虚拟现实技术在胸心外科教学中的应用

李 鑫，单雯钏，陆乘俊，朱 吉

(1.上海长海医院胸外科，上海 200433；2.上海长海医院肾内科门诊，上海 200433；3.江苏省泰州市中医院胸外科，江苏 泰州 225300)

外科手术操作通常具有较高的风险性与复杂性，加之医学伦理及医患沟通等多方面现实约束，外科学传统技能培训方式正面临巨大挑战。胸心外科作为一门实践性与专业性极强的学科，涉及病种较多，新理论、新技术迭代较快，诊治过程中需要影像学、解剖学及麻醉学等多学科体系支撑，且常需建立复杂的体外循环，使得医师培养周期偏长。在既往实习带教、住院医师规范化培训及专科医师培训等教学活动中，我们发现当前胸心外科临床教学资源相对欠缺。特别是在当前患者自我保护意识增强、临床教学配合度不高的现状下，临床教学受掣于无法直观、高效地开展教学，胸心外科知识对于这些年轻的初学者而言，难免更显抽象、复杂。为了帮助学员在有限的轮转时间内理解并掌握胸心外科多发病、常见病的诊疗，了解基本手术操作技术，该学科的教学方式方法亟待提升。本文聚焦于此，对本团队在胸心外科一线临床教学中的探索与体会作一论述。

1 虚拟现实技术在教学中的应用

虚拟现实技术历经数十年的发展与进步，如今在各行各业得到了广泛应用，从娱乐休闲到教育培训，从医疗诊断到科学研究，该技术的强大影响力与日俱增。近年来，该技术逐渐渗透融入医学教育领域，成效突出，预期在这一领域有着广阔的应用前景。

1.1 虚拟现实技术概述

虚拟现实(virtual reality)技术最早可以追溯到20世纪60年代的美国，其概念由Richard I.Land等学者提出，主要指利用计算机辅助技术构建虚拟仿真的三维场景，用户可以借助配套的交互装备，通过视觉、听觉和触觉等感知觉全方位、无限制地与虚拟场景中的事物实时互动，从而产生身临其境的逼真感受，并且能够有针对性地对其进行重复操作和设计改造[1]。在问世初期，这一技术曾用于美军作战模拟系统，后经改进逐渐面向商业化。

目前，随着移动互联网和电子计算机等软、硬件水平快速提升，VR技术的研发与应用迈上了新的台阶，在设计、艺术、医学、教学以及产品销售等领域大放异彩。例如，波音公司在设计777型运输飞机的时候就曾采用无纸化的设计方式，并通过VR技术将设计模板投射在真实工作台上，从而简化建造过程，提高工作效率[2]。在国内，由于起步较晚，VR技术的发展稍显滞后，但目前已经获得多方重视，相关的研究和应用正如火如荼展开。例如，北京航空航天大学早年间曾利用VR技术模拟飞行环境，辅助开展飞行员的技能训练[2]；更有甚者，房地产软件近年将VR技术应用于看房买房，变革了房地产产品的营销模式。

1.2 虚拟现实技术在医学教育领域的应用进展

VR技术进入到教育领域后，因其沉浸性(immersion)、交互性(interaction)和构想性(imagination)等特点广受师生青睐[3]。在教学过程中，VR技术可以向学生展现立体仿真三维图像，并为其提供逼真的感官体验，不仅丰富了教学内容，更有利于教学过程的推进。此外，为了推动教育信息化建设，教育部等政府部门出台了一系列激励政策。2018年，教育部发布振兴教师教育行动，并启动国家虚拟模拟实验教学项目，鼓励提倡VR技术在教育、教学和实践中的应用[4]。

众所周知，临床医学知识较为抽象复杂，教学资源不易获取，目前高等院校的临床医学教学工作普遍遇到瓶颈。如今，VR技术的普及给临床医学教学注入了一支强心剂，许多学科的教学工作都应用到了这一技术。

在神经外科手术教学中，颅脑的空间定位需要扎实的神经解剖和脑影像学基础知识作为支撑，而这正是神经外科教学中的痛点与难点。利用患者头颅与血管影像重构数字化手术标本模型，再通过VR技术提供移动、切割、分离及结扎等手术操作，模拟从皮肤切开到打开骨窗、暴露术野等过程，可使学习者更快更好地熟悉掌握手术流程，最大化降低手术风险、提高手术成功率。据悉，第二军医大学长海医院已经将VR技术应用于神经介入手术的教学培训，在缩短学员学习曲线，提升受训者手眼协调能力等方面作用显著[5]。

在妇产科临床教学培训中，由于女性盆腔解剖结构较为复杂，且脏器多隐匿、形态抽象。加之妇产科检查、操作常常涉及隐私部位，患者及其家属自我防范及隐私保护意识较强，可能会拒绝相关的检查示教、带教，尤其在有男性学员或医生在场的情况下。这些原因给妇产科临床教学带来了困难和挑战，也为新技术的应用提供了机遇。VR技术可以在伦理许可的情况下，为学员学习提供便利，其中以妇科腹腔镜的培训应用最为广泛有效。目前，第四代虚拟现实手术模拟系统已经具备力学反馈及术中引导等功能，可以满足更加多样化的教学需求，适配更多的学员群体[6]。

2 虚拟现实技术应用于胸心外科教学的可行性分析

2.1 胸心外科教学改革进展

在传统灌输式教学模式的大框架下，胸心外科教学目前仍以理论讲授为主，示教观摩为辅，遵循“疾病-机制-症状、体征-辅助检查-治疗”的经典模式，低年资医学生在学习中更注重于疾病概念以及治疗方法等基础理论知识的记忆。然而，这种教学方式可能会使学员产生惯性，将学习效果停留在纸面答题，不利于临床实践工作的开展[7]。长久来看，“动手能力不足”会进一步挫败学员的学习信心，最终严重影响临床教学效果。因此，胸心外科的教学需要更加注重与临床工作的密切联系，并适当丰富教学手段。

通过大量的研究与实践，胸心外科教学改革取得了一定的进展。崔新征等人[7]认为，问题导向式学习(problem-based learning，PBL)从提出问题切入教学，引导学员在提出问题、思考问题和解决问题，在提高学员学习兴趣的同时，对其临床操作技能的提升也大有裨益。除此以外，谈梦伟等人[8]对CBL、PBL联合Paper Review教学模式在住院医师规范化培训胸心外科临床教学中的效果进行了深入研究，张冠鑫等人[9]则探讨了互动式教学模式在胸心外科实习、见习教学中的应用，均取得较好成效。然而，这些方法均存在自身难以克服的缺陷，并未广泛铺开应用。

2.2 虚拟现实技术应用于胸心外科教学的优势

外科学对解剖学的依赖程度较高，术者通常需要对局部解剖构造及邻近器官毗邻关联有着清晰的认识，才能保证术中的操作准确、处变不惊。然而据悉，在美国的医学教育中，解剖学教学实践已经从350小时(1955年)锐减到149小时(2009年)[10]，加之大体标本来源缺乏、不便重复使用等条件约束，传统解剖学教学资源显得捉襟见肘[11]。据文献报道，自1995年至2000年间，由于解剖学错误导致的医疗索赔案件增长了7倍之多[12]。由此可见，传统解剖学教学已经不能适应外科学，尤其是外科临床工作的实践需求。对于胸心外科而言，由于胸腔重要脏器集中，解剖形态与毗邻关系相对复杂，稍有失误即可酿成大错，对相关基础知识和操作技能的要求极高。

在传统手术示教、带教中，学员常作为第二助手参与手术，因位置距术野较远，无法直观清晰地观察了解心肺的解剖结构。VR技术目前集成了双目立体视觉、触觉反馈、位置跟踪以及立体声等技术，可为用户提供实时的虚拟视觉、触觉、运动以及听觉感知体验。特别是VR模型可以进行拆分及切割，使得观察没有死角，有助于全方位观察。此外，VR教学资源可以重复利用，学员可以有针对性地重复学习，在复习巩固中形成多维记忆；也正是由于其可重复利用的特性，也便于教学流程和内容的标准化，减少教学过程中的随机误差。再者，由于VR常基于影像学数据重构，因而在解析、拆分方面有着天然的优势，一方面可以按照学习者意愿改变比例与角度，显示心瓣膜等内部结构，另一方面还可进行术前后以及个体间的比较分析，利于直观感受个体及手术差异，建立个性化诊疗观念。

2.3 教学设计举例

本团队计划开展VR教学，并进行了初步设计，拟选取成人先天性心脏病患者数名，涵盖房间隔缺损、室间隔缺损、法洛氏四联症等教科书常见病种，所有患者均需手术治疗。术前，对患者进行造影剂增强的CT数据采集，明确心脏病理解剖构造，对图像数据择优进行下一步分析。随后，将原始CT数据导入到3D建构软件，并进行相应技术操作，分割、切除与心脏三维模型粘连的临近解剖结构，导出可用于VR显示的心脏三维模型。紧接着，通过相应软件对心脏三维模型进行局部透明化、色彩渲染等美化加工，最终在头戴式显示设备中进行360°全景立体显示，学员可通过操作手柄实现缩放、旋转、拆分及切割等交互操作。在本次教学过程中，目标人群主要为实习生、住院医师规范化培训学员等低年资医师，应用基于李克特量表(Likert Scale)的自编量表[13]对教学效果(学员认可程度)进行收集，汇总分析后用于指导下一步改进。

3 应用虚拟现实技术开展胸心外科教学可能存在的问题

早年间，Heng等人[14]开发了VR关节镜手术系统，该系统能为学习者提供相当逼真的触觉反馈。由于胸心外科手术操作较复杂，VR在该领域的应用尚且不多。Friedl等[15]利用VR建模语言在计算机中构建了交互式的3D心脏模型，但其与真实心脏结构仍有明显差异。近年，Ong等用[16]计算机断层摄影术(computed tomography，CT)数据构建了虚拟心脏模型，用于先天性心脏病患儿术前解剖评估与手术规划。

从技术层面而言，尽管CT数据有着易获取、对比度高等诸多优势，在心血管扫描时还可应用心电门控和心电触发技术减少运动微影，但仍会不可避免地出现图像失真，构建出的心脏模型也差强人意。从教学互动上来说，VR手术模拟教学系统很难提供逼真的温湿度、触觉等手感反馈，可能造成训练与现实操作的脱节。从推广应用层面来看，VR设备及配套软件价格昂贵，且在采集、构建教学资源的过程相当复杂，一方面对授课教师的备课质量提出更高要求，另一方面也对大班授课提出更大挑战。此外，VR是虚拟环境，可能在一定程度上影响学员的专注度，给其留下“失败可以重来”的依赖性，不利于培养真实手术环境下的抗压和专注能力。

4 结语及展望

VR技术首次应用于医疗卫生保健领域大约在20世纪90年代初，目前已经取得较为广泛的应用，常用于术前规划及模拟手术等。在临床医学教学中，VR技术以其仿真性、可交互性和可重复性等诸多优势，成为当今多媒体辅助教学的重要发展方向之一。近些年，国内部分院校、医院已经在心血管外科、神经外科、泌尿外科及脊柱外科等学科的教学实践过程中成功开展VR教学系统的应用，效果值得肯定。尽管该技术仍存在些许不足，但仍被认为在外科教学拥有较好的应用前景。鉴于目前VR技术用于胸心外科教学鲜有报道，教学资源的收集整理工作有待逐步开展，VR培训教材的汇编以及VR手术室平台系统的构建或将成为两个重要的研究方向。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突

作者贡献声明李鑫、单雯钏：撰写及修改论文；陆乘俊，朱吉：论文构思、总体把关