虚拟现实技术在膝关节镜手术教学中的应用*

邹昆 黄诚 丁冉 王佰亮 程立明 王卫国 郭万首 张启栋

骨科学是一门综合学科，内容多，专业性较强，比较抽象，不易理解和记忆，涉及手术操作、解剖学、放射学等知识内容。膝关节是骨科教学中的重点内容，关节镜手术是膝关节疾病诊治的金标准，使用范围广，治疗的伤病多，膝关节镜实践教学是骨科教学的重要组成部分，但是实践性强，不易掌握。

目前国外多篇文献纷纷报道了应用虚拟现实技术（visual reality，VR）进行膝关节镜手术教学，并且取得了良好的训练成果。Rahm对20名医学生进行关节镜技术训练，虚拟现实技术训练组掌握速度快，技术明显提高[1]。Jacobsen发现虚拟现实技术可以提高学生在真实实践操作时的技能[2]。

本研究拟探索虚拟现实技术在膝关节镜手术教学中的应用，进行量化评估并合理优化教学方法，以期提高教学质量。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取北京中医药大学2019年4月至2019年7月期间在我科培训人员，包括本科生和研究生，共60人，利用计算机生成随机数将学生随机分为VR教学组（VR组）和传统教学组（对照组），每组30人。其中，VR教学组男8人，女22人，年龄22～29岁，平均年龄（25.2±1.2）岁，其中本科3人，硕士27人；传统教学组男10人，女20人，年龄23～27岁，平均年龄（25.3±1.1）岁，其中本科2人，硕士28人。两组的学生在年龄、性别方面比较差异无统计学意义，且两组学生先前均未进行过膝关节镜手术教学相关培训，如图1所示为本研究设计流程图。

图1 研究设计流程图

1.2 研究方法

1.2.1 教具准备

①VR硬件为乐蜗VR头显（显示尺寸：1 600英寸；瞳距调节，0～800°近视兼容；颜色：金日橙；外形材质：塑料；产品尺寸：149.7 mm×91.3 mm×111.6 mm；重量：275 g），安卓手机（学生自备，要求安卓2.3以上），安装好QQ浏览器VRAPP，在“我的眼镜”中选择“乐蜗VR”。②把膝关节镜手术VR视频导入手机内存卡。视频名称为360-Degree Virtual Reality:Inside the Operating Roomfor an Arthroscopic Knee Surgery[3]。

1.2.2 理论教学内容

以人民卫生出版社出版的《外科学》中的膝关节运动损伤、《骨科学》中的膝关节镜章节为参考，重点学习膝部半月板损伤解剖、分型、术前规划及手术培训，分3节课，每节课45 min进行讲授。第一节课为膝关节的解剖及运动损伤，第二节课为膝关节镜技术，第三节课为膝关节运动损伤手术培训。

1.2.3 教学方法

两组学生先同时接受膝关节及关节镜基础理论知识讲授教学，理论教学内容见1.2.2，VR教学组采用虚拟现实技术辅助教学，即将膝关节CT、MRI等影像资料输入工作站中加以融合，构建出逼真的三维虚拟解剖模型，便于学生进行体验式学习，通过Unity VR制作好的膝关节镜VR操作视频和其他已有的膝关节镜手术VR视频导入手机，反复操作直到熟练掌握手术的每个步骤。传统教学组采用传统方法教学，即借助教师制作的多媒体课件和PACS系统中膝关节手术前后的影像资料以及Knee Arthroscopy-Teaching Video[4]视频播放讲解。帮助学生理解膝关节的解剖特点、膝关节损伤类型、术前规划及手术步骤，结合临床手术实践训练关节镜技术。现场培训照片见图3。

图2 Unity VR制作好的膝关节镜VR：A.箭头表示关节镜镜头所在位置；B.虚拟膝关节镜全视图；C.关节镜显示屏上画面；D.膝关节解剖

图3 A.VR现场培训图；B.传统教学现场；C.理论教学现场1；D.理论教学现场2

1.3 教学质量评价

1.3.1 教学效果考核

分别于培训期的第1周、第3周、第2个月在模拟人上进行理论和临床操作考核，由专家组成员进行考核评分，并记录学生操作出错次数及质量，膝关节镜操作考核评分见图4。

图4 膝关节镜操作考核评分

1.3.2 教学效果反馈

主观评价采用自制问卷调查表调查，内容包含：学习主动性、感兴趣度、课程满意度、三维空间感和虚拟交互性，学生对各项内容自主从1～10分评判教学效果。

1.4 统计学方法

数据采用SPSS 20.0统计学软件进行分析。计数资料的两组比较采用卡方检验，组间比较采用独立样本t检验，数据用均数±标准差表示，不符合正态检验和方差齐性的样本用非参数检验，数据用平均数（最小数-最大数）M（min-max）表示。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 临床效果主观评价结果比较

根据问卷主观调研，应用VR教学组的学习主动性、感兴趣度、课程满意度、三维空间感和虚拟交互性方面明显优于传统教学组（P＜0.001），所以VR教学组的满意度和感兴趣度优于传统教学组，见表1。

表1 临床教学效果主观评价（±s，分）

表1 临床教学效果主观评价（±s，分）

组别VR组对照组t值P值例数30 30学习主动性8.87±1.08 4.67±1.27 13.506＜0.001感兴趣度8.90±1.01 4.97±1.40 12.252＜0.001课程满意度8.47±1.12 5.30±1.35 9.750＜0.001三维空间感8.53±1.02 5.07±1.44 10.584＜0.001虚拟交互性8.17±1.16 4.83±1.24 10.582＜0.001

2.2 客观考核结果比较

VR教学组的每次操作考试平均成绩均高于传统教学组，差异具有统计学意义（P＜0.05），但是VR组和对照组在理论成绩上相差不大，差异无统计学意义（P＞0.05），见表2。

表2 VR组和对照组成绩比较（±s，分）

表2 VR组和对照组成绩比较（±s，分）

组别VR组对照组t值P值例数30 30操作成绩第1周93.87±2.58 89.07±2.74 6.865＜0.001第3周91.97±1.85 84.87±2.96 11.699＜0.001第2个月90.97±2.43 82.47±7.21 6.020＜0.001理论成绩第1周80.53±9.75 79.9±11.69 0.295 0.769第3周80.97±9.10 80.13±11.78 0.302 0.764第2个月83.00±8.75 80.50±11.61 0.926 0.358

2.3 不同学历人员参与研究对结果影响

VR组中本科3人，硕士27人，传统教学组中本科2人，硕士28人，卡方检验χ2为0.218，P＝0.64＞0.05,该研究中不同学历人员参与研究对结果影响没有统计学差异。

3 讨论

虚拟现实技术是计算机领域的新兴技术，混合了人机界面、图形、传感器技术、高端计算等现代科技，其可生成全方位、多感官的认知环境，学生可以通过一定的输入输出设备直接与其进行交互操作，从而可以得到身临其境的感觉[5-6]。如今虚拟现实技术成功应用于工程、建筑设计、飞行员和军事训练中，同样地，虚拟现实技术目前在医学教育方面已经开始有初步尝试[7-9]，如穿刺教学、骨折教学、交互式三维可视化的医学图像远程指导等。Bernardo[10]将虚拟现实技术应用神经外科手术教学，使得繁杂的神经解剖结构一目了然的呈现，教学效果显著。解放军总医院张家墅等[11]基于多模态导航的虚拟和增强现实技术探讨在颅内病变穿刺手术教学中的应用，发现能够解决脑功能区定位和可视化问题。与传统教学方式相比，虚拟现实技术改变了传统活检手术的教学方式，使得年轻医师可以在术前模拟进行手术操作，提高学习者的积极性，加深和强化记忆，同时可以变传统解剖影像为多模态成像，便于术者直观讲解和学习者形象记忆，以往冗繁的语言难以阐明的神经解剖结构，虚拟现实能够一目了然地展示出来，达到事半功倍的教学效果[11]。山西中医学院贺金亮等[12]通过3Ds Max软件，借助计算机建立骨折三维动画模型并应用于课堂教学，研究其教学效果并评价授课满意度，结果三维动画技术应用于骨伤科教学简明有趣、直观全面，改进了教学效果，提升了课堂授课满意度。

膝关节镜实践教学是骨科教学的重要组成部分，初学者接触到生涩的课本知识，缺乏临床实践的锻炼，缺乏三维空间立体感，理解不深，掌握就达不到效果。关节镜手术相较于传统的开放式手术，还需要医生具备更好的双手协调能力及操作经验。既往常规采用尸体、动物标本练习或在患者身上实习的教学模式，具有不可重复、风险大、成本高、涉及伦理道德问题和训练过程不可控等缺点。利用虚拟现实系统，可以弥补这些方面的不足。在虚拟环境中，学生可以在虚拟的人身上进行解剖的全过程及手术技能操作。此外，通过虚拟现实技术实现人体膝关节仿真系统，可以多角度、全方位地展示人体膝关节静止状态下、多种运动状态下膝关节的相对位置、相对间隙的变化等[2]。不过，关节镜手术技术要求高，掌握膝关节镜的基本技术是循序渐进的过程，应始终坚持理论与技术并重的原则，结合现代科技技术VR，才能实现较好的效果。

目前虚拟现实技术在骨科手术教学的应用打破了目前存在的传统教学模式的局限性，使学习者在系统中获得近似于真实的操作体会，节约大量的试验设备、样本等，并且可以重复操作训练、教学、测试、分析以及进行研究。从这方面来说，可以有效解决教学资源紧缺的问题。除此之外，膝关节镜虚拟教学系统，可以充分地利用现有的计算机软件和硬件资源具有病症体验教学模块，可模拟临床不同的病症，使学习者高效完成疾病学习及实践模拟，提高教学效果[13-14]。因此，虚拟现实技术进行膝关节镜实践教学是一个非常有效的教学手段。

本研究结果显示，虚拟现实技术不仅有助于提高学生对骨科临床实习的兴趣，提高学生的三维空间感，还提高了骨科临床教学质量，但因目前缺乏触觉和力反馈，单纯VR教学不如传统的膝关节镜标本教学手感好，只能让学生体验关节镜手术流程[15]。VR教学组的三次操作考核操作成绩分别为（93.87±2.58）分、（91.97±1.85）分、（90.97±2.43）分，均高于传统教学组（89.07±2.74）分、（84.87±2.96）分、（82.47±7.21）分，组间比较差异，有统计学意义（P＜0.05）。调查问卷结果：VR教学组（8.90±1.01）对此次学习更感兴趣，其课程满意度（8.47±1.12）分、三维空间感（8.53±1.02）分和虚拟交互性（8.17±1.16）分优于传统教学组，组间比较差异有统计学意义（P＜0.05），但两组理论成绩结果表明VR对关节镜理论知识掌握度相差不大（P＞0.05），差异无统计学意义。

本研究证实了VR教学较传统教学方式更能提高教学效果，有助于提高学生对骨科临床实习的兴趣，拓展学习的多维度空间，增强三维空间想象力，与传统医学教育较为枯燥单调的知识记忆相比，虚拟现实技术在骨科教学中增加了学习的兴趣。但虚拟现实技术确实对增加骨科理论知识有限，然而知识的理解和掌握始终是教学中最重要的部分[16]，教学形式的新颖有趣、更好的交互性和三维呈现只是为教学质量服务。因此虚拟现实技术可以取代一部分培训机会，节省培训资源，尚不能颠覆现有的医疗培训体系[17-18]。

本随机对照研究也存在一定局限性。首先，对虚拟现实技术的评估中，不能评估手的灵巧性或关节镜技术，因此不能得出因为测试的分数高，就意味着手术者的手术技能有所提高，该技术只能让学生熟悉关节镜手术相关步骤，做到心中有数。另外，教学评估问卷量表的评分是主观的，评分多少受多种因素影响。第三，本研究样本量较小，需要进行更大规模的实验研究，以增强目前结果的可信度。

骨科手术微创化是未来的发展趋势，对骨科医师的精细操作和手眼协调能力要求越来越高，虚拟现实技术为年轻医生模拟手术操作，增强三维空间想象力，可更好帮助年轻医生掌握专业技能，解决传统教学的局限性，增强实践性，缩短学习曲线，是未来医学培训及考核的重要组成部分，也是提升教育质量的重要手段[19]。虚拟现实技术也要通过5G技术革新，减少画面延迟对眼睛的不适，多角色远程互动，添加力反馈，以及万物互联，让体验者真正作为数字人参与虚拟世界中[20]。