VR/AR技术在手足显微外科手术操作教学中的应用

范琳琳，吕萍，赵正南，宋文吉，鞠尚廉，梁海东

（大连医科大学附属第二医院 手足显微外科，辽宁 大连 116023）

2004年卫生部修订教学大纲，将显微外科列入外科教学的范围内，要求医学院校的学生需了解显微外科的重要性及操作条件，为在各个学科专业开展医学工作打下基础。结合21世纪新兴的计算机仿真技术—虚拟现实技术（virtual reality,VR）/增强现实技术（augmented reality,AR），我院手足显微外科积极响应国家教学要求，在学生实习过程中开展显微外科相关培训。

VR是通过交互式计算机系统生成实时动态三维立体模拟的逼真环境，头戴VR眼镜可以连接到电脑或手机上，通过传感装置可以跟踪用户的头部运动，使用户与计算机直接进行自然交互，创造出在虚拟空间沉浸式感觉[1-2]。目前已有将虚拟现实技术应用到外科手术教学及显微血管吻合[3]。AR技术是基于VR技术的一种现实与虚拟交互的新兴技术，借助显示技术、交互技术、传感技术和计算机图形技术，将计算机生成的增强信息和操作者周围的物理环境融合为一体，使操作者从感官上信任虚拟信息是其周围环境的一部分，其在骨科领域的术前规划、手术导航发挥重要作用[4]，现具体报道如下。

1 利用虚拟现实技术进行显微外科手术训练

1.1 课程目的

我院显微外科手术操作培训教师均为有着丰富经验的临床一线手足显微外科医生，基于大连医科大学教学改革研究项目，我们开展VR/AR技术在手足显微外科手术操作教学中的应用研究。克服场地、设备、器械、材料等一系列限制，通过虚拟现实技术建立一套简单、易于操作、使学生沉浸在其中、调动学生积极性的教学课程。

1.2 课程设备及前期准备

虚拟现实技术应用眼镜，OLED显示屏像素分辨率均为1 080×1 200，16∶9宽屏，90帧以上。电脑配置如下：GPU：NVIDIAGeForce GTX970/AMD Radeon R9290；CPU：Inteli5-4590/AMDFX8350 ；RAM：8 GB；Video 视频输出：HDMI1.4；操作系统：Windows 10。

聘请专业虚拟现实技术团队，按要求我方提供断指患者、股前外侧穿支皮瓣患者相应医学影像学资料、术区照片录像、病史记录、术中所用器械原样等内容，积极完善相关调试，由具有显微外科操作技术高年资医生验收。

1.3 课程内容

VR技术支持下显微外科血管缝合操作的训练。VR设备安置好后，需要操作者佩戴VR眼镜，双手操作手柄。操作者作为第一视角，该系统可以根据操作者的实际操作能力，给予相应放大倍数调整，该系统设置下，血管吻合系统可以完全模拟实际操作流程进行，如血管断端清创、血流情况查看、冲洗液冲洗、血管夹应用、显微吻合后血流通畅情况。该系统便于操作，针对重点难点环节，学生可以反复练习。带教老师及其他学生可以佩戴相匹配眼镜，360°无死角观摩，带教老师及时发现问题给予解答和指导。

共有20名规培研究生体验了该VR技术显微外科血管吻合课程，问卷结果显示该教程有着良好的交互性和沉浸感，所有学员对学习效果的评价积极。操作过程中所有学员均未出现视觉和位置觉相关的不适。

该设备需要空间较小，可以放置于科室办公室相应位置，这样有利于科室学生及年轻医生随时练习，充分利用碎片化时间，有目的的进行重点环节练习，提高学习效率，避免长时间缺乏应用、手术训练而引起显微外科技术生疏(图1)。

图1 a1实习同学佩戴VR眼镜现场查看显微外科血管吻合虚拟现实影像；b1带教老师进行现场演示

在AR技术支持下显微外科手术可实现术前、术中指导。传统手术术前手术方案制定时临床医生只能通过大量扁平化的医学影像资料进行术前评估[4]，易造成术前评估不完善出现偏差，增加术中相应风险，进而影响术后效果。AR技术术前可针对患者二维影像学资料进行计算机处理，实现术前清晰三维解剖模型呈现。计算机叠加与现实环境的模拟环境，具有实时性、交互性，让使用者更接近真实模拟体验[5]，供术者术前制定手术方案及术前反复模拟训练，从而完善手术方案、减少术中创伤、缩短手术时间、提高预后质量。

我科利用VR/AR技术针对股前外侧穿支皮瓣设计相应模块，根据创面缺损情况，以虚拟穿支血管为中心设计出虚拟皮瓣，术前术者可以佩戴VR眼镜，360°全方位观察穿支血管的形态、走行与术区组织毗邻关系，制定最佳手术入路；术中通过手机端AR导航设备，基于AR的离体透视手术导航，在真实图像上叠加虚拟图像来显示穿支血管位置，透过皮肤观察到虚拟穿支血管与皮肤及肌肉的位置关系，在手术切取时更加准确、安全性更高。本组通过5例股前外侧穿支皮瓣模型建立，术中手术时间较前缩短、术后游离皮瓣均一期成活。

该AR显像技术可以实现术区局部较逼真的呈现，可以从不同角度仔细观察术区，同时可以根据实际需要对术区解剖组织提取观察，在该部分测试中不仅手术医生可以更好地制定手术方案[6]，科室的年轻医生、实习医生对术区解剖的理解也得到进一步升华，避免了接触不到尸体标本、仅通过书本二维图谱理解的不足（图2）。

图2 a2术前应用VR技术重建旋股外侧动脉降支及穿支血管的虚拟现实影像，根据术前患者创面缺损情况设计虚拟皮瓣；b2年轻医生术前佩戴VR眼镜，360°全方位观察穿支血管的形态、走行与术区组织毗邻关系，参与制定最佳手术计划；c2-e2术中医生通过AR导航设备，在真实图像上叠加虚拟图像来显示穿支血管位置，透过皮肤观察到虚拟穿支血管与皮肤及肌肉的位置关系

2 VR/AR技术在手足显微外科手术操作中的意义

想要成为一名合格的外科医生，必须具备熟练的显微外科操作技术[7]，VR/AR技术支持下的显微外科血管吻合训练，可以克服常规显微外科训练对设备、场地要求。本文VR/AR技术应用于显微外科血管吻合技术的教学与培训，根据软件模块设置在该系统具有相对的完整性和可操作性，可以较真实地还原血管吻合流程，根据训练难度选择相应的放大倍数；该操作可单人单机、可反复跳跃进入某一操作模块，可提高操作者的专注性及重点训练，但该操作缺乏现实的触觉感/力反馈，仍需进一步研究[3]。

在我国，越来越多的医学院开始应用VR/AR设备进行医学教学，如北京协和医学院眼科将Eye SI手术模拟作为本科及眼科住院医师的培训课程[8]。根据VR/AR术者可以更好地设计手术方案，对完全没有经验的年轻医生/实习学生，经过短暂的培训也能提高对手术过程更好的理解。目前VR/AR技术的手术导航技术还处于摸索阶段，需要技术人员优化开发，同时也需要临床医生实践经验辅助[4]。现阶段VR/AR技术大多集中在手术操作的训练，在显微外科教学方面有着广阔的前景，对医学教育和年轻医生的手术培训方面有着全新的思路。