消化內鏡模擬訓練系統在醫師培訓中的應用

張媛，張志華，劉國通

消化內鏡模擬訓練系統在醫師培訓中的應用

張媛1，張志華2，劉國通1

1.廊坊市人民醫院 消化科，河北 廊坊065000；2.中國人民武裝警察部隊學院 通信教研室，河北 廊坊 065000

傳統的內鏡醫師培養模式不能適應消化內鏡醫學的迅猛發展；同時，患者日益增強的醫療保護意識也迫切需要新的有效的訓練模式的出現。虛擬現實技術作為一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機系統，在醫療領域越來越受到重視。本文主要從醫師培訓的角度對消化內鏡模擬訓練系統應用的意義、模式、現狀和局限性進行了探討，并提出了自己的觀點。

虛擬現實技術；消化內鏡；模擬訓練系統；醫師培訓；微創手術

0 前言

消化道內鏡檢查是消化科的重要檢查手段，隨著現代手術技術正在向微創傷、小視野、低痛苦的方向發展[1]，各種新型材料被研發和新型內鏡的相繼投入應用，使得內鏡下診斷治療領域越來越廣泛，同時也對內鏡醫師提出更高的專業和實踐技能要求。因此如何更好地推動內鏡診斷治療技術的開展和應用，培養技能過硬的內鏡醫師就成為重要的關鍵環節。傳統培養內鏡醫生的方法是從講課、見習到手把手傳授[2]，因此，一個醫師不可能同時輔導多個學員，這種訓練模式不能完全適應內鏡手術復雜精細的要求及內鏡醫學的迅猛發展；同時，患者日益增強的醫療保護意識也迫切需要新的有效的訓練模式的出現。鑒于目前國內外內鏡操作主要是在人體上進行訓練，通過多媒體和虛擬現實技術建立的消化內鏡模擬訓練系統可展現逼真圖像,能在較小的代價下為醫生提供一個良好的虛擬實習環境, 這對于節省資金和減輕病人痛苦具有重要的現實意義。

1 虛擬現實技術應用于消化內鏡醫師培訓的意義

消化內鏡模擬訓練系統采用虛擬現實技術創造一個虛擬世界[3]應用于消化內鏡醫師教學和訓練將擁有傳統教育模式難以比擬的優勢,具體表現在以下幾個方面：

⑴ 真實直觀 利用虛擬現實技術，根據采集的樣本數據庫，可以實現消化道解剖結構和病變的可視化，利于增強受訓醫師直觀和感性認識。

⑵ 可重復性 傳統的教育模式需要受訓醫師較長時間在實際病人身上反復訓練，并且需要參閱大量的圖像資料，以加深對病變概念及治療要點的理解、掌握，才能成為經驗豐富的內鏡醫師。利用虛擬現實技術建立的消化內鏡模擬訓練系統可以為受訓者提供反復學習訓練的機會，可促進診斷準確性、操作成功率的提高。

⑶ 節約成本 利用虛擬現實技術，可實現隨時隨地對多人進行各種訓練，例如：基本操作訓練、各種手術方案演練等，從而突破各種客觀條件的限制，大大節約培訓醫務人員的費用和時間，優化手術方案，節約手術成本[4]。

⑷ 規避風險 在目前醫療公開的社會環境下，患者自我保護、自我權利意識在不斷加強，醫療糾紛和訴訟案件經常曝光，在病人身上進行手術操作往往有不同程度的風險，利用虛擬現實系統進行訓練，可以減輕病人痛苦，降低并發癥，提高手術的安全性，減少再手術機會。

⑸ 實時更新 利用虛擬現實技術建立起來的消化內鏡模擬訓練系統，其“設備”與“對象”是虛擬的，具有高度的靈活性。僅需通過修改軟件中視景圖像有關參數的設置，就可實現虛擬“對象”和“器材”的改變。這樣，隨著任務的變化，已有的軟件再經修改即可滿足新的要求，所以十分靈活方便[5]。

⑹ 自動指導 虛擬醫療專家系統的建立使得內鏡醫師可隨時得到專家的指導，利于內鏡技術的快速提高。

2 虛擬現實技術在消化內鏡模擬訓練系統中的主要應用模式

2.1 消化道解剖結構可視化及其病變特點的仿真

通過各種方式采集正常組織及病變組織樣本，然后建立樣本數據庫，利用計算機三維重建技術重建出消化道正常結構和器官病變模型，對病變演變過程實現動態模擬，并借助計算機高級語言和人工智能技術根據病變形態特點建立診斷專家系統，為內鏡醫師進行診斷提供輔助決策。受訓者可以通過人機交互對其進行瀏覽，產生身臨其境的感覺，在模型內部“漫游”，非常直觀、輕松地學習正常解剖結構、識別各種病變，發揮學習的主動性[6]。

2.2 虛擬基本操作訓練

利用虛擬現實技術建立的消化道圖像模型以及輔助操作訓練程序能夠為初學者提供一個良好的虛擬實習環境。計算機可以根據內鏡鏡頭所處位置和狀態提供正確的操作提示，該提示由醫療專家的操作經驗給出，對錯誤的操作提出聲音警告，這對于減輕病人痛苦、減少操作并發癥具用重要的現實意義。

2.3 內鏡下手術治療仿真

內鏡下手術治療已成為現今消化界的熱點及發展趨勢。作為虛擬現實技術在醫學中的最重要的應用，虛擬手術治療主要用于復雜手術過程的規劃、演練及預測。

運用虛擬現實技術進行建模，能夠創建出虛擬過程中所需要的器械、樣本、組織和血管。為增強系統的真實感，在幾何模型的基礎上還可以構建合適的物理模型，以反映軟組織在外力作用下的變形[7]。消化內鏡醫師可以在三維虛擬手術環境中，利用虛擬手術器械進行相關手術治療，反復練習某項操作，也可以演練不同策略的手術流程。依據專家的經驗創建出手術專家系統，可以在訓練中進行必要的提示和指導。

2.4 治療方案和效果的預測

對于病灶，可以在虛擬模型上進行方位的顯示，依據其方位和虛擬系統中的專家庫資料，制定手術和治療方案，還可以在虛擬環境中進行實踐，從計算機上模擬治療的效果，進行評判。由于這種方式具有低代價、零風險、多重復性、自動指導的優點，可以迅速高效地討論手術方案及其操作技能，從而提高手術的成功率和醫療水平[8]。

3 消化內鏡模擬訓練系統在醫師培訓中的應用及評價

我國曾在20世紀90年代由復旦大學和長海醫院進行了計算機輔助胃鏡操作訓練系統的設計研究[8]，但由于技術方面的不成熟，一直沒有投入生產使用。在疾病診斷方面，尤其是病變的動態演變方面，暫時沒有軟件開發。

目前由以色列研發的胃腸道內窺鏡診療模擬器（GI Mentor）已在國際市場銷售，而且在國外內鏡醫師培訓上有一定應用[2]，我國部分消化內鏡中心也已先后購買這一器械。

圖 1 GI Mentor Ⅱ胃腸道內窺鏡診療模擬器

GI Mentor Ⅱ是最新一代胃腸道內窺鏡診療模擬器，如圖1所示。該器械采用了人體解剖視覺重現和力反饋技術，使操作模擬器的畫面清晰、臟器逼真、器械真實，操作手感與臨床手術的相同。學員可以練習使用胃鏡、腸鏡、乙狀結腸鏡等器械，進行上下消化道檢查、 內窺鏡逆行胰膽管造影（ERCP）、內鏡超聲（EUS）等操作，還可以診治息肉、潰瘍，處理突發性出血。主要功能模塊包括：

(1) 上消化道內窺鏡模塊：如圖2所示。可進行上消化道的全面檢查；練習基本的治療操作、辨識典型潰瘍；對有明顯病理學特征的病人進行治療。

圖 2 上消化道內窺鏡模塊

(2) 下消化道內窺鏡模塊：如圖3所示。可進行下消化道的全面檢查；鍛煉學員遇到腸袢和復雜的結腸解剖結構等情形處理能力；還可練習取樣活檢、息肉切除等手術。

圖 3 下消化道內窺鏡模塊

(3) 乙狀結腸鏡模塊：如圖4所示。可在困難和不常見的解剖結構下進行練習、發現病變；判斷在高危環境下進行乙狀結腸鏡檢查是否可行，并根據檢查結果提出合理建議。

圖 4 乙狀結腸鏡模塊

(4) 緊急出血模塊：如圖5所示。可模擬潰瘍、腫瘤、血管破裂等不同情況下上消化道出血；可練習如何在緊急情況下插入窺鏡、利用器械處理出血、診斷出血性病變。

圖 5 緊急出血模塊

(5) 內窺鏡逆行胰膽管造影（ERCP）模塊：如圖6所示。同步顯示內窺鏡鏡像和放射線透視影像，并可拍照；可進行以下操作：運用窺鏡找到十二指腸乳頭，進行十二指腸乳頭插管；鍛煉括約肌切開術、支架（塑料/金屬）置入術、取石術及細胞刷的使用。

(6) 內鏡超聲（EUS）模塊：如圖7所示。分為兩部分：教學模塊和指導練習模塊；所使用的超聲線性和扇形探頭與現實中的相同；逼真的立體圖像等視覺輔助加深了學員對超聲圖像的理解；通過訓練，提高學員辨識超聲解剖學標志的能力。

圖 6 內窺鏡逆行胰膽管造影模塊

圖 7 內鏡超聲（EUS）模塊

應用該模擬器進行培訓不但可以擴展學員的解剖、生理及病理等醫學知識，還可以提高學員的手術技巧和手術中對病情的判斷決策能力，使學員完全達到臨床手術要求。北京友誼醫院消化內鏡培訓中心從2005年開始采用GI Mentor Ⅱ模擬器進行消化內鏡下診治培訓和診治能力評價，發現內鏡模擬訓練組經過培訓后胃內觀察成功率（P<0.001）、通過幽門成功率（P<0.001）和總操作時間（P=0.032）均優于非內鏡模擬訓練組。實驗結果證實內鏡模擬訓練有助于受訓者迅速掌握內鏡操作方法，縮短教學時間，減少患者痛苦[9]。但這一器械是由國外引進，價格昂貴。

4 結論

(1) 利用虛擬現實技術建立的消化內鏡模擬訓練系統以其人性化的使用方式、時間上的方便性、使用上的可調節性和可重復性、允許出錯但對病人無任何風險等優勢為多方面、多層次的內鏡醫師培訓提供了最大的幫助。

(2) 在這種器械上訓練畢竟不是接觸真正病人,模擬過程中產生的視覺、觸覺及力的反饋與真正病人的表現、反應仍有一定差異,除了通過警報系統外，不能了解到病人的其它感受。而且操作調控過程也有失真情況。因此,模擬人仍不能完全代替真正病人,臨床培訓中應將模擬訓練系統與真正病人有機結合,進行比較鑒別,借此加深感性認識,確保培訓質量。

(3) 從整體水平看,國內在這方面的研究才剛剛起步[11]，與國外相比,還存在很大差距。為此,我們應充分跟蹤國外在消化道器官仿真研究中的最新動態,在可行的基礎上建關聯等等。

3.4 應考慮醫療設備發生故障時修復的難易程度

主要應考慮硬件的可達性和軟件的快速恢復性。硬件的可達性是指醫學工程人員接近設備故障部位進行檢查、修理操作，插入工具和更換零件等維修作業的難易程度。軟件的快速恢復性可在系統內設置參數保存和恢復功能，保證重裝系統后可快速恢復參數，另外可以制作快速恢復盤(如Ghost軟件)使用戶在短時間內恢復系統。

4 小結

不難理解，對于醫院來說，充分考慮人因工程可以提高設備的使用效率，創造更親善的用戶界面、更少的操作錯誤，減輕操作人員的壓力，使醫護人員將更多的儀器操作時間節省下來關注病人醫療，更好地保證醫療安全。對于醫療設備制造商來說，好的人因工程可以提高最終用戶的滿意度、品牌知名度和行業認可度，進而提高市場占有率，創造更大利潤。可以說，關注人因工程就是關注自身的安全、自身的利益和自身的發展。

另外，作為設備管理和工程技術人員，我們在人因工程領域需做的努力是：在采購前期明確醫療設備的具體使用場所，有無特殊環境要求；在當前政府采購價格主導中標結果的大背景下，盡可能地避免同一科室同類設備品牌型號混雜；設備投入使用前重視操作培訓及維修培訓，強調注意事項等。

總之，醫療服務追求的終極目標是保障人類健康，作為醫療服務硬件支撐的醫療設備始終要把安全放在第一位。受各種主客觀條件的限制，制造商不可能在設計階段就預見到每個潛在的誤操作，操作人員和技術人員自身的局限性等，人類因子工程應用于醫療設備領域要做到盡善盡美只能是一種理想化狀態。雖然我們無法做到完美，但我們可以在追求完美的過程中不斷完善不斷提升，以保證醫療設備的臨床應用更安全，保證醫療服務質量得到更大提升。

[1] Jill Marion,Alan Hoffman. Considerations for Biomedical Engineers Addressing Potential Human Factors Concerns[J].Journal of Clinical Engineering,2009(4):66-68.

[2] 楊玉志,等.醫療儀器的人因工程學設計[J].醫療設備信息,2007(1):50-52.

[3] Leape L. Error in medicine[J].JAMA,1994,272(23):1851-1857.

[4] US FDA/CDRH. Guidance for industry and FDA premarket and design control reviewers[EB/OL].(2000-07-18)[2010-05-01]. http://www.fda.gov/cdrh/humfac/1497.html.

[5] Rich S.How human factors lead to medical device adverse events[J].Nursing,2008,38(6):62-63.

[6] Sayer D. Do it by design:an introduction to human factors[EB/OL].(2009-01-12)[2010-05-01].http://www.fda.gov/cdrh/humfac/doit.html.

[7] FDA.Human Factors Program:promoting safety in medical device use[EB/OL](2009-01-12)[2010-05-01].http://www.fda.gov/cdrh/human factors/index.html.

[8] FDA.Quality System Regulation(Current Good Manufacturing Practice(CGMP)Final Rule)[EB/OL].(2009-01-25)[2010-05-01]. http://www.fda.gov/cdrh/humfac/frqsr.html.

[9] 朱序璋.人機工程學[M].西安:西安科技大學出版社,1999.

[10] 郭伏,楊學涵.人因工程學[M].沈陽:東北大學出版社,2001.

The Application of Digestive Endoscopy Simulation Training System in Physician Training

ZHANG Yuan1,ZHANG Zhi-hua2,
LIU Guo-tong1
(1.Department of Gastroenterology,Peoples' Hospital of Langfang,Langfang Hebei 065000,China; 2.Communication Staff Room,The Chinese People's Armed Police Force Academy,Langfang Hebei 065000,China

TP391.9；G642.44

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2010.06.024

1674-1633(2010)06-0069-03

2010-01-13

本文作者：張媛，主治醫師。

作者郵箱：zyuan319@sohu.com

Abstract: Orthodox mode of endoscopy physician training can't keep up with the rapid development of digestive endoscopy,and increasingly augmented protection-self consciousness of patients need a new and effective training mode.Virtual reality,as a computer system which can set up and sense the virtual space,has been paid attention to more and more in medical field.Following physician training,we studied and researched the applied significance, mode, status quo and one-sidedness of digestive endoscopy simulation training system,and put forward our own standpoint in the paper.

Key words: virtual reality technology;digestive endoscopy; simulation training system;physician training;minimal invasive surgery