VR/AR技術在外科教學中的應用實例

（廣西醫科大學第一附屬醫院，廣西 南寧 530021）

一、背景

近十年來，增強現實技術（augmented reality， AR）和虛擬現實技術（Virtual reality ， VR）在各個領域中廣泛應用，并顯示出巨大的潛力。雖然AR和VR有許多技術上的共同點，但AR不同于VR，它的目標不是構建一個完全虛擬環境，而是將計算機生成的圖像疊加到真實世界的圖像上。VR往往需要專用設備，對硬件要求較高，如本文會提到的手術模擬訓練設備。AR使用的設備允許周圍環境的物理視圖可見，在硬件上也更容易獲取，能較好地通過平板電腦、手機、AR眼鏡等設備運行AR應用程序。隨著技術的進步，VR/AR的使用場景不斷拓展，并已廣泛應用于臨床，例如臨床醫生在介入治療（CT/MRI影像融合技術）過程中提供輔助，如今更成了醫學教育中的一種實用工具。

外科學注重實踐操作，與解剖學、外科器械設備、影像學有多重的交叉。然而，在實際臨床環境中訓練，特別是手術訓練中會出現醫療風險高、場地要求高、成本昂貴、某些病例資源缺乏、涉及倫理等諸多問題。VR/AR技術的應用，恰好能解決上述問題。因此，模擬教學及虛擬教學已經是當前外科學教育的發展趨勢。本文旨在描述幾個外科學教學中的典型AR應用實例，展現AR在該領域復雜學習體系中的潛力，為教學改革提供一種思路。

二、應用實例

1.基礎教學中的應用

在外科教學實踐中，解剖學是應用VR/AR的經典范例。在我們教研室的外科學課程中，常利用AR展現授課內容中的解剖基礎，同時在見習課的病例討論、手術前準備等環節中亦可應用。通常借助iPad，手機等移動終端運行，應用程序有3Dbody、人體解剖學圖譜（Visible Body）等。此類軟件包含豐富的數字解剖模型，結合AR可營造出視覺實驗室的體驗。程序中自帶多國語言的解剖專業術語，對于學生學習外語大有裨益。

兩項大型隨機對照試驗得出結論，AR輔助的解剖學改善了大學生的注意力、記憶力、學習效率、對結構和圖像的理解等。AR組的期末成績顯著高于傳統學習的對照組。大多數被調查者認為AR對學習有幫助（76.9%）；它能提高學習動機和興趣（75.0%）；學生們認為，如果教師們利用這項技術有助于提高成績（67.3%）。

2.外科手術的訓練

VR和AR在外科手術訓練尤其是腹腔鏡手術、血管介入手術訓練中有著廣泛的應用。在我們的教學中，VR/AR模擬器主要應用于普通外科住院醫師規范化培訓學員和專科醫師規范化學員中，已經顯示出明顯優勢，如單次成本低、不容易涉及倫理問題、并且與真實患者的培訓相比更安全、可重復訓練等。當然也有一定的缺點，比如尚不能呈現復雜的大型手術，購買和維護成本高等。現有程序的算法和架構，仍然無法100%模擬真實的手術室場景。

2.1 腹腔鏡手術

目前的虛擬現實腹腔鏡模擬器具有“真實與模擬混合”的特點，它們有接近于真實的手術器械觸感、虛擬操作畫面，圖像一般投影在2D/3D顯示器或頭戴設備中。軟件系統自帶評估功能，可以評價完成任務的時間、操作失誤、精準度等。訓練內容模塊化，包括基礎訓練模塊、手術病例模塊等。以我院使用的Simbionix LAP MENTOR 腹腔鏡模擬器系統為例，該系統供六種基本操作的訓練，難度可調節。基礎內容包括腹腔鏡鏡頭使用、電凝鉤使用、切割、裁剪、縫合和打結等。手術病例模塊包括腹腔鏡膽囊切除術、腹腔鏡闌尾切除術等。我院同時還配備一臺第四代達芬奇手術機器人訓練模擬器，提供了與真機一樣的訓練場景，主要針對高階學員、擬從事達芬奇手術機器人作業的臨床醫生。經過腹腔鏡模擬器訓練的學員，在臨床實操考核中，成績顯著提高。

2.2 血管介入手術

血管介入的DSA手術室造價昂貴，真實手術有放射傷害。因此，通過模擬器進行血管介入手術的訓練，優勢十分明顯。常用的血管腔內VR訓練器能計算介入手術透視時間、總輻射量和造影劑用量等，很好地模擬了真實場景。系統會提供大量的訓練模塊，包括冠狀動脈、主動脈、內臟動脈、下肢動脈各部位血管成形術和支架置入術訓練。我學院配備的Simbionix ANGIO MENTOR系統包含23種不同的血管內手術和超過150種病例。經過課程的開展，心臟介入、介入放射學、血管外科、電生理學、神經介入等多學科學員獲益。目前主要應用于專科醫師規范化培訓中。

三、討論與展望

隨著計算機軟硬件技術、大數據及云服務的進步，VR/AR在教育中的應用開發水平迅速提升。但是針對其在教學中的應用研究，需要更多地隨機對照試驗，比較虛擬現實訓練與傳統訓練、基于其他模擬技術的訓練效果，提供足夠的樣本量。這樣我們才能更好地將VR/AR輔助教學納入醫學教育課程。現有的VR/AR模擬器品牌眾多、標準不統一，這是發展階段的必然過程，但是后期仍然需要提出統一的標準，以規范地應用于教學。

實踐表明，VR/AR輔助教學對于教育有積極影響，與其他虛擬仿真技術相比，VR/AR訓練具有一定的優勢。VR/AR模擬器雖然價格昂貴，但它們的培訓內容多元化、可重復、場地成本低的特點，最終提供了相對廉價的單次訓練機會。此外，與其他動物和活體組織模型相比，它們較少引起倫理沖突，用戶可獲得沉浸式體驗。我們相信伴隨技術的發展，在更強大的算計、更高清的畫面、更先進的觸覺系統支持下，VR/AR能模擬更多外科訓練場景，可以預期VR/AR技術將帶動外科學培訓的變革。