虚拟-现实手术模拟系统在眼科住院医师微创白内障手术培训中的应用效果

李佳骏，李柯然，商卫红

0引言

白内障作为眼科临床常见的致盲性眼病，可导致严重的视力受损甚至失明。中国目前约有1100万白内障患者且每年递增80万[1]，与此相对的是，目前我国白内障手术覆盖率较低，掌握白内障手术操作技能的医师数量仍然较为短缺[2]。长期以来我国各教学医院眼科手术培训多采用基于传统的霍尔斯泰德式[3]学徒学习模式，这种模式很大程度上依赖于有经验的手术医师带教及重复教学指导，但手术医师能力参差不齐，教学内容随机，培训周期长，以及将患者用于培训目的而产生的伦理问题均对传统培训模式产生了很大影响，术后并发症发生率增加、预后不佳、医患关系紧张等诸多问题也是影响传统学徒模式持续开展的重要原因[4-5]。实体动物手术操作(Wet-lab)训练在实际培训开展过程中，其学习曲线较长，设备及器材损耗较大，可供反复操作的机会有限，并且缺乏客观的考核评价指标[6]。如何提高白内障手术培训效率，有效提高手术医师显微操作的精准性及空间立体感知力，白内障手术培训模式的改进就显得尤为重要。虚拟-现实技术(virtual reality technology，VR)是一类囊括计算机、电子信息、仿真技术的三维空间虚拟环境，通过感知和捕捉参与者的位置及动作信息，为其提供触觉、视觉和听觉等全方位的环境沉浸感[7]。通过该技术开发的虚拟仿真项目在医学教育、心理培训、军事练习等诸多领域逐步推广应用。本研究将基于VR的Eye SI虚拟手术模拟(VR magic，Germany)系统应用到白内障手术教学实践中，通过比较虚拟-现实手术操作(Dry-lab)训练和Wet-lab训练的差异和效果，尝试突破传统培训方法的局限，以提高白内障手术的培训效果和质量。

1对象和方法

1.1对象前瞻性对照研究。选取2019/2021年在南京医科大学附属眼科医院已完成3a住院医师规范化培训的20名眼科住院医师为研究对象。纳入标准：入组眼科住院医师均已通过国家临床执业医师资格考试，年资相同并且已完成眼科3a住院医师规范化培训、既往未参与过白内障相关显微手术模拟操作或实体操作实践。排除标准：无法按时完成教学培训计划、无法参与教学后评估、轮转时间小于3a、既往参加过白内障相关手术模拟操作或实体操作。由一名经验丰富的白内障专科主任医师进行为期3d的白内障基础理论授课后，对入组住院医师进行理论考核并由另一名教师记录理论考核成绩。20名住院医师均通过理论考核并随机分为Dry-lab组和Wet-lab组，每组各10名，其中Dry-lab组男6名，女4名，平均年龄28.80±1.32岁；Wet-lab组男3名，女7名，平均年龄29.30±1.16岁。两组住院医师性别、年龄、学历、年资、轮转时间、理论考核等方面差异均无统计学意义(P>0.05)，具有可比性。本研究经过南京医科大学附属眼科医院伦理委员会批准，所有参与者均已签署知情同意书。

1.2方法

1.2.1培训仪器Dry-lab组采用由计算机驱动的虚拟-现实手术模拟系统即Eye SI虚拟手术模拟器，可以在显微镜下显示人眼晶状体结构的三维图像，模拟手术器械操作手感并及时提供操作响应与触觉反馈，学习者可以通过显微镜看到眼前节的立体手术视野，逐一学习白内障手术操作的重要模块，反复多次训练掌握白内障手术要领。此外该模拟器模型眼中的摄像头及器械上的传感器可以识别与监测器械的运行轨迹和压力数据，训练结束时根据多项标准对操作进行评分，给出客观性量化与标准化的训练评价，并可以回顾和下载学习者的历史操作数据，便于后期分析。Wet-lab组则采用猪眼作为手术模型，使用常规白内障超声乳化仪进行操作培训。

1.2.2培训过程基础理论知识培训通过讲授白内障超声乳化手术的各个步骤、操作技巧及注意事项，并播放白内障超声乳化手术录像，使住院医师对白内障手术过程有整体连续性认识。理论考核后，两名具有带教经验的白内障副主任医师作为指导教师分别介绍两组仪器使用方法、操作注意事项等。Dry-lab组医师使用Eye SI虚拟手术模拟器完成4个模块训练，每个模块训练10次：(1)抗抖动模块要求使用者操纵模拟手术探头在前囊表面沿一环形路径精准地移动一小球，对应实体猪眼操作中训练医师控制器械在切口部位准确移动并完成环形撕囊；(2)夹持模块要求使用者抓取6个物体将其放入中央前房的“篮子”中，对应实体猪眼操作中训练医师使用器械保持眼部居中并精准抓取囊瓣并移动；(3)撕囊模块要求使用者向前房注入黏弹剂并使用撕囊镊进行连续环形撕囊；(4)超声乳化模块要求使用者操纵模拟超声乳化针头吸住核碎块并完成刻槽劈核及核碎块的乳化吸除。Wet-lab组医师使用猪眼进行内容对应的模块训练，包括显微镜下稳定性及准确性动作训练、连续环形撕囊、刻槽与劈核、超声乳化等4个模块训练，每个模块训练10次。两组医师在每个模块训练结束后经带教老师评价确认后方可进入下一模块的训练。最后两组住院医师在Eye SI虚拟手术模拟器和实体猪眼操作上完成操作考核评分，取两项操作考核评分的平均值作为两组住院医师的最终总评分，并进一步在模拟器上完成模块操作考核评分。Eye SI虚拟手术模拟器根据两组医师操作自动生成评分。实体猪眼操作由两名未参与理论考核及培训过程的具有相同年资的副主任医师进行评分，评分参照国际眼科理事会—白内障手术技能评估[8]相关标准，包括操作完成时间、流利程度、切口应力、撕囊完整性、后囊膜状态、超声乳化情况及并发症等，两名副主任医师对两组住院医师各自接受的训练方式均不知情，其平均分作为两组住院医师的操作考核得分。

1.2.3培训问卷调查通过分析国内外关于白内障手术培训相关文献[9-12]，自行设计调查问卷，并由医院管理专家对问卷设计进行论证，在研究过程中实施监督及质量控制。该问卷包含5个项目即培训方式是否具有新颖性、是否贴近真实手术体验、对显微手术技能提高的帮助程度、经过该培训是否有信心进行真实手术、手术培训的整体满意度等。采用Likter 5点计分法，如非常具有新颖性/非常贴近真实体验/非常有帮助/非常有信心/非常满意为5分，完全无新颖性/无法贴近真实体验/无明显帮助/没有信心/非常不满意为1分，由研究对象按1～5分从低到高逐层进行评价。

2结果

2.1两组眼科住院医师总体考核评分比较Dry-lab组医师两项操作考核总评分(88.03±1.34分)显著高于Wet-lab组(80.35±2.87分)，差异具有统计学意义(t=7.669，P<0.01)，其中模拟器考核结果显示Dry-lab组医师操作考核评分(87.50±3.03分)显著高于Wet-lab组(77.60±5.62分)，差异具有统计学意义(t=4.900，P<0.01)；实体猪眼操作考核结果显示Dry-lab组医师操作考核评分(88.57±1.89分)显著高于Wet-lab组(83.10±3.22分)，差异具有统计学意义(t=4.632，P<0.01)。

2.2两组眼科住院医师EyeSI虚拟手术模拟器模块考核评分及用时比较Dry-lab组医师在抗抖动模块、夹持模块、撕囊模块、超声乳化模块考核评分均高于Wet-lab组，模拟考核用时均低于Wet-lab组，差异均有统计学意义(P<0.01)，见表1。

表1 两组眼科住院医师Eye SI虚拟手术模拟器模块考核评分及用时比较

2.3两组眼科住院医师调查问卷评分比较在培训方式新颖性、是否贴近真实手术体验、对显微手术技能提高的帮助程度、是否有信心进行真实手术及手术培训的整体满意度方面，Dry-lab组总体评价均高于Wet-lab组，差异均有统计学意义(P<0.05)，见表2。

表2 培训调查问卷评分情况 分)

3讨论

随着我国人口老龄化加速，目前我国中老年人群白内障发病率达到80%以上，白内障手术的需求呈指数增长[13]。白内障超声乳化手术是眼科手术中较难掌握的内眼微创显微手术之一，其学习曲线长，对手术操作的标准化及精准性要求较高[14]。然而在当今国情和医疗大环境下，眼科青年白内障手术医生的培养体系仍存在短板，如培训效率较低，出于为病人安全考虑，实操机会较少等。因此有必要真正把规范标准的实操培训做到青年医生成长历程中重要的一环[15]。如今国内白内障手术培训主要采用理论培训、观看白内障手术录像及Wet-lab训练相结合的培训模式[16]。手术录像虽然可供反复学习，但缺乏主观感受和体验；而Wet-lab训练作为我国眼科住院医师白内障手术技能培训的主要方式之一，虽拥有接近人眼手术的真实体验，但其尚无法完全复制人眼的解剖结构，无法模拟疑难病例及真实手术可能出现的并发症，且原材料、设备及器材损耗较大，难以大规模推广。因此，亟需建立可重复、高效的白内障手术操作培训模式，以缩短学习曲线，提高培训效率。

VR技术是一种利用计算机生成的具有多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的模拟环境，为使用者提供触觉、视觉和听觉等全方位的环境沉浸感，获得身临其境的体验[17]。VR技术目前已逐渐应用于教育、医学、军事、心理等诸多领域。其通过高度仿真、互动的情境设置，改变了传统教学模式，丰富了教学手段并延伸教学内涵，以有效激发学生的学习积极性和增强学习体验，在实验教学、实践性人才培养等方面越来越受到关注。Eye SI虚拟手术模拟器是基于VR技术设计的计算机视觉Dry-lab训练平台，由连接人体模型头部和模型眼的计算机系统、脚踏板及提供三维立体图像的手术显微镜组成[18]，具备高仿真、可重复、随时可用等特点，其利用VR技术构建正常人眼解剖结构的模拟系统，创造出的图像不仅具有立体感，而且还给人以真实感，以此进行教学可以增强课堂教学的生动性和形象性。不仅如此，使用者还可以通过手柄对三维立体眼模型进行旋转、放大或缩小、拉近或拉远，可以直观地观察眼内结构，从而更容易理解眼球解剖结构。使用者可以进行基本眼内显微操作训练、撕囊、超声乳化等操作。相比于传统Wet-lab训练不受材料的限制，可供学习者反复训练，其训练模块不仅可以将复杂的白内障手术技能分解为小的步骤，同时基于学员水平开启培训模块，程序性训练使学习者循序渐进掌握手术技巧。此外模拟器的识别系统还可以连续记录学习者的操作过程，实时提醒错误操作，使学习者能够理解每一个错误步骤对下一个步骤的影响，最大可能减少真实手术时并发症的产生，培养学习者手术创伤最小化的意识。在训练结束后，学习者还可以根据模拟器自动生成的客观评估报告，进行回放观摩和学习，利于发现自身问题并加以修正，使教学、训练和考核环节变得可量化和标准化[19]。

研究发现，经过Dry-lab训练的眼科医生超声乳化时使用能量降低(由28%降低至25%)，时间缩短(由2.8min减少到1.88min)[20]；通过Dry-lab训练完成604例撕囊训练的医生和未经过Dry-lab训练完成463例撕囊的医生比较，手术并发症降低64%[21]。丹麦的一项研究发现，Dry-lab训练的医生超声乳化手术标准与现实手术高度一致[22]。英国皇家眼科学院10a跟踪研究了14000例手术，发现眼科医生经过Dry-lab训练，后囊破裂等并发症减少40%[23]。虽然多项研究已表明Dry-lab训练可以提高白内障手术技术，减少手术并发症，但仍缺乏前瞻性研究比较Dry-lab训练与传统Wet-lab训练在白内障手术训练中的总体效果差异。本研究通过对比Dry-lab训练和Wet-lab训练在住院医师白内障手术操作培训中的应用效果，发现经过Dry-lab训练的医师，其模拟器考核平均分及4个模块10次训练的总体平均分均明显高于Wet-lab训练组。眼科住院医师通过Dry-lab训练后白内障手术各模块操作技能相比Wet-lab训练组得到了明显提高，这与Thomsen等[24]和Bozkurt Oflaz等[25]研究结果相似。抗抖动模块与夹持模块的模拟考核结果表明，虚拟手术模拟器训练提高了住院医师眼前节及眼内操作的精准性和稳定性，减少对角膜、晶状体以及其他前房组织的损伤和干扰，为后期精准撕囊提供基础；而撕囊模块作为白内障手术难度较大的步骤之一，虚拟手术模拟器可以提供各种方向及不同难度的撕囊训练模式，从而模拟与真实人眼几乎相同的撕囊体验，提高其对撕囊方向、撕囊直径控制的精准度及面对突发情况的心理承受能力及应变能力；超声乳化模块是白内障手术中最为关键、难度最大且学习周期最长的步骤，虚拟-现实手术模拟系统可以通过改变核硬度、增加后房压力和浪涌等复杂白内障手术体验的方式，进一步提升住院医师对刻槽与劈核、核碎块乳化吸除等步骤的熟练程度，训练其对超声乳化时间及能量的控制，减少后囊膜破裂、角膜水肿等并发症的发生，极大缩短了白内障手术的学习曲线，为过渡至真实手术奠定了安全基础。

此外，本研究考虑到Dry-lab组医师通过训练后对Eye SI虚拟手术模拟器的熟悉程度可能优于Wet-lab训练组由此造成结果偏倚，故同样对两组医师进行了实体猪眼操作考核，结果发现虽然Wet-lab组医师实体猪眼操作考核均分略高于其模拟器操作考核均分，但仍低于Dry-lab组医师实体猪眼操作考核均分。分析原因有出于对仪器的熟练程度，但更重要的是我们发现在实体猪眼操作考核过程中，经过Dry-lab训练的医师对于撕囊、超声乳化等白内障手术最核心、最难掌握的操作步骤仍具有非常显著的优势，具体表现在Dry-lab组医师操作完成时间短，动作连贯性高，撕囊时直径大小合适，偏差值较小，使用的超声乳化能量低且组织损伤程度较小等。Eye SI虚拟手术模拟器不仅可以提供针对性的模块训练提升白内障手术器械的使用技巧，提高操作的准确性及稳定性，而且在训练过程中可以提供多种客观评价指标，Dry-lab组医师可依据这些指标有效调整，使其更从容地应对不同方式不同情况的操作考核，而这是实体猪眼训练无法比拟的。同时调查问卷分析显示经过Dry-lab训练操作的医生更倾向于对该培训模式表达出浓厚的兴趣和学习热情，认为该操作更贴近真实手术体验，对显微手术技能提高帮助更大并且更有信心进行真实手术，整体满意度也显著高于Wet-lab组。以上结果均表明基于VR技术设计的Dry-lab训练平台可有效提升白内障显微手术操作技能，帮助青年住院医师在执业初期提升真实手术时的信心、心理素质、决策及处理能力，助力青年医生的专业成长和临床实践。

综上所述，基于VR技术设计的Dry-lab系统通过分模块培训的方式，由易到难、循序渐进提升了青年眼科住院医师的白内障手术操作技能，是一种独立于病人的高仿真手术培训系统，是对目前缺乏正式、标准化的白内障培训方式的良好补充。当然，由于Dry-lab系统平台目前仍处于进一步探索期，模块的设计还有待进一步改进和完善。有研究表明虚拟与实体训练相结合或许是一种更为理想的白内障手术培训模式[26]。在未来的实践中，如何进一步优化虚拟手术模拟器的使用，系统有效地将Dry-lab训练与实体训练整合，给予学习者更多的学习机会，并有效提升其心理素质、判断能力及应变能力，最终达到真实白内障手术的要求，仍需不断探索完善。