虚拟现实技术在膝关节镜手术教学中的应用探索

翟吉良 金迪 杨波

（中国医学科学院北京协和医学院北京协和医院骨科，北京 100730）

2014 年，国家卫生和计划生育委员会等七部门颁发了《关于建立住院医师规范化培训制度的指导意见》，其中指出：住院医师规范化培训是培养合格临床医师的必经途径，是加强卫生人才队伍建设、提高医疗卫生工作质量和水平的治本之策，是深化医药卫生体制改革和医学教育改革的重大举措，可见住院医师规范化培训的重要性非同一般[1]。住院医师规范化培训以培养临床能力为主，通过系统和规范的培训使其具有扎实的理论基础和熟练的临床技能。传统教学方法重理论轻实践，学生往往表现为“眼高手低”——理论知识扎实，而临床操作能力较差。美国《用教学技术支持教育改革》中指出：现代教育改革的核心是使学生变被动学习为投入学习，在真实的环境中学习和接受挑战性的学习任务[2]。

虚拟现实技术（virtual reality technology，VR）是多种技术的高度结合，它利用计算机生成一种模拟环境，能够感知参与者的位置，捕捉参与者的动作信息，可以让使用者完全沉浸到模拟环境中，并且通过有触感反馈功能的控制器与虚拟环境进行互动[3,4]。利用该技术开发的虚拟仿真项目在医学教育中也得到越来越多的应用[5-13]。这项技术在教育领域的应用改变了教学模式和学习方式，提高了学生在虚拟的环境中与实验对象的互动性和沉浸感，特别是解决了侵入性操作不能在真人身上反复练习、贵重器械无法反复使用等教学难题[14-16]。本研究将基于虚拟现实技术的膝关节镜手术模拟系统应用到教学实践中，尝试突破传统教学方法的局限，期望更好地完成住院医师规范化培训要求并提高培训质量。

1 对象与方法

1.1 教学对象

选择2019 年10 月至2020 年9 月参与骨科住院医师规范化培训的临床研究生及博士后（统称为住院医师）。纳入标准：外科临床轮转≥1 年、既往未参与关节镜手术或关节镜手术模拟器操作。排除标准：无法按时完成2 周的教学计划，无法参加教学后评估、轮转时间小于1 年、参加过关节镜手术或关节镜手术模拟操作。全体住院医师接受理论教学后，对其理论知识进行考核。按照理论考核成绩随机分为A组和B组，每组16人。两组住院医师的性别、年龄、临床轮转进度比较，差异无统计学意义（表1）。

表1 参与本研究的住院医师的基本信息

1.2 教学方法

1.2.1 理论教学：同一教师采用同一教学课件对所有住院医师进行理论教学，包括膝关节解剖、膝关节常见疾病、膝关节镜手术、半月板损伤关节镜治疗等知识，教学完毕后对所有住院医师进行理论考核，并由另一教师记录为初始考核成绩。

1.2.2 分组教学：根据理论考核成绩将住院医师随机分为两组，并开始为期2 周（4 学时）的手术教学。A组住院医师进行传统的手术视频教学（网站可记录学时，需满足学时要求，视频由监考官选取指定；B组进行虚拟现实关节镜手术模拟系统教学（图1），有指定教学人员陪同。

图1 基于虚拟现实技术的膝关节镜模拟系统

1.2.3 教学后评估：完成教学任务后采用同一考核内容与调查问卷对两组住院医师进行客观和主观评价。客观考核时在膝关节半月板模型上进行关节镜下半月板切除术操作（图2），由同一关节镜专家进行BAKSSS 评分[17]及理论考核，记录为终末考核成绩。考核成绩改善率=（终末考核成绩-初始考核成绩）/初始考核成绩×100%。调查问卷由住院医师自行填写，内容包括课程评价、学习兴趣、自学能力、学习效率。

图2 利用膝关节半月板模型进行关节镜下半月板切除术客观考核：教师演示（A）和同学考核（B）

1.3 统计学方法

采用SPSS 19.0 软件进行数据统计分析，计量数据采用均数±标准差表示，进行t检验；分类变量采用χ2检验，P＜0.05为差异具有统计学意义。

2 结果

两组客观考核结果显示，初始考核成绩无明显差异，但采用虚拟膝关节镜模拟系统的住院医师终末理论成绩、理论成绩改善率及BAKSSS评分均较采用传统教学方法的住院医师明显提高，差异具有统计学意义（P＜0.05，表2）。

表2 两种不同教学方法客观评价比较（）

表2 两种不同教学方法客观评价比较（）

注：A组为手术视频教学；B组为虚拟现实关节镜手术模拟系统教学

两组主观考核结果显示，采用虚拟膝关节镜模拟系统的住院医师在课程评价、学习兴趣、自学能力及学习效率等方面均较采用传统教学方法的住院医师明显提高，差异具有统计学意义（P＜0.05，表3）。

3 讨论

关节镜手术是一种微创手术，具有切口小、术野清晰、并发症少、恢复快等优势，目前已经涵盖了除关节置换以外的几乎所有关节内手术，在国内外各级医疗机构发展迅猛，我院近3年的手术量每年递增30%～50%，上升空间十分巨大。与关节镜技术迅猛发展不相匹配的是技术培训的滞后及短缺。

表3 两种不同教学方法主观评价比较（，分）

表3 两种不同教学方法主观评价比较（，分）

注：A组为手术视频教学；B组为虚拟现实关节镜手术模拟系统教学

3.1 传统教学方法面临的困难

由于微创技术本身的特点，关节镜操作几乎全部由主刀完成，助手动手机会很少；从患者角度考虑，受我国目前国情和医疗环境的影响，多数患者愿意选择手术经验丰富的医师进行治疗，广大年轻医师的动手锻炼机会严重不足[18]；而且关节镜手术种类较多，涉及肩、肘、腕、髋、膝、踝等多个部位，镜下操作复杂，学习周期较长，致使培养一名合格的关节镜外科医师需要花费很大的精力和财力。目前年轻医师一般通过视频教学的方法学习膝关节镜手术，通过视频并结合教材和手术观摩，但这种方法缺乏主观感受和体会，与真正的动手操作体验差别很大，所以学习积极性和主动性较低，学习效果也较差。

目前国内关节镜手术的开展得到迅速发展，很多基层医院也逐渐购买了关节镜手术设备并开展相关手术。但由于尚缺乏完善的关节镜技术培训机制，使得技术开展无法实现统一规范，随之而来的问题是手术操作失误甚至事故时常出现，这不仅一定程度制约了关节镜技术的进一步发展，而且造成大众对关节镜技术的误解。因此，亟需建立一种新的高效的关节镜教学培训方法，以缩短学习曲线，提高培训效果。

3.2 虚拟现实技术的特征及在医学教育中的应用

虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真，使使用者沉浸到该环境中，获得身临其境的体验[19]。虚拟现实技术的特征包括：①沉浸性，使用者可感受到模拟环境的真实感；②交互性，使用者可操作模拟环境内的物体，并得到环境的反馈；③构想性，虚拟现实技术可再现真实存在的环境，也可构造客观不存在的环境。虚拟现实系统分为：①桌面式虚拟现实系统：以计算机屏幕作为用户观察虚拟环境的窗口，用户通过鼠标等设备，操作虚拟情景中的各种物体；②沉浸式虚拟现实系统：利用头盔显示器、位置跟踪器、数据手套、其他手控输入设备和声音等，虽在虚拟环境，但可以让使用者全身心地投入和沉浸其中；③共享性虚拟现实系统：使多个用户通过客户端进入由服务器构筑的虚拟空间，共同体验虚拟经历[20]。本研究中采用的膝关节模型系统即为桌面式虚拟系统。

2016年是公认的VR元年[21]，在这一年里VR技术出现了爆炸性的突破。2017年下半年以来，各大公司纷纷将发展方向转向教育、医学及军事等方面。VR技术在实验教学、教学模式变革、实践性人才的培养、网络教学以及基础类教学等方面的应用如雨后春笋般出现[22]。VR技术通过高度仿真、互动的情境设置，可以有效激发学生的学习积极性和增强学习体验[23]。此外，VR 技术还会缩短广大医务人员教育时间、节约培训资金、提高手术质量及降低手术风险[4]。

3.3 关节镜虚拟手术在骨科教学中的效果

通过引入关节镜虚拟手术模型，使每位学生都能够获得动手操作机会，在提高课程参与度的同时，激发学习兴趣，提高课堂参与性及互动性。通过在虚拟模型上操作演练，住院医师会主动提出问题，显著活跃课堂氛围。此外，虚拟仿真系统引导性的教学方式和无限重复性的练习模式，可以使学生的学习效率明显地提升，极大地提高了教学质量[24]。本研究中，采用虚拟关节镜进行教学的住院医师终末考核成绩及成绩改善率均较参与传统教学的医师明显提高，主观评价也有更好的提高。此外，虚拟关节镜系统可降低教学成本、极大地方便教师对教学学时和质量的把控，可以提升师生分析真实环境下发现问题并解决的能力，是真实教学的良好补充[9]。当然，由于基于虚拟现实技术的膝关节模拟系统教学仍处于探索期，虚拟情景模块的设计还有待改进和完善，未来还需进一步进行完善，从而使整个教学过程更贴近临床并且涵盖更广的应用范围。