虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在外科手術(shù)培訓(xùn)中的應(yīng)用與展望

劉思怡 譚金海

·綜述與講座·

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在外科手術(shù)培訓(xùn)中的應(yīng)用與展望

劉思怡 譚金海

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，借助相關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)用戶與虛擬環(huán)境交互作用的信息技術(shù)。本文對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在骨科、普外科、神經(jīng)外科和泌尿外科手術(shù)和培訓(xùn)中的應(yīng)用及效果進(jìn)行綜述。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)； 虛擬手術(shù)； 手術(shù)培訓(xùn)

虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality，VR)技術(shù)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合相關(guān)科學(xué)技術(shù)，生成與一定范圍真實(shí)環(huán)境在視、聽、觸感等方面高度近似的虛擬環(huán)境，用戶借助相關(guān)設(shè)備與虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互作用、相互影響，產(chǎn)生身臨其境的感受和體驗(yàn)[1]。傳統(tǒng)的臨床手術(shù)教學(xué)一般通過尸體解剖或是手術(shù)室中“師傅帶徒弟”的方式進(jìn)行，而前一種的成本高昂、資源少，后一種的風(fēng)險(xiǎn)高、教學(xué)內(nèi)容隨機(jī)，這兩種方式都很難進(jìn)行系統(tǒng)的教學(xué)和訓(xùn)練。將VR技術(shù)應(yīng)用于臨床手術(shù)的教學(xué)和培訓(xùn)是目前醫(yī)學(xué)研究的熱點(diǎn)及趨勢(shì)，VR技術(shù)的應(yīng)用能改善目前臨床醫(yī)學(xué)教育和訓(xùn)練的不足，將大量減少有損健康的、危險(xiǎn)、昂貴的診斷性操作。Grantcharov[2]認(rèn)為，運(yùn)用基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的手術(shù)訓(xùn)練模擬器可以讓學(xué)員在進(jìn)入手術(shù)室這樣高成本、高壓力的環(huán)境之前做好心理準(zhǔn)備，并且讓他們掌握基本的手術(shù)技能，這能縮短他們?cè)谑中g(shù)室里的學(xué)習(xí)曲線。我們對(duì)近年來VR技術(shù)在部分學(xué)科手術(shù)中的應(yīng)用及效果進(jìn)行綜述。

一、在骨科手術(shù)中的應(yīng)用

早期VR技術(shù)在骨科中的應(yīng)用，大多數(shù)是基于X線、CT、MRI等圖像信息，經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理形成三維圖像重建，為骨科醫(yī)生進(jìn)行術(shù)前模擬、手術(shù)導(dǎo)航、手術(shù)定位、制定手術(shù)方案等，替代了傳統(tǒng)手術(shù)中醫(yī)生必須根據(jù)X線、CT、MRI等二維的圖像在大腦中形成三維印象進(jìn)行手術(shù)的方式，縮小了手術(shù)切口、創(chuàng)面，減少了病人的痛苦。在此基礎(chǔ)之上，劉登均等[3]開發(fā)了一種全髖關(guān)節(jié)置換的可視化虛擬手術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在術(shù)前確定假體選擇的型號(hào)，并且在術(shù)中進(jìn)行股骨頸的精準(zhǔn)定位，準(zhǔn)確的截骨及最佳位置放置假體，保證了手術(shù)的安全性，提高了手術(shù)質(zhì)量。

目前，VR技術(shù)的應(yīng)用中，虛擬膝關(guān)節(jié)鏡、虛擬髖關(guān)節(jié)鏡和虛擬肩關(guān)節(jié)鏡等訓(xùn)練系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于骨科的手術(shù)培訓(xùn)中。為了分析新手運(yùn)用膝關(guān)節(jié)模擬器鏡進(jìn)行膝關(guān)節(jié)鏡的各類手術(shù)的學(xué)習(xí)曲線，并分析其相關(guān)的性能與潛在預(yù)測(cè)因素的關(guān)聯(lián)，Rahm等[4]進(jìn)行了一項(xiàng)前瞻性研究。他挑選了20名平均年齡為23歲的醫(yī)學(xué)生參與了這項(xiàng)研究，對(duì)20名受試者進(jìn)行了相同的標(biāo)準(zhǔn)化培訓(xùn)后(如何使用30度關(guān)節(jié)鏡和工具等)，他們進(jìn)行了為期4周的訓(xùn)練，訓(xùn)練分為8個(gè)階段，包括6個(gè)訓(xùn)練，每個(gè)訓(xùn)練30分鐘，包括測(cè)試三角操作技術(shù)、操作咬切鉗和(或)刨刀進(jìn)行半月板切除術(shù)、移除游離體這3種訓(xùn)練以及以上這3種訓(xùn)練增加難度后用于評(píng)估受試者的學(xué)習(xí)曲線。結(jié)果表明，參與此次虛擬膝關(guān)節(jié)鏡試驗(yàn)的醫(yī)學(xué)生在前2個(gè)小時(shí)的訓(xùn)練中都有陡峭而快速的學(xué)習(xí)曲線。陳為堅(jiān)等[5]建立了一套虛擬膝關(guān)節(jié)內(nèi)窺鏡手術(shù)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行了訓(xùn)練效果的研究[6]，他選擇了來自3所不同大學(xué)的外科實(shí)習(xí)醫(yī)生以及本院的非內(nèi)鏡專科醫(yī)生共16名組成實(shí)驗(yàn)組，并隨機(jī)挑選8名關(guān)節(jié)內(nèi)鏡外科醫(yī)生組成對(duì)照組，并將實(shí)驗(yàn)組隨機(jī)分為未培訓(xùn)組和受培訓(xùn)組，每組各8人，訓(xùn)練時(shí)間為1～3個(gè)月。結(jié)果表明，受培訓(xùn)組與未培訓(xùn)組間的系統(tǒng)操作成績比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，對(duì)照組與未培訓(xùn)組之間也存在顯著差異，而對(duì)照組和受培訓(xùn)組之間的成績差異無顯著性。因此，虛擬現(xiàn)實(shí)手術(shù)系統(tǒng)可以把大量的培訓(xùn)濃縮在一個(gè)較短的時(shí)期內(nèi)，并在這種集中訓(xùn)練的過程中迅速提升操作技能。

二、在普外科手術(shù)中的應(yīng)用

腹腔鏡作為普外科最為常用的手術(shù)方式，已經(jīng)成了每一位普外科醫(yī)生的必修課，運(yùn)用基于VR技術(shù)的腹腔鏡模擬器進(jìn)行腹腔鏡手術(shù)訓(xùn)練的課程得到廣泛運(yùn)用。Ayodeji等[7]發(fā)現(xiàn)，虛擬腹腔鏡模擬器真實(shí)、客觀、效率高，學(xué)員們都很樂于去使用它進(jìn)行訓(xùn)練。臨床上比較常用的模擬器有LAP Mentor(美國)、ProMIS(愛爾蘭)、Xitact(瑞士)、SEP(挪威)和LapSim(瑞典)等[8]。

Rosenthal等[9]在 3年時(shí)間內(nèi)招募了735名來自世界各地的受訓(xùn)者，并讓他們每人進(jìn)行了至少45分鐘的腹腔鏡模擬器訓(xùn)練，并調(diào)查了他們對(duì)這項(xiàng)課程的接受程度和意見，最后72.0%的受訓(xùn)者參與了調(diào)查，他們來自28個(gè)不同國家，其中68.0%的參與者認(rèn)為設(shè)立這門課程是極好的，21.0%的人認(rèn)為這門課程是有用的，9.0%的人認(rèn)為這門課程是合理的，有2.0%的人認(rèn)為這門課程是不合理或是沒有價(jià)值的。Lehmann等[10]也進(jìn)行了類似的研究，他隨機(jī)挑選了36名參與者進(jìn)行了15個(gè)課程的訓(xùn)練，時(shí)間超過5天，結(jié)果表明，他們的學(xué)習(xí)曲線有一個(gè)顯著的提升，并在5天后到達(dá)平臺(tái)期；同時(shí)，有不同手術(shù)經(jīng)驗(yàn)的參與者得分也有明顯差異，說明通過腹腔鏡模擬器來訓(xùn)練腹腔鏡手術(shù)技巧是有效且可行的。

潘睿俊[11]在為1例82歲的女性病人實(shí)施3D腹腔鏡右半結(jié)腸癌根治術(shù)的同時(shí)，在國內(nèi)首次運(yùn)用VR技術(shù)實(shí)現(xiàn)了腹腔鏡畫面與手術(shù)全景畫面的VR全程直播。不同于以往的微創(chuàng)手術(shù)轉(zhuǎn)播觀摩，學(xué)生只能看到內(nèi)窺鏡下的圖像，往往還會(huì)造成眩暈感，更重要的是沒有親臨現(xiàn)場(chǎng)的學(xué)生很難理解高難度手術(shù)中的各類技巧。在此次VR手術(shù)直播中，學(xué)生能夠通過自己的手機(jī)或是佩戴VR眼鏡來實(shí)時(shí)觀摩手術(shù)室全景畫面和腹腔鏡畫面，這或許對(duì)于微創(chuàng)外科的手術(shù)方式以及教學(xué)方式來說是一次革命。

三、在神經(jīng)外科手術(shù)中的應(yīng)用

對(duì)神經(jīng)外科而言，在術(shù)前全面了解顱內(nèi)解剖結(jié)構(gòu)與病灶之間的空間關(guān)系尤為重要，應(yīng)用VR技術(shù)進(jìn)行術(shù)前模擬、手術(shù)導(dǎo)航、手術(shù)定位等，對(duì)于減少手術(shù)中腦損傷的風(fēng)險(xiǎn)有重要意義。

Ferroli等[12]在兩年半的時(shí)間里對(duì)100例腦血管疾病或復(fù)雜腦腫瘤病人進(jìn)行了神經(jīng)外科手術(shù)，并在術(shù)前一天常規(guī)獲得他們的MRI或是CT檢查結(jié)果，必要時(shí)也獲取他們的血管三維重建結(jié)果，然后通過網(wǎng)絡(luò)傳送成像數(shù)據(jù)到Dextroscope工作站(新加坡)進(jìn)行三維圖像的渲染、整合以及顱骨、腦動(dòng)脈、腦神經(jīng)的顏色和透明度的調(diào)整，建立顱骨、血管、神經(jīng)的虛擬三維重建，圖像直接傳輸?shù)絍R眼鏡上，操作者可以直接用雙手來操作VR圖像。經(jīng)過Dextroscope的術(shù)前模擬后，這100例病人中有89例沒有進(jìn)行傳統(tǒng)的開顱手術(shù)，而是用精準(zhǔn)開顱的方法來得到手術(shù)中的充分暴露。楊德林等[13]將64例患有顱底腫瘤的病人隨機(jī)分成實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組，每組分別為32例，實(shí)驗(yàn)組使用Dextroscope工作站進(jìn)行術(shù)前模擬和手術(shù)定位，對(duì)照組不使用該系統(tǒng)，并記錄腫瘤的手術(shù)切除率、術(shù)后腦血管并發(fā)癥和病人出院時(shí)的Karnofsky評(píng)分，結(jié)果表明，腫瘤切除率比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，術(shù)后實(shí)驗(yàn)組的腦血管并發(fā)癥更少，Karnofsky評(píng)分更高。哈文波等[14]運(yùn)用Dextroscope對(duì)42例老年自發(fā)蛛網(wǎng)膜下腔出血病人進(jìn)行術(shù)前手術(shù)設(shè)計(jì)和模擬，并發(fā)現(xiàn)手術(shù)所見與術(shù)前模擬所見一致，且進(jìn)行術(shù)前手術(shù)設(shè)計(jì)的病人在術(shù)中的動(dòng)脈瘤破裂比例、手術(shù)時(shí)間及出血量均少于未進(jìn)行術(shù)前手術(shù)設(shè)計(jì)的病人。因此，利用VR技術(shù)進(jìn)行神經(jīng)外科術(shù)前計(jì)劃和手術(shù)模擬，可減少術(shù)中對(duì)腦血管、神經(jīng)的損傷，有助于根據(jù)病人具體情況設(shè)計(jì)個(gè)體化的手術(shù)入路，提升病人的預(yù)后及術(shù)后恢復(fù)效果。

四、在泌尿外科手術(shù)中的應(yīng)用

作為使用內(nèi)鏡進(jìn)行診療最多的學(xué)科之一，泌尿外科手術(shù)中膀胱鏡、輸尿管鏡、經(jīng)皮腎鏡、腹腔鏡(單孔腹腔鏡、機(jī)器人輔助的腹腔鏡)等的使用[15]，在體現(xiàn)出微創(chuàng)手術(shù)優(yōu)越性的同時(shí)，也對(duì)醫(yī)生腹腔鏡以及泌尿內(nèi)鏡的技術(shù)提出了要求。因此，腹腔鏡和泌尿內(nèi)鏡的訓(xùn)練也成為了泌尿外科醫(yī)生的一門必修課，而VR技術(shù)為他們提供了一種可能。

Herlemann等[16]開設(shè)了一項(xiàng)綠激光前列腺汽化術(shù)的訓(xùn)練課程，使用GreenLight Simulator手術(shù)模擬器進(jìn)行手術(shù)技能的培訓(xùn)，他在一項(xiàng)試驗(yàn)中挑選了18名泌尿外科醫(yī)生進(jìn)行GL-SIM手術(shù)模擬器的測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有綠激光前列腺汽化術(shù)手術(shù)經(jīng)驗(yàn)的人得分高于沒有手術(shù)經(jīng)驗(yàn)的人，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，說明運(yùn)用GL-SIM手術(shù)模擬器進(jìn)行綠激光前列腺汽化術(shù)的基本技能培訓(xùn)是有效的。蔡建良等[17]為了探討泌尿內(nèi)鏡模擬器對(duì)初學(xué)者軟性輸尿管鏡檢查操作的訓(xùn)練作用，招募了51名沒有軟性輸尿管鏡操作經(jīng)驗(yàn)的泌尿外科培訓(xùn)學(xué)員，在Uromentor(美國)泌尿內(nèi)鏡虛擬模擬器上進(jìn)行1小時(shí)系統(tǒng)基本操作訓(xùn)練，然后進(jìn)行3小時(shí)軟性輸尿管腎內(nèi)探查專項(xiàng)訓(xùn)練，并在專項(xiàng)訓(xùn)練前、后使用Uromentor泌尿內(nèi)鏡虛擬模擬器的軟性輸尿管腎內(nèi)探查項(xiàng)目對(duì)學(xué)院進(jìn)行初評(píng)和復(fù)評(píng)各1次，分別記錄操作總時(shí)間、軟組織損傷次數(shù)、腎盂腎盞被完全檢查面積并進(jìn)行模擬機(jī)客觀評(píng)分和綜合評(píng)估量表(GRS)評(píng)分，結(jié)果表明，在Uromentor泌尿內(nèi)鏡虛擬模擬器的專項(xiàng)訓(xùn)練后，51名學(xué)員的各項(xiàng)軟性輸尿管操作評(píng)分均有顯著提高，各項(xiàng)評(píng)分比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

五、展望

醫(yī)學(xué)領(lǐng)域尤其是外科學(xué)，由于其風(fēng)險(xiǎn)性和復(fù)雜性使得VR技術(shù)的介入成為必然。除以上列舉出的幾個(gè)學(xué)科以外，其他學(xué)科也將VR技術(shù)應(yīng)用到了臨床診療或是手術(shù)教學(xué)上，如眼科、耳鼻喉科、胸外科、婦產(chǎn)科、心內(nèi)科等[18-23]。雖然都表現(xiàn)出了很好的效果，但是距離目標(biāo)還有相當(dāng)?shù)木嚯x。Windsor等[23]借助虛擬外科模擬系統(tǒng)對(duì)學(xué)習(xí)方式、內(nèi)窺鏡手術(shù)經(jīng)驗(yàn)及操作技能之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)虛擬環(huán)境下獲得的操作技術(shù)可直接應(yīng)用于臨床操作，對(duì)初學(xué)者的操作技能提升顯著，而對(duì)于經(jīng)驗(yàn)豐富的專家效果有限。于洪波[24]對(duì)顱頜面三維形貌建模和手術(shù)模擬進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，使用VR技術(shù)的虛擬手術(shù)操作不僅可以使初學(xué)者對(duì)手術(shù)操作有感性認(rèn)識(shí)及切身體會(huì)，而且對(duì)于經(jīng)驗(yàn)豐富的醫(yī)師，也可以利用此技術(shù)進(jìn)行手術(shù)設(shè)計(jì)及醫(yī)醫(yī)間、醫(yī)患間的溝通與交流。

使用VR技術(shù)進(jìn)行臨床手術(shù)技能訓(xùn)練，其優(yōu)勢(shì)在于虛擬場(chǎng)景真實(shí)且復(fù)雜，人機(jī)交互性強(qiáng)，定位、反饋精確度高，可重復(fù)進(jìn)行培訓(xùn)，不僅提高了效率，也節(jié)省了人力、物力成本，且不同于通常外科醫(yī)生通過教科書和術(shù)中助手等被動(dòng)學(xué)習(xí)的形式來累積手術(shù)經(jīng)驗(yàn)。使用VR技術(shù)是通過主動(dòng)學(xué)習(xí)的方式進(jìn)行手術(shù)技能的培訓(xùn)，縮短了培訓(xùn)周期。VR技術(shù)也有不足之處，如軟件開發(fā)及硬件設(shè)備成本高昂，現(xiàn)階段的反饋信息局限于視、聽覺，觸覺和力學(xué)反饋實(shí)現(xiàn)困難大等[25]。目前，VR技術(shù)在臨床上的應(yīng)用，大部分為基于電腦屏幕顯示，能達(dá)到身臨其境效果的并不多。Dargar等[26]提出了(Immersive Virtual Reality，IVR)的概念，即沉浸式的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，他指出非沉浸式的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境通常由電腦屏幕上的圖像及聲音來構(gòu)成，缺少特殊的設(shè)備，這樣缺少沉浸感的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境會(huì)讓操作者受到真實(shí)環(huán)境的干擾；沉浸式的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境一般要使用特殊設(shè)備，例如頭戴式顯示器這樣的設(shè)備來增強(qiáng)操作者身臨其境的感受，創(chuàng)造更具有保真度的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境。Zhang等[27]則指出，學(xué)員更青睞帶有觸覺反饋的虛擬手術(shù)模擬器，這會(huì)讓這學(xué)員在訓(xùn)練時(shí)的感受更加真實(shí)。因此，沉浸式的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境和帶有觸覺反饋的虛擬手術(shù)模擬器，更能讓缺少在真實(shí)病人上進(jìn)行手術(shù)操作機(jī)會(huì)的學(xué)員們?cè)诿鎸?duì)高壓力的手術(shù)室環(huán)境之前學(xué)習(xí)更多的手術(shù)技巧及經(jīng)驗(yàn)。

VR技術(shù)是多學(xué)科領(lǐng)域相互交叉、滲透、融合的產(chǎn)物，要想讓它成為被人們廣泛接受的醫(yī)療手段，仍然還有很長的路要走，包括軟件和硬件的開發(fā)與創(chuàng)新、加強(qiáng)與臨床之間大的關(guān)系、提高虛擬手術(shù)的真實(shí)感等。相信在VR技術(shù)和相應(yīng)設(shè)備飛速發(fā)展的今天，VR技術(shù)將會(huì)給臨床手術(shù)及教學(xué)帶來一場(chǎng)新的革命。

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(本文編輯：徐文聃)

Application and expectation of virtual reality technology in surgical training

LIU Siyi，TAN Jinhai.

(Department of Orthopedics，Zhongnan Hospital，Wuhan Univerisity，Wuhan 430071，China)

Virtual reality technology is a kind of information technology，which can achieve the interaction between the users and the virtual environment by using relevant devices.This article introduces the application and validity of virtual reality technology in surgery of orthopedics，general surgery，neurosurgery and urology surgery and surgical training.It discusses the advantages and disadvantages and development prospects of the virtual reality technology in the field of surgery and surgical training as well.

virtual reality technology； virtual surgery； surgical training

10.3969/j.issn.1005-6483.2017.08.026

430071 武漢大學(xué)中南醫(yī)院骨科

譚金海，Email：2410746045@qq.com

2017-04-12)