VR/AR技術在手足顯微外科手術操作教學中的應用

范琳琳，呂萍，趙正南，宋文吉，鞠尚廉，梁海東

（大連醫科大學附屬第二醫院 手足顯微外科，遼寧 大連 116023）

2004年衛生部修訂教學大綱，將顯微外科列入外科教學的范圍內，要求醫學院校的學生需了解顯微外科的重要性及操作條件，為在各個學科專業開展醫學工作打下基礎。結合21世紀新興的計算機仿真技術—虛擬現實技術（virtual reality,VR）/增強現實技術（augmented reality,AR），我院手足顯微外科積極響應國家教學要求，在學生實習過程中開展顯微外科相關培訓。

VR是通過交互式計算機系統生成實時動態三維立體模擬的逼真環境，頭戴VR眼鏡可以連接到電腦或手機上，通過傳感裝置可以跟蹤用戶的頭部運動，使用戶與計算機直接進行自然交互，創造出在虛擬空間沉浸式感覺[1-2]。目前已有將虛擬現實技術應用到外科手術教學及顯微血管吻合[3]。AR技術是基于VR技術的一種現實與虛擬交互的新興技術，借助顯示技術、交互技術、傳感技術和計算機圖形技術，將計算機生成的增強信息和操作者周圍的物理環境融合為一體，使操作者從感官上信任虛擬信息是其周圍環境的一部分，其在骨科領域的術前規劃、手術導航發揮重要作用[4]，現具體報道如下。

1 利用虛擬現實技術進行顯微外科手術訓練

1.1 課程目的

我院顯微外科手術操作培訓教師均為有著豐富經驗的臨床一線手足顯微外科醫生，基于大連醫科大學教學改革研究項目，我們開展VR/AR技術在手足顯微外科手術操作教學中的應用研究。克服場地、設備、器械、材料等一系列限制，通過虛擬現實技術建立一套簡單、易于操作、使學生沉浸在其中、調動學生積極性的教學課程。

1.2 課程設備及前期準備

虛擬現實技術應用眼鏡，OLED顯示屏像素分辨率均為1 080×1 200，16∶9寬屏，90幀以上。電腦配置如下：GPU：NVIDIAGeForce GTX970/AMD Radeon R9290；CPU：Inteli5-4590/AMDFX8350 ；RAM：8 GB；Video 視頻輸出：HDMI1.4；操作系統：Windows 10。

聘請專業虛擬現實技術團隊，按要求我方提供斷指患者、股前外側穿支皮瓣患者相應醫學影像學資料、術區照片錄像、病史記錄、術中所用器械原樣等內容，積極完善相關調試，由具有顯微外科操作技術高年資醫生驗收。

1.3 課程內容

VR技術支持下顯微外科血管縫合操作的訓練。VR設備安置好后，需要操作者佩戴VR眼鏡，雙手操作手柄。操作者作為第一視角，該系統可以根據操作者的實際操作能力，給予相應放大倍數調整，該系統設置下，血管吻合系統可以完全模擬實際操作流程進行，如血管斷端清創、血流情況查看、沖洗液沖洗、血管夾應用、顯微吻合后血流通暢情況。該系統便于操作，針對重點難點環節，學生可以反復練習。帶教老師及其他學生可以佩戴相匹配眼鏡，360°無死角觀摩，帶教老師及時發現問題給予解答和指導。

共有20名規培研究生體驗了該VR技術顯微外科血管吻合課程，問卷結果顯示該教程有著良好的交互性和沉浸感，所有學員對學習效果的評價積極。操作過程中所有學員均未出現視覺和位置覺相關的不適。

該設備需要空間較小，可以放置于科室辦公室相應位置，這樣有利于科室學生及年輕醫生隨時練習，充分利用碎片化時間，有目的的進行重點環節練習，提高學習效率，避免長時間缺乏應用、手術訓練而引起顯微外科技術生疏(圖1)。

圖1 a1實習同學佩戴VR眼鏡現場查看顯微外科血管吻合虛擬現實影像；b1帶教老師進行現場演示

在AR技術支持下顯微外科手術可實現術前、術中指導。傳統手術術前手術方案制定時臨床醫生只能通過大量扁平化的醫學影像資料進行術前評估[4]，易造成術前評估不完善出現偏差，增加術中相應風險，進而影響術后效果。AR技術術前可針對患者二維影像學資料進行計算機處理，實現術前清晰三維解剖模型呈現。計算機疊加與現實環境的模擬環境，具有實時性、交互性，讓使用者更接近真實模擬體驗[5]，供術者術前制定手術方案及術前反復模擬訓練，從而完善手術方案、減少術中創傷、縮短手術時間、提高預后質量。

我科利用VR/AR技術針對股前外側穿支皮瓣設計相應模塊，根據創面缺損情況，以虛擬穿支血管為中心設計出虛擬皮瓣，術前術者可以佩戴VR眼鏡，360°全方位觀察穿支血管的形態、走行與術區組織毗鄰關系，制定最佳手術入路；術中通過手機端AR導航設備，基于AR的離體透視手術導航，在真實圖像上疊加虛擬圖像來顯示穿支血管位置，透過皮膚觀察到虛擬穿支血管與皮膚及肌肉的位置關系，在手術切取時更加準確、安全性更高。本組通過5例股前外側穿支皮瓣模型建立，術中手術時間較前縮短、術后游離皮瓣均一期成活。

該AR顯像技術可以實現術區局部較逼真的呈現，可以從不同角度仔細觀察術區，同時可以根據實際需要對術區解剖組織提取觀察，在該部分測試中不僅手術醫生可以更好地制定手術方案[6]，科室的年輕醫生、實習醫生對術區解剖的理解也得到進一步升華，避免了接觸不到尸體標本、僅通過書本二維圖譜理解的不足（圖2）。

圖2 a2術前應用VR技術重建旋股外側動脈降支及穿支血管的虛擬現實影像，根據術前患者創面缺損情況設計虛擬皮瓣；b2年輕醫生術前佩戴VR眼鏡，360°全方位觀察穿支血管的形態、走行與術區組織毗鄰關系，參與制定最佳手術計劃；c2-e2術中醫生通過AR導航設備，在真實圖像上疊加虛擬圖像來顯示穿支血管位置，透過皮膚觀察到虛擬穿支血管與皮膚及肌肉的位置關系

2 VR/AR技術在手足顯微外科手術操作中的意義

想要成為一名合格的外科醫生，必須具備熟練的顯微外科操作技術[7]，VR/AR技術支持下的顯微外科血管吻合訓練，可以克服常規顯微外科訓練對設備、場地要求。本文VR/AR技術應用于顯微外科血管吻合技術的教學與培訓，根據軟件模塊設置在該系統具有相對的完整性和可操作性，可以較真實地還原血管吻合流程，根據訓練難度選擇相應的放大倍數；該操作可單人單機、可反復跳躍進入某一操作模塊，可提高操作者的專注性及重點訓練，但該操作缺乏現實的觸覺感/力反饋，仍需進一步研究[3]。

在我國，越來越多的醫學院開始應用VR/AR設備進行醫學教學，如北京協和醫學院眼科將Eye SI手術模擬作為本科及眼科住院醫師的培訓課程[8]。根據VR/AR術者可以更好地設計手術方案，對完全沒有經驗的年輕醫生/實習學生，經過短暫的培訓也能提高對手術過程更好的理解。目前VR/AR技術的手術導航技術還處于摸索階段，需要技術人員優化開發，同時也需要臨床醫生實踐經驗輔助[4]。現階段VR/AR技術大多集中在手術操作的訓練，在顯微外科教學方面有著廣闊的前景，對醫學教育和年輕醫生的手術培訓方面有著全新的思路。