虚拟现实技术在心血管外科手术教学培训中的初步应用研究

李林林，于振坤，樊红光，郑哲

自1896年Ludwig Rehn医生首次成功地完成了真正意义上的心脏手术以来，心外科已经经历了百余年的发展历程[1]，但心外科医师的培养仍然遵循着传统的模式，也就是医学生在医学院完成了基础理论学习，掌握了基本的解剖学、病理学以及外科学的知识以后，进入临床见习和实习阶段,从而完成对外科学由抽象到具象的认识过程，实现了由文字和二维图片到实景画面的提升。进入临床培训阶段后，受训医师往往由助手做起，经过类似学徒性质的学习过程渐渐成为一个临床医生。

但是这种传统的培养模式存在着诸多不足和缺陷。学员尚未掌握心血管外科的专科基本知识就要参与到繁忙的临床工作中，这不但使心外科医师的学习曲线明显延长，而且还会导致医疗差错发生率上升。因此在临床医师的培养阶段，如何让他们对心脏解剖结构产生充分的认识，如何缩短心外科医师的培养周期，使他们安全地跨越从一个观察学习者到手术者的鸿沟，正是目前迫切需要解决的问题。

在全世界范围内，目前还没有一个公认有效的心血管外科虚拟教学系统能够在医学院校或教学医院中广泛使用。因此我们借鉴神经外科、普外科、骨科、泌尿外科等专业人才培养的经验[2]，将虚拟现实（VR）技术引入到心外科医师的培养过程中。

1 资料与方法

1.1 病例选择

选取经超声心动图证实为先天性心脏病的成年患者15例（男性11例，女性4例），其中房间隔缺损、室间隔缺损、法乐四联症、肺动脉闭锁、右心室双出口各3例。患者年龄在18～45岁之间。所有患者均进行外科手术治疗。术前进行增强计算机断层摄影术（CT）检查，以明确心脏病理解剖结构。每种病例选取图像质量较好1例行进一步的数据分析。

1.2 心脏CT数据的获取

1.2.1 患者准备：所有患者均经肘正中静脉留置静脉留置针。清洁患者皮肤后，将电极片稳定地贴于心电采集部位对应的皮肤上进行心电监测，教授患者憋气动作。

1.2.2 图像采集：采用西门子公司的64排螺旋CT机以前瞻性心电门控模式进行扫描，扫描范围12～15 cm，采集时间5～6 s,管电压为120 kV，管电流为770 mA，球管旋转速度0.33 s/周, Pitch=0.2,层厚0.625 mm。患者接受的平均辐射剂量为（3.6±1.7）mSv。使用双筒高压注射器通过静脉留置针以3.5 ml/s的速度注射非离子造影剂（碘海醇注射液）,造影剂浓度为350～370 mg/100 ml。

1.3 心脏三维模型的建立

将原始CT数据导入到影通3D软件（晟视科技，杭州）中，调节灰度阈值使得所选图像掩膜（MASK）准确覆盖整个心脏区域。对MASK进行3D重构得到滤波平滑后的心脏三维模型。对心脏三维模型进行3D分割操作，切除与心脏三维模型粘连的胸椎及胸肋骨骨骼部分后，导出用于进行VR显示的心脏部位三维模型。

1.4 VR模型显示

将心脏三维模型导入到Unity软件（unity technologies）中，处理模型使其具有特定显示的效果和局部透明、可改变渲染颜色、可改变显示方式等一种或多种功能。打包已处理模型。把打包的数据放置到影通VR软件（晟视科技，杭州)的指定文件夹中，心脏三维模型便可在头戴式显示器（headmount display，以下简称“头显”）中进行360°全景立体显示。通过控制器对心脏三维模型进行放大、缩小、旋转、透明（全景或局部）等一系列交互操作，使得病灶点立体显示于观察者的视野空间中。

1.5 教学效果评价

自2018年1月至2018年10月，18名在阜外医院学习的医师系统地学习了我们制作的VR教材。18名医师中包含8名实习医师、7名研究生和3名专培生，男性13人，女性5人，中位年龄24.5岁（22～29岁）。为了解学员对VR教材的学习体验，每名学员在完成VR教学课程后均需填写一份调查问卷，问卷的内容如表1第一列所示。命题1～3、4～6、7～10、11～13、14～15 分别描述了 VR 教学系统的沉浸感、操控性、视觉体验、学习效果和副作用。该问卷的设计基于李克特量表（Likert scale）[3]，每一个命题都给出了5种表示态度的备选答案（完全不同意、不是很同意、说不准、比较同意、完全同意），并用0～4分记分，分数越高表示对某命题的同意程度越高。问卷满分为60分（15×4=60），中立态度得分为30分（15×2=30）,单一命题的累计最高分为72分（18×4=72），中立态度得分为36分（18×2=36）。问卷中的题目均为态度积极的正向命题，问卷得分越高则表示使用者对VR教学越认可。

表1 调查问卷结果分析[例（%）]

1.6 统计学方法

用SPSS 24.0软件进行统计分析。非连续变量以频数和百分比表示。连续变量以均数表示，采用单样本t检验。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

我们基于CT图像成功构建了部分类型先天性心脏病的VR解剖学教材，学员借助touch手柄即可对3D图像进行旋转、拆分、切割、缩放等操作（图1）。

医师所填写的调查问卷的结果见表1。18位学员的平均分为44.6分，标准差为3.7分。经单样本t检验，问卷平均分显著高于持中立态度的分值，差异有统计学意义（t=16.9，P＜0.01）（图2）。问卷中每个命题的累计分数如图3所示。命题1的累计分数为36分,整体呈中立态度，其中只有27.8%的医师认为VR教材的画面较为逼真。对于VR教材的操控性、视觉体验和学习效果，学员都有着积极的评价，所有学员均未出现视觉和位置觉相关的不适症状。

图1 先天性心脏病的VR解剖学教学过程

图2 18名医师的问卷评分情况

图3 15个命题的得分情况

3 讨论

外科学是一门对解剖学依赖性很强的学科，术者只有对局部解剖结构和临近器官的毗邻关系有着相当清晰的认识才能确保手术的安全和准确。而美国解剖学的教学时间已经从1955年的350个小时缩减到了2009年的149个小时[4]，同时由于尸体来源缺乏和尸体标本不易重复使用，传统解剖学的教学资源十分匮乏[5-6]。事实上自1995年到2000年短短的五年内，由解剖学错误造成的医疗索赔增加了7倍[7]。可见传统的基于尸体的解剖教学已不能让学生充分掌握解剖学知识并应用于临床。就心外科而言，心脏有着不规则的几何结构，初学者往往难以充分了解心脏内各结构的毗邻关系，特别是先天性心脏病中的部分复杂畸形常常让初学者感到十分困惑。

VR技术的出现很好地解决了上述问题。

VR是指在计算机上生成一个与现实世界近乎相同甚至一模一样的仿真世界，用户借助人机接口与计算机进行交互，从而在仿真环境中产生真实世界的体验。目前VR集成了双目立体视觉、立体声、触觉反馈、位置跟踪等先进技术，用户可以在虚拟环境中产生视觉感知、听觉感知、触觉感知和运动感知。VR技术已被公认为是21世纪重要发展学科以及影响人们生活的重要技术之一。

VR首次应用于医疗保健领域起始于20世纪90年代初期，医务人员在手术过程中通过VR将复杂的医疗数据可视化，并将其应用于术前规划[8]。时至今日，VR已经在微创手术中得到广泛地应用，如Huber等[9]利用VR头显构建了腹腔镜虚拟手术室；在神经外科领域，加拿大国家研究委员会的50多位专家与20多家教学医院的外科医师合作开发了 VR 手术模拟器“NeuroTouch”[10-11]；Heng等[12]开发了VR关节镜手术系统并提供了逼真的触觉反馈；在心血管领域，VR技术多用于介入手术的教学培训[13-14]。

由于心外科的病种及手术操作的复杂性，有关VR技术在心外科领域的应用鲜有报道。Friedl等[15]利用虚拟现实建模语言（VRML）在计算机中构建了可交互的3D心脏模型，不过该模型与心脏的真实结构仍有差异。Ong等[16]用CT数据构建了心脏虚拟模型，从而为2名先天性心脏病患儿实施了解剖评估和手术规划。Bruckheimer等[17]与以色列的Realview公司合作也成功构建了结构性心脏病的3D模型，并进行了手术导航，但需要应用专业的全息设备。

我们将VR技术应用到了心外科学员的教学过程中，并制作了部分类型先天性心脏病的VR教材，其教学效果良好，目前可作为传统教学模式的重要补充。实际上，在传统的教学模式下，学员几乎是作为第二助手参与手术，其位置距术野较远，特别是当心脏位置较深时，第二助手几乎无法了解心脏内部的真实解剖结构。而VR模型却是全方位、无死角、可拆分、可切割的，这就使得在心外科接受专科学习的学员能够对先天性心脏病的病理解剖有直观而准确的认识。问卷中我们也可以看出，所有人对VR教材的教学内容都有着深刻的记忆，Ayodeji等[18]的研究也表明了类似观点。因此我们认为，在传统教学的基础上，融入VR技术的教学方式会有着更佳的教学效果。这也与国外类似研究的结论一致[19-23]。

因CT数据有着易于获取、对比度高、样本量大等诸多优势，所以本研究使用了增强CT数据得到了较为典型的先天性心脏病VR模型。但由于造影剂从上肢注射，在下腔静脉内分布不足，造成下腔静脉的显影不佳。虽然CT机进行心血管扫描时会用心电门控或心电触发技术减少运动伪影，但是部分患者还是因为配合不良、呼吸运动等因素导致了部分图像的失真。调查问卷的结果也显示大部分学员对3D心脏模型的逼真程度不太满意，为此我们接下来将应用动态对比增强MRI（DCE-MRI）来构建动态心脏模型，在MRI图像中描记心肌组织的每一个细节，并采用NVIDIAQuadro图形显卡进行画面渲染以构建出更逼真的心脏模型。

虽然我国心血管外科手术发展迅猛，但是医疗资源及手术技术仍存在显著的地方差异[24]，特别是在心血管领域，随着经皮介入技术的普遍开展，外科手术也为介入手术提供了强有力的安全保障[25]。因此，规范化地培养心血管外科医师就显得尤为重要。目前，本研究只是对于VR技术在心血管外科教学培训中的应用进行了初步探索，虽然存在一定的局限性，但结果引人注目。接下来我们将不断完善该技术，下一步的研究方向是VR心血管疾病的系列培训教材、构建VR手术室平台系统。