基于unity3D的虚拟仿真手术训练体系在临床医学生教学中的应用研究

陈国栋 邓鑫 廖文彦 贺军 齐硕 雷晓华 侯嘉丰 谢翼 陶光伟 冯灿 涂顺 谢湘闽 丁成明

1南华大学衡阳医学院 南华大学附属第一医院肝胆胰外科，衡阳 421001；2南华大学衡阳医学院 南华大学附属第一医院产科，衡阳 421001；3南华大学衡阳医学院 南华大学附属南华医院肝胆外科，衡阳 421001

临床医学专业学生实践教学的现状和发展情况

1.目前临床医学专业生的实践教学现状

对于医学生及社会而言，从理论知识过渡到临床实践，其中充满很多不可控因素及风险挑战，好的教育引导显得十分重要。Mao等［1］在中国医学生焦虑和抑郁的研究中发现，中国医学生抑郁症平均患病率为32.74%，焦虑平均患病率为27.22%，反映了学医过程中充满了许多挑战和困难。目前来说，医学生的临床实习效果因为种种原因而变得差强人意。迄今为止，医学本科五年制教学基本采用在校学习3年、见习1年、实习1年的方式，真正让学生接触临床实践的时间仅为2年，而大部分离校学生在实践时间相对较短、学习任务较重、学校和医院相应的管理措施存在较多缺陷的情况下，才开始接触临床，使医学生的学习态度发生了变化，造成成绩不是很理想。此外，医学生实习目前在法律法规上缺乏相应的保障，实习医生缺乏独立实践的机会，社会舆论导向对弱势群体的报道以及患者自我维权意识和法律意识的提高，对实习医生的工作执行有拒绝的权利，大大降低了实习医生独立临床工作的概率。而且，由于大多数的高等医学院校和临床附属医院之间缺乏必要的沟通和联系，带教医生临床工作任务繁忙，带教医生对实习医学生重视不够或者缺乏带教经验等情况，以及教学方式的不合理性，同时，在实习过程中，医学生除了要面对繁重的临床学习，很多医学生迫于家庭及社会的压力，进而准备考研、找工作等。总结起来，这些原因都在一定程度上使医学生实践教学工作的开展达不到应有的目的，并且使得学生越学越累，造成恶性循环。现阶段，我国医疗卫生体系改革也出现瓶颈，亓来华等［2］分析了目前我国“5+3”临床医学人才培养模式的现状和问题，提出了转化教学思维、革新教学方式、更新教学技术，做到以学生为主体的自我学习模式，多途径拓展临床技能训练的目标。

2.医学生教育的现阶段发展及局限

传统医学类学生的教育，在很长一段时间内，都是以不同学科类型为主的教学模式。该模式被认为是将海量的医学知识由教师向学生系统传授的最高效方式。当然，该模式缺乏灵活性，学生面对海量的医学知识，不知从何下手，课堂上老师滔滔不绝地传授，不免有些疲倦。目前针对一些基础医学课程的教学实践安排显得不合情理，讲师往往要求在几个学时下完成1个系统甚至2个系统的授课内容。成建华［3］研究指出在基础医学课程整合改革中，最主要的整合方法就是打破原有的学科界限，将外科学、内科学、生理学、病理生理学、病理学、药学、生物化学等课程按体系分别拆分，然后重新划分成新的一体化课程。以器官系统为中心的整合课程模式虽然在一定程度上缓解了医学生学习的疲劳程度，但其并未积极调动医学生的自我主动学习性。当然，教学的目的和意义是培养医学生自我处理问题和学习的能力，目前随着基于问题的学习法（PBL）、案例学习法（CBL）、团队学习法（TBL）教学模式的引进，极大缓解了医学生在学习过程中脱离实践的矛盾，并提高了医学生的自主能动性，医学生的自主学习能力、临床思维能力、动手操作能力、解决问题的能力都得到了一定程度的提高，但目前CBL+PBL教学效果缺乏大数据支撑，现有教学模式如何进一步提升，还需要深入研究探讨［4-6］。医学模拟教学是指应用多种技术手段模拟临床场景，以帮助医学生提高临床能力为目的，提供无风险、规范化的学习条件和环境的教学模式。目前模拟教学在医患沟通教育课程中无风险、标准化应用，极大地提高了教学质量，改善了教学效果，并逐步完善了我国医患沟通教育教学体系［7］。教育信息化工作在信息化不断发展的今天，也逐步被搬上议事日程。教育部连续出台不少文件和指示，要加速推进现代化信息技术与高等教育的有机融合。站在崭新的历史起点，现代社会发展赋予了教育新的使命，即通过“五育”并举与融合的途径去推动教育体系的全方位改革，其背后折射的则是对教育本质立场的坚持，以人为本，对人的健康成长与生命品质的关注，教育现代化的终身教育与信息化的推进［8］。医学教育与现有信息技术发展成果相结合，不仅顺应时代发展要求，更使得新一代医学生综合素质更上一层楼，更好的搭建了一个良好的平台，让医学生提前体验临床［9-11］。目前虚拟仿真实验平台的搭建进行得如火如荼，虚拟仿真平台采用VR/AR、增强现实等技术，使参与者沉浸到三维动态视景环境中，并能够通过眼睛、触感、听觉变化，实现人机交互操作，让医学生加深对知识的理解和使用，透过虚拟的环境来体会临床工作中的现实。

3.实践教学中应用虚拟仿真手术训练

虚拟现实技术（virtual reality technology）是集人机交互技术、多媒体技术、3D技术、仿真技术、计算机软件学、人机界面技术等多种技术为一体的尖端交叉技术。随着计算机技术的不断发展，在基础医学知识教育和临床技能培训方面，应用虚拟现实技术可以摆脱传统教学模式的诸多限制，不仅可以创新教学理念、拓展教学空间、提升教学质量，还能提高教学效率、减少耗材投入，做到人机互动，这样才能有效地促进教学的改革与发展［12］。一种全新的学习模式，虚拟仿真技术在医学领域的应用也是有目共睹的，最关键的是，学习者的学习成绩以及实践操作技能有了显著的提高，保证了教学质量［13］。随着虚拟技术的不断成熟，能将课本上死板、抽象的知识或实践性较强的教学内容具象化，生动、形象地呈现在同学们的面前，帮助同学们对知识点有更好的理解，对临床的一些技巧也有一定的掌握。同时虚拟技术因其交互性、沉浸性为实习医生及较年轻的住院医师提供了逼真的手术室环境，学习者更加愿意主动积极地学习，而不是被迫灌输各种知识，这对我国医学教学改革的建设具有重大意义［14］。王萌等［15］研究表明，相对于传统的教学模式，在外科手术器械的教学与应用上，虚拟现实技术的外科教学系统可以加深学生对器械使用方法的理解，试验组在器械使用方法题的得分显著高于对照组，从而提高教学质量。总体来说，VR技术的运用有效解决了传统教学方法中学生对书本知识理解不到位、学习主动性不高、教学资源分配不均等问题，提高了学习者的兴趣和专注度，是一种新颖、高效的教学方法。

虚拟仿真手术训练体系的意义及优势

1.虚拟仿真手术训练体系顺应时代发展及需求

目前三维医学解剖数据分析在指导临床工作中起到日益重要的作用，VR技术引用其中，为医务工作者提供一个可用于术前规划的虚拟环境。该技术不仅能让医护人员沉浸在模拟的手术场景中，在临床操作中提前感受并学会应对复杂实际情况的方法，各种手术的实际操作也可以通过视、听、触觉来感知和学习［16］。运用该技术不仅为医务人员节省了培训费用，而且对提高医疗教育培训效率和质量具有十分重要的意义，使实施手术的风险大大降低［17］。虚拟手术（virtual management）是虚拟现实技术与现代医学、生物力学、材料学等多学科交叉融合的产物，随着各种技术在医疗领域的发展而日益受到重视。虚拟手术系统在电脑中构建一个包含手术对象模型、手术器械模型，甚至可以包含手术室场景等复杂环境的手术虚拟环境，将手术过程借助虚拟环境展示给相关医护人员，并提供手术指导、培训等［18-19］。

2.虚拟手术训练（virtual operation）是虚拟现实技术在医疗领域最有发展前景的一类应用

2.1.医学教育应用虚拟手术训练系统 虚拟手术训练系统构建了一套基于unity3D的能够模拟真实手术的系统，提供手术展示、模拟和训练等功能需求，供医护人员或医学院学生使用。与传统手术训练相比，不仅使手术训练更加三维立体化、零风险化，还充分调动了参与者的积极性，弥补了医学生缺少临床手术训练机会的缺陷。这对于年资尚浅的医生来说意义重大，此外，在传统的训练过程中，很多病例和病体由于手术过程中操作对试验体的不可逆影响而无法重复进行试验，这一方面给对病例的手术结果评估带来压力，另一方面也造成了资源的不足，并且由于虚拟环境的可重用特性，系统可以在虚拟的手术训练模式中进行初始化设置，不限制每个病例的训练次数，也可以重复应用对病例的手术结果评估［20］。并且虚拟手术训练巧妙地避免了手术过程中的潜在问题，目前临床上许多传染病患者手术过程中导致医务人员感染的事件报道屡见不鲜，手术也很可能会对医生造成细菌病毒感染的危险。手术训练本身就是针对那些通过虚拟环境进行手术训练的新医生或医学院学生，他们对手术不是很熟练或缺乏必要的自我保护意识，能够模拟真实训练，同时也避免了因新医生技能不足而耽误手术治疗或因操作不慎而使训练者自身感染细菌的情况发生。这对于提高手术训练的安全性，避免医学和伦理道德冲突以及通过虚拟环境进行手术训练的新医生或医学院学生进行手术训练，具有重要意义［21］。Wilson M等［22］指出通过在虚拟现实模拟器上进行基于熟练度的培训，能够提高临床相关的白内障手术技能，具有中等经验水平的新手和外科医生的手术室表现得分有所提高，这无疑给新医生带来了福音，研究还发现更有经验的白内障外科医生并没有从模拟器培训中受益。虚拟手术训练的可重复性、低风险性为年轻临床医务工作者创造了一个可反复学习手术操作和应对手术过程中突发状况处理的机会，为他们在实际手术提供向导。一些研究中指出虚拟手术训练可以用来评估外科医生的技能，并且可以用来评估培训外科医生的进度。Bric JD 等［23］在研究中指出VR培训课程中获得的技能与在干燥的实验室模拟中获得的技能相当。

2.2.虚拟仿真技术在临床实践中的指导和临床应用 随着现代化模式的不断发展，更趋向学生本体、问题本位，为了改善原有教学模式中存在的种种挑战和不足，目前高科技在实验教学中所占比例越来越大，在医学教学中应用虚拟仿真技术，就成为了解决这一难题的最好方法。心肺听诊在临床技能教学中一直以来是医学生学习的重点和难点，通过虚拟仿真技术，我们可以使用标准化病人教学系统对医学生进行培训，使医学生能够直观具体地接触到临床实践，通过该技术使医学生的临床技能水平得到明显的提高。此外，通过教学模拟胸腔穿刺、腹腔穿刺、骨髓穿刺、腰椎穿刺、气管插管，并结合交互性力反馈的医学穿刺模拟系统，模型上的实时定位反馈系统，为操作人员提供一个非常逼真的手术训练环境，充分锻炼操作者的临床应变能力。另外，交互式化诊疗思维训练系统（body interact）是以真实案例为基础的虚拟病人的互动体验，能够实时体现患者健康状态，在接近真实的临床诊疗环境之中，循序渐进地训练学员正确的临床诊断步骤和思维能力［24］。刘欣和赵婷华［25］在基于体感交互技术下虚拟训练对肩关节功能障碍的肩关节活动范围与肌力改善效果的研究中表明，体感交互技术下虚拟训练可有效改善肩关节活动范围、增强肱骨肌力水平、促进患者肩关节恢复各项功能。另有研究表明利用互联网+虚拟现实技术在泌尿外科教学的过程中具有独特的优势，既可实现对学生的临床思维能力、临床知识及技能掌握程度的综合评估，也可达到提高对临床诊断思维及对策的学习效果，极大的缓解了医学生在真实病人手术时给病人带来的风险和痛苦，使医疗纠纷问题得到了源头上的缓解，也为医学生的顺利成长保驾护航［26］。目前临床上医学生亲自操刀的可能性极低，这是鉴于当前教学资源紧张、医患关系紧张的医疗环境。一方面，上级医生不放心，另一方面医学生自身学艺不精，不敢在活人身上操作。但是，通过虚拟训练平台，医学生可以身临其境地体验虚拟环境下的各种手术效果，以及各种突发情况、避免或减少手术失误、提高手术成功率，具有零风险、高性价比、可重复性等优势［27］。

2.3.虚拟仿真技术在外科手术领域的发展 从萌芽到独立发展，VR概念的诞生和思想的形成经历了大约1个多世纪的发展和演练过程。从1965年Ivan Sutherland 教授在其论文中阐述了有关计算机交互的内容—the ultimate display（终极显示）到1973年Myron Krurger 教授提出“Artificial Reality” 及VPL 公司 Lanier J 提 出 的“Virtual Reality”一词，VR技术从想象到一步步成为现实。VR模拟的未来包括在评估中用于重新认证目的、基于程序的高级培训以及作为手术前的热身工具。随着虚拟技术的不断发展和新技术的不断融合，目前，裂唇修复手术模拟系统、腹腔镜输卵管结扎手术训练系统、手术伤口清创术模拟训练、神经外科手术模拟训练系统等多项虚拟手术训练系统已在国外出现，通过与传统手术训练效果的比较，虚拟仿真手术可以实现针对患者个体化术前评估和手术设计，为临床医生诊疗提供依据。并相继在国内开发了鼻内窥镜虚拟手术模拟系统、膝关节镜模拟系统、虚拟血管介入手术训练系统、虚拟仿真电子内窥镜教学系统等相关虚拟手术训练系统。腔镜手术作为普外科最为常见的手术之一，是每一位普外科大夫所必需的技能。腔镜手术是每个普通外科医生必备的技能，作为普通外科最常见的手术之一。近年来，《腹腔镜模拟器腹腔镜手术训练教程》以VR技术为基础，得到了广泛的应用［28］。有研究表明，运用VR技术的手术训练能使学习者的学习曲线缩短，训练时间降低。潘睿俊一边为1名82岁的女性患者实施3D腹腔镜下右半结肠癌根治术的同时，运用腹腔镜图片与手术室全景图片的VR全程直播中首次在国内使用VR技术进行了全方位的展示，各位专家及学习者都可通过手机以及佩戴VR眼睛全程参与手术过程，充分学习该手术的难点以及手术重点。除了这些，近年来，VR也在走进外科手术，特别是复杂、难度较大的干预措施。肝胆外科由于其本身复杂的解剖结构以及涉及多个器官脏器的手术而具有巨大的挑战性。目前来说，先进的成像技术，如虚拟和增强现实（AR），可用于克服其中的一些挑战，优化术前诊断和战略治疗规划，为患者精准制定有效的手术规划。通过术前的三维虚拟建模，发现可能遗漏的解剖变异和复杂的解剖关系，并且AR能够提供精确的肝脏体积计算、沿肝段的切除平面的术前规划、门静脉蒂的最佳定位以及肿瘤切除边缘范围的分析，从而减低术中风险，加速患者术后康复［29］。另在骨科临床手术中，不再局限于二维影像信息，如早期的X光、CT、核磁共振等。随着虚拟技术的发展，骨科医生的术前规划、手术导航、手术定位、手术方案的制定等都是经过电脑处理形成三维图像重建后的［30］。这极大程度地降低了手术的不可控风险，确保了手术的顺利进行及保障了病人的人身权益，提高了手术质量。

讨 论

运用VR技术进行临床手术技能系统训练，其优点在于手术环境逼真和灵活，人机交互性强，性能稳定，实时定位、反馈精确度高，不仅提高了培训效率，也降低了成本。早期外科医生积累手术经验的方式是被动、低效的学习形式，比如教科书以及手术室学习。利用VR技术，医学生能通过主动、高效的训练形式进行手术技能的培训，缩短了培训周期，充分调动了医学生的主观能动性，训练者更快掌握手术技巧，可以想象，VR技术会给传统医疗局势的改变可想而知。当然，在软件开发及硬件设备成本高昂，反馈信息局限于视觉、听觉、触觉和力学反馈等方面，都在一定程度上限制了该技术的运用。除此之外，虚拟技术在一定程度上推动了我国医疗卫生的建设和发展，相信在不久的将来，还可以利用虚拟技术作为桥梁和纽带，让医生和患者联系起来，运用VR新技术建立起患者对医生的信任，并通过及时的沟通反馈使医患矛盾朝着良性的方向发展，及时避免一些暴力事件的发生。

作者贡献声明丁成明：论文的整体设计、修改和质量把关；陈国栋、邓鑫、贺军：论文撰写；廖文彦、齐硕、雷晓华、侯嘉丰、谢翼、陶光伟、冯灿、涂顺、谢湘闽：论文修改