虚拟现实与增强现实技术在眼科教学中的应用现状

邹 绚，睢瑞芳

(中国医学科学院 北京协和医学院 北京协和医院 眼科， 北京 100730)

现今，越来越多的多媒体教学手段(如手机及电脑教学应用软件)被应用于医学教学和培训中。这些多媒体技术、数字信息和教学软件大大丰富了当今医学生学习方法，提高了学习效率并且进一步保障了医疗安全。其中，新的可视化技术如虚拟现实(virtual reality，VR)和增强现实(augmented reality，AR)作为一种新兴的教学手段，已在医学教学中广泛应用，给当代医学生创造了全新的学习环境。比如VR或AR技术被用于外科基本操作打结培训、创伤整形外科手术培训、腔镜手术操作培训，以及妇产科宫腔镜操作培训等。而且多数研究都表明这种教学方式可以提高学习效率、帮助学生更好的掌握某种操作技能和提高医师执业初期在患者中操作的安全性。本文将结合VR和 AR技术的发展趋势，总结此两项技术在眼科教学中的应用现况和进展。

1 VR和AR技术的基本概念

VR技术源于20世纪60年代，是利用计算机技术生成逼真的视、听、触觉融合的三维虚拟环境，用户以特定设备与虚拟环境进行交互互动，从而获得与真实环境相同的体验和感受。与传统模拟技术相比，VR技术具有沉浸性、构想性和交互性3个主要特征。在电脑构建的虚拟环境中，操作者可以通过设备对虚拟环境中的内容进行操作，被操作的物体也能够随之产生相应的变化和回应。

AR技术是一种实时计算摄影机影像位置及角度并加上相应图像的技术，将真实世界和虚拟世界合成在一个界面，把原本在现实世界内不存在的信息(视、听、味、触觉等)通过电脑技术模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，从而达到超越现实的感官体验。AR系统具有集成性、交互性和在三维空间中增添定位虚拟物体的3个主要特征。

2 VR与AR技术在眼解剖教学中的应用

眼球解剖是眼科学的教学基础，现今的医学教育理念仍将尸体解剖作为解剖教学的“金标准”，但是由于眼球结构非常精密微小，眼球解剖开后组织容易被破坏且难以保存，再加之受经费、伦理等限制，尸体解剖并不适用于眼科教学。因此，目前传统的教学方式仍是传统授课和书本描述为主，图谱和眼球教学模型为辅。学生在接触眼球解剖初期，常感抽象和难以理解，容易产生畏难心理。利用VR或AR技术构建正常人眼解剖结构的模拟系统，创造出的图像不仅具有立体感，而且还给人以真实感，以此进行教学可以增强课堂教学的生动性和形象性。不仅如此，使用者还可以通过手柄对三维立体眼模型进行旋转、放大或缩小、拉近或拉远，可以直观地观察眼内结构(图1)，从而更容易理解眼球解剖结构[1]。现在VR和AR技术已经广泛地应用于医学解剖教学中，市场上已经有不少可购买的产品(如Eye Sim，EON Reality Inc.，USA)，多数研究表明学生对此种新兴的教学方式反馈良好，学生可以更快地掌握解剖学知识、更深入的理解解剖学结构[1]，但是也有研究表明与传统的教学效果差别不明显或者差于传统的教学方法，并且因为学生需要佩戴VR头盔，学习时间难以维持太久(一般少于30 min)，会产生视疲劳等不适症状[2]。因此，将来通过对VR或AR技术设备的改良，减轻学生使用后的视疲劳症状，是该技术发展的一个重要方向。

图1 VR技术显示的眼球结构示意图Fig 1 Simulation of eye anatomy in VR technology (EyeSim, EON Reality Inc., USA)

3 VR与AR技术在眼疾病教学中的应用

让学生仅通过老师或书本的语言描述来理解眼病中患者的症状是比较抽象的，VR与AR技术可以构建三维立体场景模拟各种视觉障碍，比如视物模糊、视野缺损、视物变形、色觉障碍等。例如芝加哥的伊利诺斯大学实验室(VRMedLab)使用VR技术虚构了生活场景来模拟青光眼、老年性黄斑变性和糖尿病视网膜病变的症状(图2)，学生头戴VR头盔，便可身临其境地感受眼疾患者的症状[1]。

另外，本科医学生在实习过程中通常还不能熟练地掌握裂隙灯、双目间接眼底镜或前置镜的使用，而且对病变形态没有充分的理解，因此临床见习或实习时很难精确地在患者身上观察到疾病的体征。利用VR和AR技术可以模拟出不同疾病体征(图3)[1]，通过这种学习手段，学生可以反复观察学习病变形态，不仅可以更好的理解疾病的病理状态，还可以模拟参与这些虚拟眼疾患者的诊断和治疗工作。因此，VR和AR技术在模拟眼科疾病的症状和体征上都有很广泛的应用前景，将来也可以通过此技术建立标准化病人库，用于眼科教学和考核。

A.VR技术模拟老年性黄斑变性视觉障碍；B.VR技术模拟糖尿病视网膜病变视觉障碍；C.VR技术模拟青光眼视觉障碍图2 VR技术模拟各种眼疾症状[1]Fig 2 Simulation of symptoms of eye diseases in VR technology

图3 VR技术模拟糖尿病视网膜病变的眼底表现[1]Fig 3 VR eye model showing retinal changes due to diabetic retinopathy

4 VR与AR在眼科检查法和眼科操作中的应用

使用VR或AR模拟器对学生进行眼科检查法的训练，可以让学生在没有压力的情况下反复长时间练习，从而避免直接检查对患者造成的不适。VR或AR技术目前可以用于裂隙灯检查、 直接检眼镜检查和间接检眼镜检查的培训。例如，使用双目间接眼底镜显示的图像为倒向，且需要良好的手眼运动协调，因此初学者通常难以掌握，需要反复实践练习。EyeSI BIO(VRmagic，Manheim, Germany)是基于AR技术的双目间接眼底镜模拟系统，使用者戴头镜，可以在真实的环境中使用模型镜(类似于传统的20D或28D)在患者模型上对虚拟的眼底图像进行练习(图4)[3]。双目间接检眼镜AR模拟系统还可以对使用者进行掌握程度的测验。一项加拿大的研究纳入了28名第一年的眼科住院医，比较EyeSI BIO培训和传统培训后住院医技能的掌握情况，表明EyeSI BIO的教学效果要优于传统的教学方法[3]。

除了眼科检查法培训，VR或AR技术还用于培训激光小梁成型[4]、球后注射[5]、视网膜激光光凝[6]等一些眼科操作的培训。例如，一项研究比较了PixEye氩激光小梁成型术模拟系统与传统教学方法的教学效果。研究纳入了47名第5年的男性医学生(VR模拟系统组24人，传统教学组23名)，经过培训后，学生进行激光小梁成型术的测验。结果显示VR模拟系统组激光射失率更低、过度激光和激光不足的比例更低，而且两组差异显著，说明PixEye模拟系统能够提高学生的学习效率，减少激光相关的并发症等。

A.培训设备；B. 操作界面，使用者可以选择让虚拟患者向不同的方向注视图4 基于AR技术的双目间接眼底镜培训[3]Fig 4 AR simulator of binocular indirect ophthalmoscopy

5 VR与AR在眼科手术培训中的应用

眼科手术模拟器的应用始于20 世纪90 年代初，目前在教学中使用最多的是Eye SI(VRmagic，Manheim，Germany)眼科手术模拟器(图5)，此模拟器可以在显微镜下模拟手术中三维图像，对白内障和玻璃体手术进行模拟和培训，具有使用简单可控、仿真度高且能反复操作等优点。可显著提高使用者显微镜下操作、白内障手术以及玻璃体手术等的掌握程度。

Eye SI白内障手术模拟器与实际手术中撕囊的过程有高度一致性，经过培训后，可以有效地提高眼科住院医在各个学习模块中的成绩，特别是撕囊和抗抖模块[7]；可以缩短学习曲线，表现为在手术中超声乳化时间更短、所用能量更小，并且术中并发症更少[8]。使用白内障手术模拟器的表现与现实中的手术操作也有显著的相关性[9]。另外，模拟器能在一定程度上反映使用者的手术掌握情况，因此可以通过住院医师课程培训的情况，预测日后手术的速度和表现[10]。大部分参培住院医师认为模拟器训练非常重要和有效；但是，虽然初学者效果明显，Eye SI白内障手术模拟器对于手术经验丰富的医师则无明显的提高作用[11]。

除了白内障手术操作，手术模拟系统也可用于进行玻璃体手术的培训(图5B)。使用者可以进行眼内基本显微操作训练、玻璃体切除、眼内激光、制作玻璃体后脱离、剥除内界膜等操作，通过训练可以不同程度的提高模拟器训练中的手术技巧，但是能否顺利转换到真实患者手术中，还有待进一步研究[12]。

A.模拟器外观；B.玻璃体手术操作实景界面图5 Eye SI(VRmagic)眼科手术模拟器Fig 5 Eye SI (VRmagic) sugical simulator

6 小结

在中国，近年来也有越来越多的医学院开始使用VR或AR设备进行眼科教学。例如北京协和医学院眼科教学就将Eye SI手术模拟作为本科教学实习和眼科住院医培训的必修课。学生通过培训，能基本掌握显微镜下的操作要领，较好地控制器械的位置和稳定性。即使完全没有手术经验的本科生，通过短暂的培训也能有明显的提高，并对整个手术过程有更好的理解。国内目前也出现了一些自主研发的教学设备，如上海皋城软件有限公司研发的眼球解剖VR软件，对三维眼球进行了立体重建，支持眼球组件的分层显示、组件剖切和实时标记；还包含裂隙灯操作及病例诊断功能等。

总之，AR和VR技术相关的眼科教学系统是建立在高科技信息技术之上的新型教学系统，在过去十年内发展迅速，而且具有广阔的发展前景。虽然目前还有很多不足和不完善的地方，但仍是未来几十年内发展的趋势，将在医学教育和青年医生的培训方面起到举足轻重的作用。AR和VR技术给眼科和其他医学教学改革提供了全新的思路，拓展了眼科教学的发展空间，善于应用AR和VR技术，有助于创建全新高效的课堂。