虚拟现实技术在外科教学中的应用

顾 晓 ，杨 进 ，杜拥军 ，古 涛

（1.扬州大学第一临床医学院泌尿外科，江苏扬州 225001；2.美国布朗大学医学院，罗德岛州，02860）

虚拟现实技术在外科教学中的应用

顾 晓1，杨 进1，杜拥军1，古 涛2

（1.扬州大学第一临床医学院泌尿外科，江苏扬州 225001；2.美国布朗大学医学院，罗德岛州，02860）

虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）是近年出现的计算机辅助应用技术，在医学教育领域初显优势。新时代的外科教学面临挑战，文章介绍了VR技术的特点及其在外科教学中的应用现状及展望。

虚拟现实技术；模拟环境；外科学

当代医学教育正面临诸多挑战，如医学科技的快速发展需要更多的医学教育时间，医学新领域的出现要求增加医学课程，医学教育需要从被动传授型向主动学习型转变，同时需要适应医疗服务模式的转变。外科学教育已历经一个多世纪的发展，这是一门实践性很强的学科，需要增加医学生接触患者和操作训练的机会，同时又要保护患者隐私和避免伤害；医学招生规模的扩大使医学生在外科实验室和医院手术室的操作机会与时间更加不足；医患关系敏感使自愿参与教学活动的患者明显减少；医学生在临床只能随机遇到可观察学习的病例或手术。在外科教学中如何解决以上问题？计算机与信息技术的迅猛发展，为医学教育提供了现代化的环境，基于计算机仿真技术的虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术的诞生与发展，将对外科学教育产生深远的影响。

1 VR技术及其特点

VR技术是指通过多媒体技术与仿真技术结合而生成逼真的视、听、触觉一体化的虚拟环境，使用户与虚拟环境中的客体交互作用，从而产生身临其境的感受和体验[1]。它是在计算机图形学、计算机仿真技术、多媒体技术、图像处理与模式识别、人工智能技术、网络技术等基础上发展起来的交叉学科，是对现代仿真技术的突破和发展。VR技术的基本特征是临境感、交互性和构想性[1]。临境感是指计算机生成的虚拟环境能给人以身临其境的感觉，如同进入真实的客观世界；交互性是指用户能够与虚拟环境中的对象进行交互操作，从而感知和响应虚拟环境；构想性是指虚拟环境能够激发用户的想象力和创造性思维，提高感性和理性认识。VR技术因其可操作性、真实性和可重复性等优点，已成为当今计算机多媒体辅助教学的重要发展方向之一。目前，VR技术在医学教育中，已经成功应用于基础医学、临床医学及远程教育等方面，该技术在虚拟医学手术教学中的优势尤为突出。

2 通过VR技术学习外科技能

VR技术在外科教学中亦称计算机外科模拟教学系统。手术教学一直是外科教学的难点，学员只有增加手术操作训练方能提高手术成功率，减少失误率。VR技术可以通过模拟和复制手术场景，让初学者通过反复训练，不断改正操作错误，达到准确熟练掌握外科技能，锻炼应对临床手术中各种风险的能力。虚拟手术操作系统具有可重复、无风险和自动指导等优点，学员通过它完成从切割、止血、分离、病灶处理到缝合等步骤，身临其境地观察和感受人体组织。VR技术还可以对模拟操作的结果进行评判，向学员反馈训练情况，调整培训计划，使学员能够更好地掌握外科手术要领和技术，为临床实践作好准备。

外科手术已从开放手术发展至微创手术，包括腹腔镜手术和机器人手术。与开放手术不同，内腔镜操作时需要观察两维的监视器，手术者需要适应有限的触觉反馈和使用长器械时的支点效应[2]。通过VR技术进行模拟训练可以缩短实际临床工作中的学习曲线，提高实践工作中的学习效率和手术成功率，减少并发症的发生。研究采用VR技术进行微创手术训练的学习曲线，结果表明新手经过大约10例的操作训练后可以达到熟练的程度[3]，但各学员展示的学习曲线不尽相同，因此对于操作训练达到熟练程度的课程时间需个体化制定。达到熟练操作之后，所学的技能约能一定程度地保持7个月[4]。研究表明采用不同VR外科模拟系统产生的学习曲线是相似的[5]。

通过VR技术学习外科技能，其目的是提高在临床操作实践中的熟练程度，因而通过模拟系统所学的技能能否应用于临床实践是衡量该系统价值的重要指标。P a r k等研究表明，通过VR技术训练结肠镜操作的学员，能更好地对患者进行此项操作，这个差异表现在对首个10例患者的操作[6]。另一项研究表明采用VR技术训练的医生进行腹腔镜胆囊切除术，在手术时间、损伤发生率和术后恢复方面明显优于未经训练者[7]。以往外科操作技能评估，通常是教师或上级医生的主观判断，没有准确可靠的评判系统，VR技术能够自动，快速和公正地评判学员的操作表现，评估学习效果，可以监控学习进度，向学员反馈信息，最终确认培训目标是否完成，是此项技术的另一优势。VR技术本身需要具有可靠性和被认可性，包括学员对结构和界面的认可。研究表明结肠镜VR模拟系统的结构与界面认可度良好，但上消化道内镜检查VR模拟系统受到批评，认为内腔镜插入食道是实际操作中相对较难的步骤，而VR技术将此步骤表现得过于简单[8]。来自学员的反馈意见将有助于VR技术的改进与优化。

专家建议应将采用VR技术的手术训练列入外科学课程，如基础腹腔镜课程由12个操作模块和7个考试模块组成[9]。必须在VR模拟系统上训练达到熟练方可进入手术室进行实际操作，已是许多国际专家的共识。在课程设置时，选用具有较高认可度的VR模拟系统作为教学工具，安排分层渐进的训练时间，确定达到熟练程度的参数要求。培训课程结束时检验学员的学习效果，以进一步优化课程设计与目标。我国已将VR虚拟手术系统应用于外科教学，如厦门大学研发的“肝虚拟手术系统”，国防科技大学计算机学院和解放军总医院合作研制的“虚拟膝关节镜外科手术仿真系统”。

虽然精湛的外科操作技术是每个外科学员的目标，手术室的其它因素也是手术成功的重要保证，如团队的合作与交流，术中情况的及时掌握，术中的决策和管理等。这些非手术操作技能的重要性在传统外科教学中被低估，亦无统一标准的培训评价体系。通过VR技术建立虚拟手术室可以全真再现手术室的精细复杂配合，如Paige报道在虚拟手术室中手术医生、麻醉医生与护士一起协作处理腹腔镜胆囊切除术患者术中发生的房颤[10]。在这个VR模拟系统中，不仅可以评估手术操作的水平，还可以评估对患者情况变化的处理。在真实手术室中，学员不一定能遇上适合的手术示教病例，手术的难易与学员的操作水平不相适应，学员无法重复操作，外科教师的水平和教学态度不一，这些因素提示，于外科学员而言，虚拟手术室有诸多优势，能够模拟真实的手术场景，提高外科医生的综合处理能力，不同地点的人员可以同时通过远程登陆参与学习与训练。

3 虚拟患者在外科教学中的应用

医学生与患者进行交流在外科诊疗学习中不可缺少。1999年由新加坡Cyber Active科技公司研制的Cyber患者（Cyber Patient）是最早的虚拟患者之一[12]，学员可以对该患者进行病史采集（Cyber患者将回答学员的提问），体格检查（包括视诊、触诊和特殊检查），辅助检查，治疗计划，手术，术后处理与随访。美国Linden研究公司开发的“二次生命”（Second Life）是国际最新的医学虚拟世界（Virtial World），学员可以进入虚拟门诊，学习采集病史、体格检查和阅读影像资料，尽管这一学习系统尚未加入手术部分，外科教育工作者已十分看好其巨大的外科教学潜力。高速互联网的发展与普及，使不同地点的学员可以同时对虚拟患者进行操作，相互交流诊疗的体会，提高互动性学习的效率与效果。由VR技术建立的虚拟患者通常被设计为具有某一临床病症，用于医学知识与技能教学。虚拟患者也可帮助外科医生针对真实患者的不同解剖特点，设计不同的手术预案。

每位患者的解剖均有一定的差异，尤其病理状态使解剖特点可能发生明显改变，导致局部情况与解剖图谱及手术图谱有很大区别，这种共性基础上的差异可能造成实际工作中的失误。先进医学影像诊断设备能够精确采集患者的解剖结构信息，通过VR技术重建出虚拟患者，给外科医生带来手术的真实感受，便于制定个体化手术方案，模拟手术过程，预感手术风险，增加实际操作的安全性，提高手术成功率。应用VR技术还可以模拟患者的生理状态，预测患者对某项治疗的反应。尽管这些治疗前的模拟设计还没有作为临床工作的常规，但无疑对外科教学有重要影响。

4 结语

操作技能与非操作技能的学习是外科教学的两个重要方面，通过VR技术的学习需将这两方面的训练相结合，需循序渐进地进行训练。初学者可以采用低保真VR模拟系统进行基本手术技能训练，再通过高保真VR系统学习特殊手术步骤，最后在虚拟手术室凝炼手术技能，此时学员可以有机会学习非操作技能，切实感受手术紧张感和实战状态。尽管VR技术在新时代外科学教育中将发挥重要作用，仍需重视传统学习方法，合理进行课程设置，两者结合形成混合学习方法（blendedlearning），将利于学员全面深入理解和掌握外科学知识与技能，让患者获得准确的诊断和安全的治疗。

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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

顾晓（1969-）,男,江苏扬州人,副教授,博士,研究方向为外科临床医学教学与研究.

（责任编辑刘 红）