基于虚拟现实技术的外科教学系统在外科手术器械教学中的应用

王 萌，沈 艳，何宁宁，周玉皆，管文贤

南京大学医学院附属鼓楼医院：1.普通外科；2.教育处， 南京 210008

虚拟现实(virtual reality，VR)是指利用计算机产生三维的虚拟世界，得到逼真的视觉、听觉、触觉的感知效果，使人产生身临其境的感觉，如同置身于真实世界一样。VR技术在医学方面的应用具有十分重要的现实意义。近年来，VR技术在医学领域得到了广泛的应用[1]：VR技术和5G技术的结合，可以让偏远地区的医师实时观看世界一流外科医师的手术细节[2]；在内窥镜检查等操作的培训中，VR技术体现出明显的优势和应用前景[3]；VR技术还可以通过虚拟现实暴露疗法治疗成人和儿童的心理疾病[4]；另外，VR技术在解剖学教学、复杂疑难手术设计、疾病健康宣教和术后疼痛缓解等领域也取得了很大的进展[5]。

在外科教学中，外科手术器械教学是重要的基础课程，掌握外科常规手术器械的名称和用法是每一个医学生必修的课程，也是外科医师重要的启蒙教学。在既往教学实践中，学生接触外科手术器械的机会较少，容易混淆器械名称，也容易忘记器械的具体使用方法。因此，外科手术器械的辨认是医学生外科教学的重点和难点之一。该研究拟通过一种自主开发的基于VR技术的外科手术器械教学系统的应用，探讨VR技术在医学生外科教学中的应用价值。

1 VR教学系统的设计和开发

该教学系统为南京大学医学院附属鼓楼医院教育处模拟教研室自主开发的外科器械教学考核系统。即利用虚拟现实仿真场景化等特点，可在固定空间中模拟手术室场景，进行外科常规器械的教学和考核，可容纳40～80人进行虚拟化教学、体验、讲解和评测。

虚拟现实交互设备：采用HTC Vive显示及定位系统，包括头盔+体感控制手柄、主控电脑、LED显示大屏、数据库主机、教室中央控制集成器。

场地要求：单人系统采用红外定位技术，场地面积要求 4～12 m2；多人系统采用激光定位技术，场地面积要求 15～50 m2。

VR教学系统包括VR器械教学模块和VR器械考核模块，学生通过账号登录进入相关模块。在教学模块中，学生进入模拟手术室场景，通过手柄选择不同的外科器械，选中后可以放大观察并观看相关器械术中使用的视频。进入考核模块即进入模拟考场，在规定时间内回答选择题，题目内容包括器械名称、器械使用方法、相似器械的识别等。考核完成后系统自动打分。

采用3Ds Max软件将手术器械实物建模；采用Vi- sual Studio进行手术室实景建模；采用Unity3D软件编写VR教学模块和考核模块。程序调试完成后，学生戴上HTC Vive头盔和手柄后，输入学生账号登录系统。

2 相关具体内容展示

血管钳、持针钳、三角针、海绵钳、组织钳、线剪、组织剪、拉钩等常用器械建模形成3D影像(如图1所示)。

2．高校校园文化建设物化倾向比较严重。高校物质文化环境的营造，应该充分体现学校的办学特色和人才培养宗旨，表现出办学历史的文化积淀与独特魅力。然而近年来，部分高校在校园文化建设中过分强调物质建设、崇尚现代化，气派的教学楼、奢华的装修、高档的设备等，造成了人力、物力、财力的资源浪费，这些不仅未能体现高校的文化底蕴和历史发展特点，而且与生态文明建设精髓严重背道而驰。部分高校师生没有形成保护生态、勤俭节约的理念，普遍存在办公室资源浪费、教室长明灯、食堂饭菜倾倒等现象，出现宿舍违章用电、破坏公共设施等行为。

图1 VR系统中的手术器械建模图像

在VR模拟手术室场景中可以看到手术器械台上的各种手术器械，操作VR手柄可以选择不同的手术器械。操作HTC手柄可以对手术器械进行360°的观察和放大辨认，同步观看相关器械的手术操作视频(如图2所示)。

图2 VR系统中的教学画面

以南京大学医学院临床医学专业五年级(2015级)81名医学生为研究对象，随机分为试验组(n=40)和对照组(n=41)，分别采用基于虚拟现实技术的外科教学系统和传统的课堂教学方式进行学习。每组配有两位教师(其中一位为助教)。

试验组学生戴上VR头盔和手柄，语音输入账号，登录系统。首先进入模拟手术室，系统提示教学目的和内容；然后学生操作VR手柄选择相应的手术器械，观察和放大辨认，同步观看手术视频；完成VR器械教学后可选择进入VR考核模块，在规定时间内完成题库中选择题和案例题的解答，系统自动打分。

对照组通过教师课堂授课的教学方式，将常用手术器械(如血管钳、线剪、组织剪、持针钳、三角针、海绵钳、组织钳、拉钩等)的特征及使用方法逐一向学生进行讲解，讲解时会通过PPT展示器械照片及其在术中应用的图片；然后分发手术器械，学生对照实物理解记忆所讲内容。

教学完成后两组学生接受相同形式的现场理论考核和教学满意度调查。

现场理论考核考核内容按照教学大纲的要求进行出题。现场考核共10道题，题目内容包括器械名称选择(30分)、相似器械的辨认(30分)、器械的使用方法(40分)，满分为100分。

教学满意度调查向学生发放自制调查问卷，问卷内容包括：对培训内容是否感兴趣、是否达到了预期教学效果、对下次培训是否期待、对教学方式的评价(新颖性和实用性)、你认为这种教学方式有什么优缺点；另外，向任课教师发放调查问卷，对课程中学生的专注度进行评分(低、中、高)。

3 结果

研究共入组81人。其中，试验组40人，平均年龄22.35岁，男性22人，女性18人；对照组41人，平均年龄22.37岁，男性18人，女性23人；所有研究对象均参加现场理论考核和教学满意度调查，发放调查问卷81份，回收81份。

该研究采用现场理论考核的方式，满分100分，题型均为单项选择。器械名称选择共10题，每题3分，共30分；相似器械辨认共10题，每题3分，共30分；器械使用方法共10题，每题4分，共40分。考核成绩如表1所示。两组总分比较无显著差异(85.05±5.80 vs 83.20±6.49，P=0.179)。试验组在器械使用方法题的得分高于对照组，差异具有统计学意义(35.85±2.54 vs 33.25±2.92，P=0.0047)。

表1 两组学生现场理论考核得分情况

该研究向试验组发放调查问卷40份，回收有效问卷40份。结果显示：95.0%的学生对培训内容感兴趣，85.0%的学生认为达到了预期的教学效果，77.5% 的学生对下次的基于VR技术教学系统的培训很期待，70.0%的学生无不适反应，30.0%的学生有头晕、眼睛不舒服等不适反应。该研究向对照组发放调查问卷41份，有效卷41份。结果显示：85.4%的学生对培训内容感兴趣，80.5%的学生认为达到了预期的教学效果，65.9%的学生对下次器械培训很期待。两组兴趣度差异无统计学意义(95% vs 85.4%，P=0.146)。

教师对学生的专注度评分显示：VR教学过程中95%的学生专注度高，课堂教学过程中78%的学生专注度高，两组学生专注度比较，差异具有统计学意义(P=0.026)。

学生对两种教学方式的反馈意见如表2所示。

表2 两组学生对教学方式的反馈

4 讨论

近二十年来，模拟培训在外科教学当中的作用越来越得到重视。研究证明，外科教学中采用模拟培训可以提高教学效率，降低成本并提高患者安全性[6]。模拟培训的方法随着技术的进步而不断发展，模拟培训和VR技术的应用已经改变了21世纪外科医师的传统教学方式[7]。Van Dongen K W等[8]利用VR模拟器对不同资历的医师进行训练，结果证明VR模拟器不仅能提高新医师的手术操作技能,而且对于有经验的医师也有帮助。针对一些复杂疑难手术(例如连体婴儿分离手术等)，在术前进行虚拟现实的模拟手术，有助于外科医师取得成功[9]。职康康等[10]研究发现，VR学习可以增加医学生的学习兴趣，使医学生对血管外科手术产生更深刻、更全面的认识。VR技术是一个跨学科的综合集成技术，其在外科教学中的具体优势包括：

①身临其境的新鲜感该技术的应用可以显著提高学生的兴趣和关注度，学生可以自主学习，有很强的参与性和互动性。

②突破传统教学限制该技术的应用可以模拟急诊及突发事件，比如模拟术中大出血抢救，模拟突发的灾难应急事件等。

③可以观看横切面及动画图像可以360°旋转或放大，突破了静态观察的视觉局限性，比如外科手术器械可以放大观察，比较圆针和三角针的细微差别，比较有齿镊和无齿镊的差别。

④可以量化/自动记录结果通过VR系统自动计分系统进行考核，可以分析学生操作的不足和进步之处，节省了教师的人力成本。

⑤成本更便宜传统教学使用活体动物标本进行外科解剖教学，需要购买新鲜的动物标本，需要专门的冰箱保存，费用高昴且使用时间受到限制。而VR教学是虚拟系统，几乎无器材耗费，不受时间、场地和保存设备的限制，具有明显的成本优势，弥补了教学条件的不足。

⑥伦理学优势考虑到实验动物保护及福利，VR模拟的动物标本可以减少活体动物标本的使用，符合国际医学教学的主流趋势。

在该研究中，试验组的兴趣度和专注度明显高于对照组，这是因为试验组的学生对VR这种形式有新鲜感。在佩戴VR头盔和手柄后，学生有一种玩VR游戏的感觉，能很快适应并投入其中。现场理论考核表明，试验组的平均成绩和对照组无显著差异，表明两组学生教学的接受程度相近，均达到了教学大纲的要求。研究发现，试验组在器械使用方法题的得分显著高于对照组(35.85±2.54 vs 33.25±2.92，P=0.0047)，提示试验组的学生对于器械使用方法的理解更加深入。分析两组差异的原因，笔者认为VR系统能实时展示器械模型和手术视频，学生对自己不熟悉的器械可以反复观看，并放大观察细节，使学生有了直观的感受和沉浸式的体验；而对照组教学采用的是实物讲解结合图片演示，这样的教学方法虽然优于仅用教科书上的照片教学，但缺少互动交流和重复学习反馈，学生短时间很难完全消化所学知识。刘思怡等[11]研究认为，VR技术的应用能缩短学习曲线，改善传统临床教学中模拟训练量不足的问题。一项Meta分析[12]发现，采用VR模拟内窥镜学习的受训者，在技术、非技术技能和患者舒适度等方面都有所提高。如果我们将VR教学和现场触摸感知器械实物相结合的话，也就是通过增强现实的方法进行教学，相信教学效果会更好。

虚拟现实技术是计算机图形学、人机交互技术、人工智能技术结合的产物。虚拟教学平台为学生提供了逼真的手术室环境，学生更加愿意主动地学习，而不是被动地被灌输各种知识[13]。虚拟现实教学正在成为传统教学的必要补充，但不能完全取代传统的教学方法[14]。该研究问卷调查显示：95%的学生认为VR教学方式新颖性强，总体满意度高，学生易于接受授课内容；但仍有30%的学生认为VR教学系统实用性不强，主要因为部分学生有头晕、眼睛不舒服等不适反应。除了外科基本技能培训，在内镜操作培训和模拟手术方面VR技术还有一些不足之处值得深入研究，比如VR操作缺乏力反馈的问题，以及VR模拟手术如何实现团队配合的问题。孙明等[15]研究发现，长时间使用VR设备可能引起疲劳不适，且交叉佩戴可能传播眼部疾病。因此，我们需要客观地看待虚拟现实技术的优势和弊端，充分发挥VR教学的特点，增强学生对外科学手术的感性认识，激发他们的学习兴趣；同时，也要充分认识到VR教学还存在很多不足之处，还需要我们不断探索和改进。只有将虚拟现实教学和传统的现实场景教学紧密结合在一起，才能带来教学质量的真正提高。