虚拟现实技术与新型整形外科教学

徐祥文 黄昕 昝涛

【提要】 由于整形外科病种繁杂多样、临床患者特异性较高，其疾病治疗的学习缺乏可重复性。虚拟现实技术可提供三维、无风险的手术环境，使学习者可在正式手术前进行演练操作并尝试独立完成手术。但是，单纯应用虚拟现实技术进行教学仍有不足，该技术无法完全模拟临床复杂肠道、血流动力学等。若能在原本的学习循环中加入新型VR（Virtual reality）模拟技术，可借由模拟的手术环境弥补整形外科教学中存在的学习曲线长且复杂术式难以掌握的缺点，从而形成“Observation,thinking,experience,action and teaching”，即“临床观摩、临床问题思考、手术操作演练、独立手术与教学”的新型循环学习模式。该模式有效突破了传统的由课堂到手术台的学习平台期，使整形外科领域能够快速且高质量地培养更多的专业医生。

随着现代医学教育需求和教学方法的改变，非手术现场的外科训练需求急剧增加。整形与修复重建外科作为高度要求精准操作与实践的分支学科，就初学者而言，学习曲线长且难以掌握术式要点。同时，整形与修复重建外科作为医学领域中的特殊学科，不仅要求改善术区功能，更要考虑手术局部的术后美学结果。因此，初学者除了具备传统的解剖学知识，更需要具备美学与人文知识。然而这类患者对初学者往往缺乏必要的信任，导致初学者难以借由传统的学习方式进行培养，因此积极地开发新型的教学模式显得格外重要。

1 传统整形外科教学模式

最初的外科教学系统是由Halsted建立的 “See one,do one,teach one”（认识疾病、掌握疾病、传授知识）[1]，主要是强调在外科手术学习的过程中，首先观摩并学习手术的技艺，进而不断思考并尝试模拟手术，最后能够准确指导其他学习者进行该手术，该模式也与David Kolb提出的“Experience,observation,thinking,and action”（临床体验、临床观摩、问题思考、手术操作）相似。然而，随着医疗体系的发展，部分患者对于成为教学样品感到排斥，初学者也对自己首次独立手术感到不安[2]，且整形外科病种繁杂多样、临床患者特异性较高，其疾病治疗的学习缺乏可重复性。

传统的学习方式为参考解剖书籍、查阅相关文献、与该领域专家进行学术交流等，无法在三维的环境中进行学习与模拟，少数的操作模拟多为尸体解剖或在动物实验中进行演练，然而尸体解剖无法提供组织真实的质地与颜色，且尸体无法反复使用，且数量极为有限，无法供给大量的学生进行操作与学习，使得临床培养的学习曲线过长。故目前迫切需要新型的模拟与学习方式。

2 虚拟现实（Virtual reality）技术在整形外科教学中的应用

整形外科是一个图像依赖学科，最好的学习方式是在安全的环境中进行整形外科手术模拟，可以不断在错误纠正过程中提高技能，并且不会危害到患者的安全[3]。新型的模拟学习方式主要包括：标准化患者、虚拟现实技术（Virtual reality，VR）、高度保真人体模型（High-fidelity mannequin simulator）等[4]。虚拟现实技术即在计算机模拟的手术环境中，利用工具进行外科手术中剪、切、缝等操作，该技术能够提供三维且无风险的手术环境，使学习者可以在正式手术前进行操作演练并尝试独立完成手术，且不存在任何医学伦理问题[5]。

VR技术起源于上世纪90年代，最初被用于模拟清创、缝合与胆囊切除术[6]。随着计算机技术的发展，现代VR技术可以提供保真度更高的模拟环境[7]。相较于其他新型的模拟学习方式，该技术的优势在于计算机能够实时反馈学习者的学习情况，例如完成手术所需的时间、手术过程中错误的举动等，并及时给予评价，使得初学者可以在没有专业人士指导的情况下，进行多次的反复的模拟学习[8]。VR技术可以有效减少学习所花费的时间、加快特殊手术技巧的培训，并且为学习者建立良好的自信心。近期，更出现了虚拟现实技术与CTA资料结合的模拟方式，该技术可以在术前让医生之间、医患之间进行充分沟通[9]，有助于提高手术的准确性[10]。

该技术目前广泛应用于众多临床科室。例如，在耳鼻喉科中使用VR技术进行鼻窦手术模拟，学习并熟悉解剖结构、需要切除的部位、出血位置的模拟处理等，以保证整个手术过程具有良好的稳定性[11]。在整形外科中，VR技术最早被用于颅颌面重建手术[12]，借由虚拟呈现技术在多节段颅颌面重建术中进行骨位置的追踪[13]。在较为复杂的鼻部重建术中，需要了解鼻部骨、血管与周围软组织结构，Vartanian等[14]利用虚拟现实技术研发出“虚拟鼻”，不止可以清楚展示鼻骨与颅面骨的关系，还允许多人连线，同时观看并学习手术模拟。Suffee等[15]在一项比较CTA与VR技术在DIEP皮瓣中预测最佳穿支血管的前瞻性研究中指出，虽然两项技术检测结果的符合率仅33%，但虚拟现实技术可以在术中为手术医生减少主要穿支血管的确认与分离时间。而后，Gacto等[16]利用VR技术结合CTA技术，在术前为下肢电烧伤患者模拟需要切取的皮瓣范围、需要使用的穿支血管位置、预测皮瓣切取的难易程度，该技术还可以提供解剖图像作为教学工具，且该图像可以永久储存并重复模拟使用。该技术也用于DIEP皮瓣的乳房重建术中[17-18]。对于手术医生而言，该技术可以更为精准地进行术前穿支血管的选择与术前皮瓣的设计，对于学习者而言，可以在独立操作手术前进行多次的模拟学习。

成功的手术模拟包括3个部分：手术技巧、手术流程和团队合作[19]。然而，目前的VR技术尚无法做到高度模拟所有手术，例如肠道手术[20]与显微重建手术[21]，因该技术仍无法模拟肠道内部的复杂情况、血管壁弹性与血流动力学等相关因素。其次，VR技术无法模拟术中因操作引发的声音，可能会限制资深手术医生的成长，影响对手术情况的判读[22]。如在学习全髋关节置换术中使用VR技术后，手术结果的精准性降低[23]。再者，手术中的团队合作需要参与者共同进行手术方式的探讨、决定，并在术中遇到问题时共同制定紧急处置决策。目前的单纯的VR技术仅可用于培养独立操作能力，尚无法有效地模拟团队合作，故不利于初学者养成团队协作能力[24]。

3 展望

对于培养合格且具备处理疑难病例的整形外科医生而言，单纯使用已然固化的学习方式较难快速建立独立且正确的手术操作，对于手术自信心的培养也略显不足。国外已有许多医院将VR技术应用于教学，美国纽约大学医学院在唇裂的手术教学中，利用VR技术建立手术模型，获得良好的教学效果[25]。Sena等[26]在一项随机对照试验中，纳入50名5、6年级的医学院学生，比较传统书籍与结合虚拟成像技术辅助学习皮瓣手术的教学效果，64%的学生认为经过VR技术学习后可以更安全、独立地完成皮瓣手术。McGaghie等[27]也在一篇META分析中指出，相较于传统方式，VR技术在特殊手术术式的培养方面具有更大的优势。但是，目前我国将该技术引入整形外科教学体系中，除了需要更新相关理念，还迫切需要建立VR技术中适用于亚洲人的虚拟模型。因为，亚洲人颅颌面解剖结构、各部位血管、肌肉与皮瓣走形分布、具中国特色的复杂手术解剖与术式等，与目前的以欧罗巴人种为主的虚拟模型存在一定的差异。若能在原本的学习循环中加入新型VR（virtual reality）模拟技术，可借由模拟的手术环境弥补整形外科教学中存在的学习曲线长且复杂术式难以掌握的缺点，从而形成“Observation,thinking,experience,action and teaching”，即“临床观摩、临床问题思考、手术操作演练、独立手术与教学”的新型循环学习模式。这一模式能有效突破传统的由课堂到手术台的学习平台期，使整形外科领域能够快速且高质量地培养更多的专业医生。