張鈴鈴,張國增,范碩寧,白一彤,曹 鼎,王 語,楊瀅瑞

1.河南省立眼科醫(yī)院, 鄭州 450003;2.河南大學(xué)護(hù)理與健康學(xué)院, 河南 開封 475004

白內(nèi)障作為眼科常見致盲性眼病之一,導(dǎo)致患者不同程度的視力受損甚至失明。目前,白內(nèi)障的首要治療方法仍為手術(shù)治療[1],其手術(shù)時(shí)間短,但操作精度高,術(shù)中任何一步都不容差錯(cuò)。而與之相對(duì)應(yīng)的是,目前中國白內(nèi)障手術(shù)覆蓋率尚低,熟練進(jìn)行白內(nèi)障手術(shù)的醫(yī)師數(shù)量仍有不足[2-3]。長期以來,對(duì)于初學(xué)者眼科手術(shù)培訓(xùn)多以有經(jīng)驗(yàn)手術(shù)醫(yī)師的帶教和實(shí)體動(dòng)物手術(shù)操作為主,傳統(tǒng)教學(xué)模式存在手術(shù)醫(yī)師能力高低不一、學(xué)習(xí)曲線長、設(shè)備器材損耗較大、牽涉?zhèn)惱韱栴}且手術(shù)并發(fā)癥發(fā)生率增加、預(yù)后不佳等弊端[4-5]。加之絕大部分白內(nèi)障手術(shù)在局部麻醉下進(jìn)行,限制了新手眼科醫(yī)師與上級(jí)醫(yī)師在手術(shù)室的交流,增加更多手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)[6]。因此,白內(nèi)障手術(shù)教學(xué)模式亟待改進(jìn),以提升手術(shù)教學(xué)能力。虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality,VR)技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬虛擬環(huán)境,具有可重復(fù)性、可視化、逼真化等優(yōu)勢,目前已經(jīng)被應(yīng)用于白內(nèi)障手術(shù)教學(xué)中。文章對(duì)國內(nèi)外VR技術(shù)在白內(nèi)障手術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用情況進(jìn)行綜述,以期為眼科教學(xué)人員充分利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供新的視覺和參考。

1 VR技術(shù)的概述

1.1 VR技術(shù)的概念

VR技術(shù)是一種借助計(jì)算機(jī)系統(tǒng)模擬真實(shí)世界構(gòu)建出的高仿真的模擬環(huán)境,通過產(chǎn)生電子信號(hào)及視、聽、觸覺等多感官的逼真模擬,利用多種傳感輸出設(shè)備,使用戶真切置身于某種場景,具有無限想象空間,可以實(shí)現(xiàn)用戶實(shí)時(shí)與該環(huán)境進(jìn)行自然交互的技術(shù)[7]。從概念中研究者可以分析得出VR技術(shù)的特征,即多感知性、沉浸感、想象性及交互性。

1.2 VR技術(shù)的起源與發(fā)展

VR技術(shù)于20世紀(jì)60～70年代初開始萌芽,以1968年研發(fā)的交互式頭盔立體顯示器為主要標(biāo)志。1984年,伴隨虛擬環(huán)境視覺顯示器的出現(xiàn)和1989年虛擬實(shí)驗(yàn)室概念的提出,引領(lǐng)了VR技術(shù)蓬勃發(fā)展,尤其是20世紀(jì)90年代至今,該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于教育和醫(yī)學(xué)事業(yè)[8]。目前,VR技術(shù)在臨床教學(xué)中主要用于醫(yī)學(xué)解剖教學(xué)、手術(shù)操作培訓(xùn)、情景模擬等[9]。

2 白內(nèi)障手術(shù)教學(xué)中常見的VR模擬器

白內(nèi)障手術(shù)教學(xué)中常見的VR模擬器主要有EyeSi模擬器、HelpMeSee模擬器和Micro-Vis Touch模擬器等。其中,EyeSi手術(shù)模擬器由德國VR magic公司研發(fā),可用于玻璃體視網(wǎng)膜和白內(nèi)障手術(shù)訓(xùn)練,目前應(yīng)用最為廣泛。該模擬器可仿真標(biāo)準(zhǔn)的眼科手術(shù)環(huán)境,包含專有的硬件和軟件系統(tǒng)。硬件包含位于具有多個(gè)物理端口的模型眼、可提供立體影像的虛擬手術(shù)顯微鏡、可模擬各種手術(shù)器械的手持探針、可調(diào)節(jié)焦距且變焦的腳踏板等;軟件系統(tǒng)包括基本的顯微外科技能、特定玻璃體視網(wǎng)膜和白內(nèi)障手術(shù)培訓(xùn)模塊(夾持、撕囊、超聲乳化和人工晶體植入等),可客觀地測量每個(gè)模塊的關(guān)鍵性能參數(shù)[6,10],在白內(nèi)障手術(shù)教學(xué)中已展現(xiàn)出極大的優(yōu)勢。HelpMeSee模擬器是由國際非盈利組織開發(fā)的專用于小切口白內(nèi)障手術(shù)(manual small incision cataract surgery,MSICS)的一種模擬器,用于進(jìn)行MSICS的培訓(xùn),該模擬器可仿真難易程度不同的手術(shù)場景幫助眼科醫(yī)師進(jìn)行手術(shù)技能培訓(xùn)[11-12]。而Micro-Vis Touch模擬器是一款高度仿真的且唯一包含觸覺感應(yīng)反饋界面的模擬器,可最大程度地實(shí)現(xiàn)“沉浸式手術(shù)”,該模擬器同Eyesi手術(shù)模擬器功能相似,也用于玻璃體視網(wǎng)膜及白內(nèi)障手術(shù)的培訓(xùn)[13]。

3 VR技術(shù)在白內(nèi)障手術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 VR技術(shù)在白內(nèi)障理論教學(xué)中的應(yīng)用

由于眼球解剖結(jié)構(gòu)微小且復(fù)雜,而依靠書本和模型的講解眼部解剖和手術(shù)過程是一種靜態(tài)的教學(xué)方式,教學(xué)模式單一且抽象,導(dǎo)致理論與實(shí)踐脫節(jié),嚴(yán)重影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和教學(xué)質(zhì)量。伴隨VR技術(shù)下3D MAX、Maya、3D-Doctor等軟件的問世[14],三維立體解剖模型和場景模擬使抽象晦澀的器官結(jié)構(gòu)能清晰地展現(xiàn)在眼前,讓教學(xué)過程更加形象直觀,有利于學(xué)生更好地了解眼部解剖結(jié)構(gòu)、體驗(yàn)各種視覺障礙,如視物模糊、視覺變形、視野缺損等[15],使學(xué)生在獲得真實(shí)的教學(xué)體驗(yàn)的同時(shí),更好地理解和掌握知識(shí)[16]。此外,VR技術(shù)在白內(nèi)障手術(shù)影像演示教學(xué)中也盡顯優(yōu)勢。劉夢可等[17]將三維數(shù)字平視化系統(tǒng)(NGENUITY 3D)用于白內(nèi)障超聲乳化吸出聯(lián)合人工晶狀體植入術(shù)中,研究發(fā)現(xiàn)相較于傳統(tǒng)顯微鏡下手術(shù),運(yùn)用3D平視化手術(shù)系統(tǒng)給手術(shù)觀摩醫(yī)師帶來更為舒適的肩頸體驗(yàn)及更好的示教效果,其教學(xué)滿意度更高,與Romano等[18]研究結(jié)果一致。同時(shí),使用VR技術(shù)進(jìn)行白內(nèi)障手術(shù)操作使手術(shù)醫(yī)師以平視的姿勢在三維顯示屏上看到手術(shù)視野,可減少示教手術(shù)醫(yī)師頸部肌肉勞損,對(duì)于減輕其身體負(fù)擔(dān),延長職業(yè)壽命有一定的益處[19]。綜上所述,將VR技術(shù)應(yīng)用于白內(nèi)障理論教學(xué)中對(duì)教學(xué)雙方均有裨益,未來可將虛擬現(xiàn)實(shí)元素進(jìn)一步融入白內(nèi)障教學(xué)和考核中,創(chuàng)新虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)模式,提升教學(xué)質(zhì)量。

3.2 VR技術(shù)在白內(nèi)障實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用

3.2.1 VR技術(shù)在國外白內(nèi)障實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用

VR技術(shù)在國外白內(nèi)障實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的發(fā)展較為成熟。目前,在白內(nèi)障實(shí)訓(xùn)教學(xué)中VR手術(shù)模擬器不僅從視覺上模擬真實(shí)手術(shù),還仿真真實(shí)手術(shù)觸感。Kim等[20]在視覺模擬器訓(xùn)練的基礎(chǔ)上研發(fā)了基于觸覺的VR白內(nèi)障手術(shù)模擬器,在模擬手術(shù)中,通過使用頭盔顯示設(shè)備模擬顯微鏡下的體驗(yàn),使用腳踏板控制手術(shù)視野,使用仿真引擎中的VR觸碰器來控制虛擬碰撞與眼睛模型的觸覺反應(yīng),當(dāng)遇到操作錯(cuò)誤時(shí)可根據(jù)系統(tǒng)發(fā)出的觸覺反饋進(jìn)行調(diào)試。在VR模擬器中構(gòu)建觸覺反饋,使新手眼科醫(yī)師能同時(shí)進(jìn)行手眼協(xié)調(diào)的仿真訓(xùn)練,以獲得更加真實(shí)的手術(shù)體驗(yàn)。一項(xiàng)比較了模擬器中有無設(shè)定觸覺反饋的VR訓(xùn)練的系統(tǒng)回顧發(fā)現(xiàn),多數(shù)有觸覺反饋的VR模擬器在技能訓(xùn)練中比沒有觸覺反饋的更有效,尤其對(duì)于新手醫(yī)師來說,縮短了學(xué)習(xí)曲線和手術(shù)時(shí)間[21]?？梢娀谟|覺的手術(shù)模擬器在白內(nèi)障教學(xué)中具有巨大潛力。此外,不同學(xué)者比較了白內(nèi)障手術(shù)教學(xué)中常見的VR模擬器的性能。Nayer等[22]比較了Eyesi模擬器和Micro-Vis Touch模擬器的性能,結(jié)果表明,Eyesi模擬器可根據(jù)手術(shù)技能區(qū)分眼科醫(yī)師手術(shù)操作能力,其結(jié)構(gòu)有效性良好,而Micro-Vis Touch VR模擬器在眼科實(shí)訓(xùn)中的結(jié)構(gòu)有效性尚不清楚,需進(jìn)一步探究。在印度,Nair等[12]使用HelpMeSee模擬器驗(yàn)證其面部效度和內(nèi)容效度,研究發(fā)現(xiàn),74.3%的眼科醫(yī)師認(rèn)為該模擬器視覺和觸覺模擬是逼真的,94.3%的眼科醫(yī)師認(rèn)為該模擬器的使用有利于提升其術(shù)中的手眼協(xié)調(diào)能力,可見HelpMeSee模擬器的面部效度和內(nèi)容效度均良好,該模擬器可作為白內(nèi)障外科手術(shù)實(shí)訓(xùn)的輔助教學(xué)工具。綜上所述,VR技術(shù)在白內(nèi)障實(shí)訓(xùn)教學(xué)中具有一定的可行性且應(yīng)用效果較好,但仍需要對(duì)除Eyesi模擬器以外的VR模擬器進(jìn)一步探索,并研究其在手術(shù)培訓(xùn)時(shí)間中的應(yīng)用效果,使之更好地應(yīng)用于白內(nèi)障教學(xué),進(jìn)一步滿足不斷增長的精細(xì)化的眼科手術(shù)需求。

3.2.2 VR技術(shù)在國內(nèi)白內(nèi)障實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用

VR技術(shù)在中國白內(nèi)障教學(xué)中的應(yīng)用較晚,但發(fā)展前景廣闊。2019年教育部公布的國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目認(rèn)定中,臨床醫(yī)學(xué)類有28項(xiàng),其中外科教學(xué)培訓(xùn)集中于宮腔鏡和腹腔鏡手術(shù)技能培訓(xùn),在白內(nèi)障教學(xué)培訓(xùn)中有待進(jìn)一步探究。李佳駿等[23]將VR手術(shù)模擬器用于住院醫(yī)師白內(nèi)障手術(shù)培訓(xùn)中,試驗(yàn)組使用Eyesi手術(shù)模擬器進(jìn)行手術(shù)操作培訓(xùn),對(duì)照組采用豬眼訓(xùn)練,結(jié)果顯示,試驗(yàn)組醫(yī)師各模塊考核評(píng)分和用時(shí)均優(yōu)于對(duì)照組,且在手術(shù)體驗(yàn)感、手術(shù)技能幫助程度、提升自信心和整體滿意度等方面效果顯著。VR技術(shù)增加了眼科住院醫(yī)師在模擬真實(shí)手術(shù)的信心、決策和處理能力,提升了白內(nèi)障顯微鏡手術(shù)操作技能。這與吳航等[24]研究一致,可能是因?yàn)閂R技術(shù)在白內(nèi)障術(shù)中模擬的真實(shí)感、安全性和可重復(fù)性,反復(fù)訓(xùn)練可逐步提高初級(jí)眼科醫(yī)師對(duì)顯微手術(shù)技能的掌握程度。但孫遠(yuǎn)等[25]研究認(rèn)為,使用動(dòng)物模型進(jìn)行白內(nèi)障手術(shù)訓(xùn)練的評(píng)價(jià)及臨床操作幫助度高于VR模擬訓(xùn)練,原因可能與其選取的研究對(duì)象為二三年級(jí)住院醫(yī)師,習(xí)慣于接受傳統(tǒng)的教學(xué)方式及其使用的Micro-Vis Touch模擬器目前在國內(nèi)技術(shù)發(fā)展受限,導(dǎo)致其無法感受到VR技術(shù)的益處有關(guān)。因而,VR技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)用于白內(nèi)障手術(shù)教學(xué)仍需進(jìn)一步發(fā)展完善各個(gè)模塊,逐步提高其適用性。目前,白內(nèi)障手術(shù)模擬器在北京協(xié)和醫(yī)院眼科和國內(nèi)其他醫(yī)院已被使用,在具備模擬操作功能的同時(shí)還加入了評(píng)分系統(tǒng),量化了手術(shù)操作考核方法,未來可用于評(píng)估手術(shù)醫(yī)師的操作能力[26]。綜上所述,VR技術(shù)作為新興的教學(xué)工具,將其運(yùn)用于白內(nèi)障手術(shù)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中是大勢所趨,但在國內(nèi)仍需要加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新,進(jìn)一步推動(dòng)VR技術(shù)在白內(nèi)障手術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用,進(jìn)而全面提升白內(nèi)障教學(xué)水平,強(qiáng)化眼科人才隊(duì)伍建設(shè)。

4 VR技術(shù)在白內(nèi)障手術(shù)教學(xué)中應(yīng)用的意義

4.1 創(chuàng)新教學(xué)方法,優(yōu)化教學(xué)模式

依托VR技術(shù)的白內(nèi)障教學(xué)是通過計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)通信、人機(jī)交互和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù),創(chuàng)建出高度仿真的虛擬對(duì)象和虛擬環(huán)境的一種新式教學(xué)方式[27]。目前,國內(nèi)白內(nèi)障手術(shù)培訓(xùn)多以理論教學(xué)、觀看手術(shù)錄像和以動(dòng)物眼訓(xùn)練為主[28]。手術(shù)錄像具有可重復(fù)性的優(yōu)勢,但缺少體驗(yàn)感;而動(dòng)物眼雖擁有接近人眼的真實(shí)體驗(yàn),但其無法復(fù)制人眼解剖結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性且重復(fù)利用率低,難以大規(guī)模推廣[29]。而VR技術(shù)的出現(xiàn),給白內(nèi)障手術(shù)教學(xué)帶來了新的機(jī)遇。相較于傳統(tǒng)的教學(xué)模式,運(yùn)用VR技術(shù)進(jìn)行白內(nèi)障教學(xué)具有高仿真、可視化、可重復(fù)性、隨時(shí)可用等優(yōu)勢,通過構(gòu)建與白內(nèi)障手術(shù)相似的虛擬環(huán)境,借助相關(guān)虛擬手術(shù)器械完成白內(nèi)障手術(shù)訓(xùn)練,創(chuàng)造立體真實(shí)的模擬手術(shù)環(huán)境,使課堂教學(xué)更加生動(dòng)形象,同時(shí)突破時(shí)間、空間、設(shè)備、教學(xué)病例等限制,增加新手眼科醫(yī)師在培訓(xùn)中的手術(shù)操作機(jī)會(huì),實(shí)現(xiàn)“沉浸式手術(shù)”[30]。此外,借助VR技術(shù)進(jìn)行白內(nèi)障手術(shù)教學(xué),可供學(xué)習(xí)者反復(fù)訓(xùn)練,可將復(fù)雜的手術(shù)技能分模塊訓(xùn)練,使其循序漸進(jìn)地掌握手術(shù)技能;且VR反饋系統(tǒng)可提醒錯(cuò)誤操作、操作結(jié)束的評(píng)估報(bào)告,還可供觀摩學(xué)習(xí),促進(jìn)了白內(nèi)障教學(xué)方法的改革,進(jìn)一步優(yōu)化了白內(nèi)障教學(xué)模式。

4.2 提升手術(shù)技能,增強(qiáng)手術(shù)信心

隨著新興技術(shù)的蓬勃發(fā)展,VR技術(shù)在白內(nèi)障的教育和培訓(xùn)中受到廣泛關(guān)注。Thomsen等[31]通過多中心臨床試驗(yàn)探究了使用Eyesi手術(shù)模擬器進(jìn)行白內(nèi)障手術(shù)培訓(xùn)對(duì)手術(shù)性能的影響,結(jié)果表明,使用VR模擬器進(jìn)行白內(nèi)障手術(shù)培訓(xùn),提升了初級(jí)和中級(jí)白內(nèi)障眼科醫(yī)師的手術(shù)操作技能,但對(duì)有經(jīng)驗(yàn)醫(yī)師的手術(shù)技能改善效果并不明顯。一項(xiàng)探究Eyesi手術(shù)模擬器對(duì)眼科實(shí)習(xí)生有效性的系統(tǒng)評(píng)價(jià)表明[32],使用該模擬器可以提高眼科實(shí)習(xí)生的白內(nèi)障手術(shù)操作技能,減少操作失誤。國內(nèi)學(xué)者探究了VR手術(shù)模擬系統(tǒng)在眼科住院醫(yī)師微創(chuàng)白內(nèi)障手術(shù)培訓(xùn)中的應(yīng)用效果[23],研究發(fā)現(xiàn),使用VR手術(shù)模擬器可提升住院醫(yī)師的白內(nèi)障顯微手術(shù)操作技能和心理素質(zhì),增加其職業(yè)初期進(jìn)行手術(shù)的自信心?？梢?基于VR技術(shù)的手術(shù)培訓(xùn)在提升初級(jí)或中級(jí)眼科醫(yī)師手術(shù)技能中具有重要作用,但對(duì)高級(jí)醫(yī)師的應(yīng)用效果還需進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)證研究。

4.3 降低手術(shù)并發(fā)癥,提高滿意度

VR技術(shù)給眼科教學(xué)帶來諸多優(yōu)勢,同時(shí)還需考慮患者的利益,最大限度地保護(hù)其安全[33]。英國皇家眼科學(xué)會(huì)國家眼科數(shù)據(jù)庫對(duì)從2009—2015年的眼科醫(yī)師使用VR模擬器追蹤發(fā)現(xiàn)[34],引入Eyesi模擬器的白內(nèi)障手術(shù)培訓(xùn)對(duì)于工作第一年和第二年的新手眼科醫(yī)師來說,其后囊破裂發(fā)生率降低了38%。一項(xiàng)探究VR模擬器訓(xùn)練對(duì)白內(nèi)障手術(shù)并發(fā)癥影響的定性研究也同樣發(fā)現(xiàn)[35],在白內(nèi)障手術(shù)培訓(xùn)中使用該模擬器降低了后囊膜破裂發(fā)生率?？梢?將VR技術(shù)應(yīng)用于白內(nèi)障手術(shù)教學(xué)有利于降低手術(shù)中后囊膜破裂發(fā)生率,進(jìn)而提升醫(yī)護(hù)滿意度,但在降低其他并發(fā)癥發(fā)生率等方面的證據(jù)有限,未來還須探索其在其他并發(fā)癥中的效果。

5 VR技術(shù)在白內(nèi)障手術(shù)教學(xué)中應(yīng)用的不足之處

目前,VR技術(shù)在白內(nèi)障理論和實(shí)踐教學(xué)中均取得良好的培訓(xùn)效果,可作為一種白內(nèi)障手術(shù)培訓(xùn)中有益的訓(xùn)練工具,但其在技術(shù)、成本等方面還須改進(jìn)。首先,須考慮引進(jìn)白內(nèi)障手術(shù)模擬器的成本效益[26,36],目前市場上的機(jī)器價(jià)格昂貴,比如Eyesi手術(shù)模擬器平均價(jià)格在10萬美元以上,這也導(dǎo)致了該儀器在中國和其他發(fā)展中國家的推廣受到阻礙。此外,VR技術(shù)的實(shí)施與開展還受到模擬器保真度不高、缺乏手術(shù)技能轉(zhuǎn)移及可產(chǎn)生暈眩感等的限制[36-37]。多數(shù)白內(nèi)障手術(shù)模擬器能夠在視覺和觸覺反饋中提供高保真度,但仍有不足,如部分模擬器未增加觸覺反饋系統(tǒng),且在視覺真實(shí)感中,出現(xiàn)模擬器手術(shù)器械因施加力量因素造成眼球扭轉(zhuǎn)等不良后果。因此,伴隨VR技術(shù)在眼科教學(xué)中的興起,須加強(qiáng)技術(shù)革新,創(chuàng)新VR教學(xué)模式,實(shí)現(xiàn)手術(shù)技能的轉(zhuǎn)移,進(jìn)而提升白內(nèi)障教學(xué)質(zhì)量。

6 結(jié)束語

VR技術(shù)作為新興的教學(xué)工具,將其用于眼科領(lǐng)域,推動(dòng)白內(nèi)障手術(shù)教學(xué)手段的創(chuàng)新是非常重要的技術(shù)趨勢。多數(shù)研究發(fā)現(xiàn),VR應(yīng)用于白內(nèi)障手術(shù)教學(xué)中可有效提高新手眼科醫(yī)師的手術(shù)操作技能,降低并發(fā)癥發(fā)生率,但目前相關(guān)研究處于初始階段,仍存有一些不足。未來還須開展長期、大樣本、多中心的研究,進(jìn)一步從手術(shù)技能轉(zhuǎn)移、成本效益等多方面驗(yàn)證VR技術(shù)在白內(nèi)障手術(shù)教學(xué)中的有效性。同時(shí),還應(yīng)不斷創(chuàng)新VR技術(shù),提高白內(nèi)障手術(shù)模擬器的保真度,減少眩暈感,增加VR技術(shù)潛在的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,進(jìn)一步推動(dòng)VR技術(shù)在臨床教學(xué)中的廣泛應(yīng)用。