虚拟现实技术在兽医腹腔镜技能训练中的应用

葛延松 宋军 王峥 吕红明 孙东波 郑家三

摘 要：腹腔镜是最常用的微创外科技术之一，具有局部解剖精细、减少痛苦、术后恢复快及降低伤口感染风险等优点。缺乏标准的培训规程、缺少专用于兽医外科手术的训练设备等因素，是限制腹腔镜手术在兽医临床开展的重要原因。虚拟现实（Virtual Reality，VR）是通过数字化软件系统创建和模擬真实世界的技术，用户可以借助视觉、听觉及触觉等多种传感通道与模拟产生的虚拟世界进行交互。兽医外科医师的教学、培训和考核可以使用VR腹腔镜训练系统，帮助医师快速积累经验，实现完整的腹腔镜手术模拟训练过程，在兽医外科手术教学领域具有明显的优势。

关键词：虚拟现实;腹腔镜技能;兽医外科手术;模拟训练

中图分类号 G642.4 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2021）21-0088-03

Abstract： Laparoscopy is one of the most commonly used minimally invasive surgical techniques， which has the advantages of finer local anatomy， less pain， faster postoperative recovery and reduced risk of wound infection. However， the lack of standard training procedure and training equipment dedicated to veterinary surgery are important factors that limit the development of laparoscopic surgery in veterinary clinics. Virtual Reality （VR） is a technology that creates and simulates the real world through digital software system， users can interact with the virtual world generated by simulation through multiple sensing channels such as visual， auditory， and tactile feedback. VR laparoscopic training system can be applied to the teaching， training and assessment of surgeons， help surgeons quickly accumulate experience and realize complete laparoscopic surgery simulation training process， which has obvious advantages in the field of medical teaching.

Key words： Virtual reality; Laparoscopic skills; Veterinary surgery; Simulation training

腹腔镜技术是利用腹腔镜和相关手术设备进行手术的技术。近年来，随着兽医临床诊疗技术的不断提高，腹腔镜技术已逐渐应用于兽医临床并得到了认可。腹腔镜手术可实现卵巢切除/卵巢子宫切除、胃肠切开及固定、胆囊切除、肾囊肿开窗及肾上腺肿瘤切除等，腹腔镜手术在小动物术后的康复方面具有明显的优势。

将常规微创外科培训纳入兽医外科手术是受重点关注的问题，但是用于兽医腹腔镜训练的大多是由人医微创手术的模拟器组成，解剖结构、术式的差异、体外模型与体内实际操作的区别，导致其学习曲线更长、更复杂，将训练经验转化为实际手术经验的效率低下[1]。为此，本文介绍了兽医腹腔镜技能的训练模式进行介绍，分析不同训练方法的优势。

1 VR在手术技能训练中的应用

VR技术是以计算机技术为核心，综合图形、仿真、传感和显示等科技，生成具有逼真的视觉、听觉和触觉效果的虚拟环境，其创造出的三维图形环境能够反映事物的变化及其相互作用规律。通过VR显示器和辅助传感设备可以进入虚拟环境，提供沉浸式的观察角度，并可以进行交互操作。

随着VR技术的不断发展，兽医教育人员意识到将VR应用于外科手术的教学和训练是非常必要的。利用VR技术建立的医学模拟系统能够使训练者在真实、安全的环境下完成学习和训练过程，因而在外科领域的应用前景极为广阔。目前，多种VR手术模拟系统可供医师使用，在模拟机上进行腹腔镜手术的基本技能训练和各类型的手术操作，从而大大提高了医师的手术技能，缩短了培训周期。

VR训练系统生成的手术模拟可以为外科医师提供一个培训平台，使其能够进行以虚拟病人为主体的手术培训，以自己的速度独立进行手术训练，快速培养外科医师的手术技能，减少实验动物的使用。通过沉浸式的环境体验和实时交互功能，提高对手术器械的使用和手术操作的掌握，使外科培训尽可能贴近实操，提高临床技能水平。VR训练系统也可以用来计划和模拟的手术过程，在不给患者带来风险的情况下反复进行复杂手术的演练，从而降低手术风险，并为更好地应对手术室的压力做好准备。此外，VR训练系统还可以应用于外科医师的教学、培训和考核，用于筛选或选拔具有发展为外科职业医师潜力的学生，通过模拟训练预测其在手术中取得成功的几率，也可以作为腔镜医师培训或执业认证的平台[2]。

2 腹腔镜技能训练的模式

腹腔镜技术的特点决定了其学习曲线的起点高于传统的开腹手术，需要一套基于器械、深度感知以及在狭窄空间中进行精细运动控制的技能训练，学习周期较长。传统的腹腔镜训练可选择动物活体、尸体、模拟训练箱等，虽然动物活体和尸体具有逼真的解剖结构和组织质地的优势，但它们的维护成本昂贵，不能年复一年的使用。腹腔镜模拟训练箱是目前广泛用于腹腔镜技能训练的选择，适用于技能训练的初始阶段，这种模拟器相对便宜，训练中心可以配备多台，以减少不同训练课程之间的时间消耗。

腹腔镜技能训练首先应学习利用显示器上的二维图像反馈，在三维环境中操作器械，达到手眼协调的效果。当熟悉了在腹腔镜下的定位后，进一步练习在狭窄空间中的精细操作。在训练板上进行分离、切割和缝合等操作，达到协调双手操作、适应腔镜器械的效果。腹腔镜的训练项目需要包含特定的任务，德克萨斯大学西南醫学中心[3]为实习生制定了系统的训练课程：（1）棋盘训练：使用抓钳夹持不同的金属图形（字母A～H、数字1～8），调整图形方向并将其放入4×4棋盘的凹槽中。（2）拾豆训练：分别抓住5颗豆子，移动15cm后将其准确放入直径1cm的孔中。操作时惯用手使用器械抓持豆子，非惯用手移动腹腔镜以提供视野。（3）绳子移动训练：使用2把抓钳将一根140cm的绳子从一端移动到另一端，训练时只允许在特定的彩色部分抓取绳子，每个彩色部分间隔12cm，旨在模拟肠管的检查和移动。（4）木块移动训练：持针钳夹持弯针，使之钩住木块顶部的金属环，然后移动木块并放到指定位置。（5）缝合训练：使用腔镜器械将2块泡沫缝合在一起，并进行打结。

虽然模拟训练箱在腹腔镜技能训练中的应用较为广泛，但是在模拟训练箱中进行的训练与真正的外科手术、应用纱布训练与人体器官之间有着很大的不同，外科医师需要想象真正的手术过程，这是制约培训的主要障碍，导致使用模拟训练箱的培训时间过长，训练经验转化为实际手术经验的效率低下。除了对腹腔镜外科医师进行严格的基本技能培训外，医生还需要近似真实手术环境的模拟手术来检验培训效果，模拟手术训练只有贴近现实，才能取得实效[4]。

3 VR腹腔镜训练系统的优点

VR腹腔镜训练系统引入腹腔镜手术技能的训练在一定程度上解决了真实手术环境模拟这一问题，将计算机技术与腹腔镜技术相结合，使医师从简单材料的训练中解脱出来，提高了训练效率[5]。另外，腹腔镜技能训练仅靠重复是不够的，VR训练系统的优点是能够通过数据分析客观评估训练过程的错误率和操作有效性，通过视觉和听觉的反馈机制实时提示操作人员，这是在模拟训练箱上无法复制的。VR训练系统可以帮助医师在学习过程中快速积累实操经验，实现完整的腹腔镜手术模拟过程，这是VR技术在医学领域的重要应用。从实习生和外科医师的专业测试以及应用结果可知，VR腹腔镜训练系统实现了腹腔镜手术的全过程模拟[6]。该系统的理论知识库能够满足腹腔镜初学者和专业人员的需求，具有重要的教育意义和现实意义。

当操作人员使用VR训练系统执行难度逐渐增加的任务时，系统会记录每项任务所需的时间和出错的次数。操作的有效性检测会记录每项任务期间进行的非必要操作的次数，最终将统计结果绘制为随时间增加经验的函数并转化为学习曲线。研究表明，VR微创手术训练系统（Minimally Invasive Surgical Trainer-VR，MIST-VR）可用于培训腹腔镜技能，对初学者足够简单易于操作，对专家来说其功能足够强大。与缺乏经验的操作人员相比，有经验的腹腔镜外科医师完成任务的速度更快、错误更少、操作有效性更高，不同经验水平的人员具有不同的学习曲线[7]。接受过VR训练的实习生胆囊剥离速度提高了29%，未接受VR训练的失败率是训练组的9倍，出现胆囊损伤或周围组织烧伤的几率是训练组的5倍。由此可见，VR腹腔镜手术在医学教学领域具有明显的优势[8]。

4 结语

兽医腹腔镜技能训练是传统的教学方法，缺乏高级技能培训课程和先进技术的模型，使得腹腔镜手术在兽医临床中开展较困难。VR手术系统的巨大经济价值和研究价值早已得到了国际上的认可，在兽医腹腔镜技能训练领域有着重要的意义。尽管VR手术研究中仍有许多问题有待解决，但相信技术的进步会给人们带来更好的培训效果。

参考文献

[1]Peata C，Riao-Benavides C，Maldonado-Estrada J G. Validation of Training and Acquisition of Surgical Skills in Veterinary Laparoscopic Surgery：A Review[J].Frontiers in Veterinary Science，2020，7：1-13.

[2]Scalese R J，Obeso V T，Issenberg S B. Simulation Technology for Skills Training and Competency Assessment in Medical Education[J].Journal of General Internal Medicine，2008，23（1）：46-49.

[3]皇甫玉爽，应小燕.视频游戏“热身活动”对腹腔镜手术操作技能的影响[J].中国微创外科杂志，2013，13（4）：289-294.

[4]徐协群，花苏榕，李琦，等.虚拟现实和模拟训练箱在医学生腹腔镜基本技能培训中的效果比较[J].基础医学与临床，2018，38（11）：149-152.

[5]Li T，Wang J. Application of VR Technology in Laparoscopic Surgery Teaching[M].Application of Intelligent Systems in Multi-modal Information Analytics， 2021 International Conference on Multi-modal Information Analytics （MMIA 2021），2021：680-683.

[6]沈阳，郝爱民，孙尚宇，等.虚拟现实技术在医学教育中的场景应用研究——基于79篇实验研究论文的系统分析与元分析[J].中国电化教育，2020，2020（8）：107-118.

[7]李莉敏.虚拟微创手术训练系统的设计与研究[D].天津：天津大学，2007：14-16.

[8]Valentine R J， Rege R V. Integrating technical competency into the surgical curriculum：doing more with less[J].Surgical Clinics， 2004，84（6）：1647-1667.

（责编：张宏民）