虛擬現實技術在胸心外科教學中的應用

李 鑫，單雯釧，陸乘俊，朱 吉

(1.上海長海醫院胸外科，上海 200433；2.上海長海醫院腎內科門診，上海 200433；3.江蘇省泰州市中醫院胸外科，江蘇 泰州 225300)

外科手術操作通常具有較高的風險性與復雜性，加之醫學倫理及醫患溝通等多方面現實約束，外科學傳統技能培訓方式正面臨巨大挑戰。胸心外科作為一門實踐性與專業性極強的學科，涉及病種較多，新理論、新技術迭代較快，診治過程中需要影像學、解剖學及麻醉學等多學科體系支撐，且常需建立復雜的體外循環，使得醫師培養周期偏長。在既往實習帶教、住院醫師規范化培訓及專科醫師培訓等教學活動中，我們發現當前胸心外科臨床教學資源相對欠缺。特別是在當前患者自我保護意識增強、臨床教學配合度不高的現狀下，臨床教學受掣于無法直觀、高效地開展教學，胸心外科知識對于這些年輕的初學者而言，難免更顯抽象、復雜。為了幫助學員在有限的輪轉時間內理解并掌握胸心外科多發病、常見病的診療，了解基本手術操作技術，該學科的教學方式方法亟待提升。本文聚焦于此，對本團隊在胸心外科一線臨床教學中的探索與體會作一論述。

1 虛擬現實技術在教學中的應用

虛擬現實技術歷經數十年的發展與進步，如今在各行各業得到了廣泛應用，從娛樂休閑到教育培訓，從醫療診斷到科學研究，該技術的強大影響力與日俱增。近年來，該技術逐漸滲透融入醫學教育領域，成效突出，預期在這一領域有著廣闊的應用前景。

1.1 虛擬現實技術概述

虛擬現實(virtual reality)技術最早可以追溯到20世紀60年代的美國，其概念由Richard I.Land等學者提出，主要指利用計算機輔助技術構建虛擬仿真的三維場景，用戶可以借助配套的交互裝備，通過視覺、聽覺和觸覺等感知覺全方位、無限制地與虛擬場景中的事物實時互動，從而產生身臨其境的逼真感受，并且能夠有針對性地對其進行重復操作和設計改造[1]。在問世初期，這一技術曾用于美軍作戰模擬系統，后經改進逐漸面向商業化。

目前，隨著移動互聯網和電子計算機等軟、硬件水平快速提升，VR技術的研發與應用邁上了新的臺階，在設計、藝術、醫學、教學以及產品銷售等領域大放異彩。例如，波音公司在設計777型運輸飛機的時候就曾采用無紙化的設計方式，并通過VR技術將設計模板投射在真實工作臺上，從而簡化建造過程，提高工作效率[2]。在國內，由于起步較晚，VR技術的發展稍顯滯后，但目前已經獲得多方重視，相關的研究和應用正如火如荼展開。例如，北京航空航天大學早年間曾利用VR技術模擬飛行環境，輔助開展飛行員的技能訓練[2]；更有甚者，房地產軟件近年將VR技術應用于看房買房，變革了房地產產品的營銷模式。

1.2 虛擬現實技術在醫學教育領域的應用進展

VR技術進入到教育領域后，因其沉浸性(immersion)、交互性(interaction)和構想性(imagination)等特點廣受師生青睞[3]。在教學過程中，VR技術可以向學生展現立體仿真三維圖像，并為其提供逼真的感官體驗，不僅豐富了教學內容，更有利于教學過程的推進。此外，為了推動教育信息化建設，教育部等政府部門出臺了一系列激勵政策。2018年，教育部發布振興教師教育行動，并啟動國家虛擬模擬實驗教學項目，鼓勵提倡VR技術在教育、教學和實踐中的應用[4]。

眾所周知，臨床醫學知識較為抽象復雜，教學資源不易獲取，目前高等院校的臨床醫學教學工作普遍遇到瓶頸。如今，VR技術的普及給臨床醫學教學注入了一支強心劑，許多學科的教學工作都應用到了這一技術。

在神經外科手術教學中，顱腦的空間定位需要扎實的神經解剖和腦影像學基礎知識作為支撐，而這正是神經外科教學中的痛點與難點。利用患者頭顱與血管影像重構數字化手術標本模型，再通過VR技術提供移動、切割、分離及結扎等手術操作，模擬從皮膚切開到打開骨窗、暴露術野等過程，可使學習者更快更好地熟悉掌握手術流程，最大化降低手術風險、提高手術成功率。據悉，第二軍醫大學長海醫院已經將VR技術應用于神經介入手術的教學培訓，在縮短學員學習曲線，提升受訓者手眼協調能力等方面作用顯著[5]。

在婦產科臨床教學培訓中，由于女性盆腔解剖結構較為復雜，且臟器多隱匿、形態抽象。加之婦產科檢查、操作常常涉及隱私部位，患者及其家屬自我防范及隱私保護意識較強，可能會拒絕相關的檢查示教、帶教，尤其在有男性學員或醫生在場的情況下。這些原因給婦產科臨床教學帶來了困難和挑戰，也為新技術的應用提供了機遇。VR技術可以在倫理許可的情況下，為學員學習提供便利，其中以婦科腹腔鏡的培訓應用最為廣泛有效。目前，第四代虛擬現實手術模擬系統已經具備力學反饋及術中引導等功能，可以滿足更加多樣化的教學需求，適配更多的學員群體[6]。

2 虛擬現實技術應用于胸心外科教學的可行性分析

2.1 胸心外科教學改革進展

在傳統灌輸式教學模式的大框架下，胸心外科教學目前仍以理論講授為主，示教觀摩為輔，遵循“疾病-機制-癥狀、體征-輔助檢查-治療”的經典模式，低年資醫學生在學習中更注重于疾病概念以及治療方法等基礎理論知識的記憶。然而，這種教學方式可能會使學員產生慣性，將學習效果停留在紙面答題，不利于臨床實踐工作的開展[7]。長久來看，“動手能力不足”會進一步挫敗學員的學習信心，最終嚴重影響臨床教學效果。因此，胸心外科的教學需要更加注重與臨床工作的密切聯系，并適當豐富教學手段。

通過大量的研究與實踐，胸心外科教學改革取得了一定的進展。崔新征等人[7]認為，問題導向式學習(problem-based learning，PBL)從提出問題切入教學，引導學員在提出問題、思考問題和解決問題，在提高學員學習興趣的同時，對其臨床操作技能的提升也大有裨益。除此以外，談夢偉等人[8]對CBL、PBL聯合Paper Review教學模式在住院醫師規范化培訓胸心外科臨床教學中的效果進行了深入研究，張冠鑫等人[9]則探討了互動式教學模式在胸心外科實習、見習教學中的應用，均取得較好成效。然而，這些方法均存在自身難以克服的缺陷，并未廣泛鋪開應用。

2.2 虛擬現實技術應用于胸心外科教學的優勢

外科學對解剖學的依賴程度較高，術者通常需要對局部解剖構造及鄰近器官毗鄰關聯有著清晰的認識，才能保證術中的操作準確、處變不驚。然而據悉，在美國的醫學教育中，解剖學教學實踐已經從350小時(1955年)銳減到149小時(2009年)[10]，加之大體標本來源缺乏、不便重復使用等條件約束，傳統解剖學教學資源顯得捉襟見肘[11]。據文獻報道，自1995年至2000年間，由于解剖學錯誤導致的醫療索賠案件增長了7倍之多[12]。由此可見，傳統解剖學教學已經不能適應外科學，尤其是外科臨床工作的實踐需求。對于胸心外科而言，由于胸腔重要臟器集中，解剖形態與毗鄰關系相對復雜，稍有失誤即可釀成大錯，對相關基礎知識和操作技能的要求極高。

在傳統手術示教、帶教中，學員常作為第二助手參與手術，因位置距術野較遠，無法直觀清晰地觀察了解心肺的解剖結構。VR技術目前集成了雙目立體視覺、觸覺反饋、位置跟蹤以及立體聲等技術，可為用戶提供實時的虛擬視覺、觸覺、運動以及聽覺感知體驗。特別是VR模型可以進行拆分及切割，使得觀察沒有死角，有助于全方位觀察。此外，VR教學資源可以重復利用，學員可以有針對性地重復學習，在復習鞏固中形成多維記憶；也正是由于其可重復利用的特性，也便于教學流程和內容的標準化，減少教學過程中的隨機誤差。再者，由于VR常基于影像學數據重構，因而在解析、拆分方面有著天然的優勢，一方面可以按照學習者意愿改變比例與角度，顯示心瓣膜等內部結構，另一方面還可進行術前后以及個體間的比較分析，利于直觀感受個體及手術差異，建立個性化診療觀念。

2.3 教學設計舉例

本團隊計劃開展VR教學，并進行了初步設計，擬選取成人先天性心臟病患者數名，涵蓋房間隔缺損、室間隔缺損、法洛氏四聯癥等教科書常見病種，所有患者均需手術治療。術前，對患者進行造影劑增強的CT數據采集，明確心臟病理解剖構造，對圖像數據擇優進行下一步分析。隨后，將原始CT數據導入到3D建構軟件，并進行相應技術操作，分割、切除與心臟三維模型粘連的臨近解剖結構，導出可用于VR顯示的心臟三維模型。緊接著，通過相應軟件對心臟三維模型進行局部透明化、色彩渲染等美化加工，最終在頭戴式顯示設備中進行360°全景立體顯示，學員可通過操作手柄實現縮放、旋轉、拆分及切割等交互操作。在本次教學過程中，目標人群主要為實習生、住院醫師規范化培訓學員等低年資醫師，應用基于李克特量表(Likert Scale)的自編量表[13]對教學效果(學員認可程度)進行收集，匯總分析后用于指導下一步改進。

3 應用虛擬現實技術開展胸心外科教學可能存在的問題

早年間，Heng等人[14]開發了VR關節鏡手術系統，該系統能為學習者提供相當逼真的觸覺反饋。由于胸心外科手術操作較復雜，VR在該領域的應用尚且不多。Friedl等[15]利用VR建模語言在計算機中構建了交互式的3D心臟模型，但其與真實心臟結構仍有明顯差異。近年，Ong等用[16]計算機斷層攝影術(computed tomography，CT)數據構建了虛擬心臟模型，用于先天性心臟病患兒術前解剖評估與手術規劃。

從技術層面而言，盡管CT數據有著易獲取、對比度高等諸多優勢，在心血管掃描時還可應用心電門控和心電觸發技術減少運動微影，但仍會不可避免地出現圖像失真，構建出的心臟模型也差強人意。從教學互動上來說，VR手術模擬教學系統很難提供逼真的溫濕度、觸覺等手感反饋，可能造成訓練與現實操作的脫節。從推廣應用層面來看，VR設備及配套軟件價格昂貴，且在采集、構建教學資源的過程相當復雜，一方面對授課教師的備課質量提出更高要求，另一方面也對大班授課提出更大挑戰。此外，VR是虛擬環境，可能在一定程度上影響學員的專注度，給其留下“失敗可以重來”的依賴性，不利于培養真實手術環境下的抗壓和專注能力。

4 結語及展望

VR技術首次應用于醫療衛生保健領域大約在20世紀90年代初，目前已經取得較為廣泛的應用，常用于術前規劃及模擬手術等。在臨床醫學教學中，VR技術以其仿真性、可交互性和可重復性等諸多優勢，成為當今多媒體輔助教學的重要發展方向之一。近些年，國內部分院校、醫院已經在心血管外科、神經外科、泌尿外科及脊柱外科等學科的教學實踐過程中成功開展VR教學系統的應用，效果值得肯定。盡管該技術仍存在些許不足，但仍被認為在外科教學擁有較好的應用前景。鑒于目前VR技術用于胸心外科教學鮮有報道，教學資源的收集整理工作有待逐步開展，VR培訓教材的匯編以及VR手術室平臺系統的構建或將成為兩個重要的研究方向。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突

作者貢獻聲明李鑫、單雯釧：撰寫及修改論文；陸乘俊，朱吉：論文構思、總體把關