shù)木嚯x。Windsor等[23]借助虛擬外科模擬系統(tǒng)對學習方式、內(nèi)窺鏡手術(shù)經(jīng)驗及操作技能之間的關(guān)系進行了研究，發(fā)現(xiàn)虛擬環(huán)境下獲得的操作技術(shù)可直接應用于臨床操作，對初學者的操作技能提升顯著，而對于經(jīng)驗豐富的專家效果有限。于洪波[24]對顱頜面三維形貌建模和手術(shù)模擬進行了研究，結(jié)果表明，使用VR技術(shù)的虛擬手術(shù)操作不僅可以使初學者對手術(shù)操作有感性認識及切身體會，而且對于經(jīng)驗豐富的醫(yī)師，也可以利用此技術(shù)進行手術(shù)設(shè)計及醫(yī)醫(yī)間、醫(yī)患間的溝通與交流。

使用VR技術(shù)進行臨床手術(shù)技能訓練，其優(yōu)勢在于虛擬場景真實且復雜，人機交互性強，定位、反饋精確度高，可重復進行培訓，不僅提高了效率，也節(jié)省了人力、物力成本，且不同于通常外科醫(yī)生通過教科書和術(shù)中助手等被動學習的形式來累積手術(shù)經(jīng)驗。使用VR技術(shù)是通過主動學習的方式進行手術(shù)技能的培訓，縮短了培訓周期。VR技術(shù)也有不足之處，如軟件開發(fā)及硬件設(shè)備成本高昂，現(xiàn)階段的反饋信息局限于視、聽覺，觸覺和力學反饋實現(xiàn)困難大等[25]。目前，VR技術(shù)在臨床上的應用，大部分為基于電腦屏幕顯示，能達到身臨其境效果的并不多。Dargar等[26]提出了(Immersive Virtual Reality，IVR)的概念，即沉浸式的虛擬現(xiàn)實環(huán)境，他指出非沉浸式的虛擬現(xiàn)實環(huán)境通常由電腦屏幕上的圖像及聲音來構(gòu)成，缺少特殊的設(shè)備，這樣缺少沉浸感的虛擬現(xiàn)實環(huán)境會讓操作者受到真實環(huán)境的干擾；沉浸式的虛擬現(xiàn)實環(huán)境一般要使用特殊設(shè)備，例如頭戴式顯示器這樣的設(shè)備來增強操作者身臨其境的感受，創(chuàng)造更具有保真度的虛擬現(xiàn)實環(huán)境。Zhang等[27]則指出，學員更青睞帶有觸覺反饋的虛擬手術(shù)模擬器，這會讓這學員在訓練時的感受更加真實。因此，沉浸式的虛擬現(xiàn)實環(huán)境和帶有觸覺反饋的虛擬手術(shù)模擬器，更能讓缺少在真實病人上進行手術(shù)操作機會的學員們在面對高壓力的手術(shù)室環(huán)境之前學習更多的手術(shù)技巧及經(jīng)驗。

VR技術(shù)是多學科領(lǐng)域相互交叉、滲透、融合的產(chǎn)物，要想讓它成為被人們廣泛接受的醫(yī)療手段，仍然還有很長的路要走，包括軟件和硬件的開發(fā)與創(chuàng)新、加強與臨床之間大的關(guān)系、提高虛擬手術(shù)的真實感等。相信在VR技術(shù)和相應設(shè)備飛速發(fā)展的今天，VR技術(shù)將會給臨床手術(shù)及教學帶來一場新的革命。

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(本文編輯：徐文聃)

Application and expectation of virtual reality technology in surgical training

LIU Siyi，TAN Jinhai.

(Department of Orthopedics，Zhongnan Hospital，Wuhan Univerisity，Wuhan 430071，China)

Virtual reality technology is a kind of information technology，which can achieve the interaction between the users and the virtual environment by using relevant devices.This article introduces the application and validity of virtual reality technology in surgery of orthopedics，general surgery，neurosurgery and urology surgery and surgical training.It discusses the advantages and disadvantages and development prospects of the virtual reality technology in the field of surgery and surgical training as well.

virtual reality technology； virtual surgery； surgical training

10.3969/j.issn.1005-6483.2017.08.026

430071 武漢大學中南醫(yī)院骨科

譚金海，Email：2410746045@qq.com

2017-04-12)