腹腔鏡闌尾切除術虛擬仿真實驗平臺的開發與應用研究

肖 燾,金紫薇,揭志剛1,

南昌大學:1.第一附屬醫院;2.第一臨床醫學院, 南昌 330006;3.東京大學醫學部附屬病院, 日本 東京 113-8655

近年來,隨著新興信息技術的快速發展,使得虛擬仿真技術開始應用于高等教育的實驗教學[1]。截至2021年9月,國家級虛擬仿真實驗項目中醫學相關項目達366個[2]。由此可見,虛擬仿真技術在醫學教育中被廣泛應用。在外科技能教學中,虛擬仿真實驗教學平臺能讓信息與實驗資源的共享程度達到最大化,具有強大的交互能力并支持多方協作,極大地改善了臨床手術教學中所面臨的問題[3-6]。筆者所在團隊在既往三維重建技術研究的技術累積下[7],基于虛擬現實技術開發了一個腹腔鏡闌尾切除術虛擬仿真實驗平臺,并用于外科專業型碩士的技能教學。通過該虛擬實驗平臺,學員可以手控三維重建虛擬模型自主學習相關外科解剖知識和手術操作步驟,再通過游戲化的教學過程逼真體驗虛擬手術,從而讓學員將枯燥的理論知識和抽象的技能操作通過虛仿教學過程內化并掌握,實現與后續臨床實踐的有效銜接,進而提升外科臨床技能教學的效率與質量。

1 腹腔鏡闌尾切除術虛擬仿真教學系統

腹腔鏡闌尾切除術虛擬仿真軟件系統采用Unity3D引擎開發,旨在以虛代實、以虛補實、以虛拓實、虛實結合[8]該系統邏輯上采用Manager of Managers架構設計,將音頻模塊、模型模塊、動作模塊、交互模塊、答題模塊等在空間上獨立,各模塊相互之間是一種弱耦合的邏輯關系,方便維護與擴展;渲染部分采用URP渲染技術,在保證效果的前提下盡可能降低性能要求。虛擬手術場景參考某真實醫院手術科室,布設儀器、手術臺、治療車等,真實還原腹腔鏡闌尾切除術手術場景。場景中的模型用具是對真實模型儀器拍照及測量,通過3Ds Max軟件1∶1建模,再運用Photoshop,BodyPaint 3D,Substance Painter等工具制作貼圖完成。整個設計開發過程采用了3Ds Max,Maya,Photoshop,BodyPaint 3D,Substance Painter,ZBrush,Unity3D,Visual Studio等工具。該腹腔鏡闌尾切除術虛擬仿真軟件系統對于計算機軟硬件配置要求如下:CPU為Intel Core i5-9400 同級別及以上;主板為B360同級別及以上;內存為8GB DDR4同級別及以上;顯卡為NVIDIA GTX 1050 4GB 同級別及以上;硬盤為128GB固態硬盤+500GB機械硬盤,SATA;系統為Windows 10 專業版1803及以上。交互硬件包括鼠標和鍵盤等,運行模式為獨立模式。腹腔鏡闌尾切除術虛擬仿真軟件系統技術實現模式如圖1所示。

圖1 腹腔鏡闌尾切除術虛擬仿真實驗軟件技術實現模式

2 實驗設計

2.1 實驗整體設計思路

從虛實結合的角度出發,以打破傳統的灌輸式教學、提升學生的實踐能力為目標,以三維重建與虛擬現實等先進信息技術為依托,構建一個涵蓋實操、互動、評價、在線答疑的教學一體化虛擬仿真實驗平臺,提升學生的臨床思維與臨床技能。

2.2 實驗教學方法設計

在整個虛擬仿真實驗過程中,學生通過交互性的虛擬仿真手術操作、案例分析、操作視頻、在線答疑等方式進行學習,不受時間、地點限制。通過腹腔鏡闌尾切除術的訓練與學習,學生可掌握基本的腹腔鏡手術操作技能,從而在包括腹腔鏡闌尾切除術在內的各類腹腔鏡手術中熟練運用。實驗教學方法設計如圖2所示。

圖2 腹腔鏡闌尾切除術虛擬仿真實驗教學方法設計

2.3 實驗考核設計

①操作考核學生完成操作后,平臺根據操作過程中的正確與否進行評分,此評分作為判斷學生掌握情況的重要指標之一。

②理論考核學生撰寫實驗報告,重點闡述操作過程中遇到的問題,并進行隨堂測驗,這些作為平時成績的重要補充部分。

3 實驗實現

3.1 實驗概述

教師通過虛擬仿真實驗教學軟件系統,向學生展示三維重建后的正常人體三維解剖結構與臨床病例三維重建解剖圖像,并同時告知需要掌握的重要知識點(如圖3a所示)。教師利用虛擬仿真教學軟件演示手術過程,并通過軟件的虛擬手術操作功能對各組織器官進行模擬大體解剖,逐層展示各組織器官的名稱、位置、結構及與病變組織器官的位置關系,詳細講述普外科手術常規手術入路、操作平面、操作技巧等(如圖3b所示)。

圖3 腹腔鏡闌尾切除術虛擬仿真實驗概述示意圖

教師授課完成后,講解虛擬仿真教學軟件的基本功能和操作要點,隨后學員開始在虛擬仿真實驗室利用虛擬仿真教學軟件系統完成虛擬手術技能實踐。實踐完成后設置小組討論,并布置課后作業。授課結束后,教師在虛擬實驗教學平臺上對學生進行問卷調查,主要從提高學習積極性、學習效率、自主學習能力、培養臨床思維等方面進行調查。所有課程完成后組織考試,包括理論知識和手術操作實踐考核。

3.2 實驗過程描述

學生登錄該虛擬仿真實驗項目后,即可開始進行腹腔鏡闌尾切除術的手術操作。主界面展示了腹腔鏡闌尾切除術的概述(如圖4所示)、適應證與禁忌證、案例與手術用物準備。閱讀完相關基礎知識后,就進入了手術操作模塊,學生根據系統提示選擇相應的手術器械完成手術操作。內容包含消毒、穿手術衣、戴手套、鋪巾等最基本的手術技能操作,腹腔鏡的術前準備如建立氣腹、建立觀察孔和操作孔、組裝腹腔鏡并對白調焦,最后進入闌尾切除操作。

圖4 腹腔鏡闌尾切除術虛擬仿真軟件主界面

闌尾切除操作步驟如下:①點擊“過程”正式進入操作步驟,擺好患者體位后,在患者的腹部選擇正確的三孔法穿刺點;②貼電極片,消毒,穿手術衣戴手套,鋪巾;③建立氣腹;④建立觀察孔和操作孔,開始探查腹腔尋找闌尾;⑤找到病變闌尾后,游離闌尾系膜并裸化闌尾動脈,結扎離斷闌尾動脈,游離裸化闌尾根部并結扎,離斷闌尾后取出闌尾,擦凈周圍盆腔積液;⑥再依次探查腹腔,確認無誤后,撤氣腹,縫合,貼紗布,手術結束。

3.3 實驗考核要點

學生完成操作后,系統根據操作的正確與否進行打分,賦分模型的內容包括穿刺點的位置選擇、消毒范圍、鋪巾的順序、腹腔探查的順序、游離闌尾動脈、游離闌尾系膜、取出闌尾等操作是否正確。教師根據學生的分數判斷學生對知識點的掌握情況并進行針對性的教學。學生根據自己的掌握情況,可重復進行學習。學習完成后,填寫問卷,可對該平臺提出建議并進行評價。 實驗內容與考核要點如表1所示。

表1 腹腔鏡闌尾切除術操作考核要點

4 結束語

該項目以南昌大學第四批校級示范性虛擬仿真實驗教學項目為基礎,先后通過南昌大學校級教改課題(NCUJGLX-19-131)、教育部產學合作協同育人項目(201901090002)及中國醫藥學研究生在線教育教學研究重點課題(A-YXC20200202-05)等項目的理論研究,隨后在福建水立方三維數字科技有限公司的技術支持下,經2年時間順利完成,并取得計算機軟著權1項(國家版權局登記號:2022SR1119440)。基于上述虛擬仿真實驗平臺設計的虛擬仿真實驗課程——腹腔鏡闌尾切除術技能訓練虛擬仿真教學,在2021年被評為江西省虛擬仿真實驗教學一流本科課程。目前,該項課程正面向全省醫學院校應用推廣,以期實現更大社會效益。

《教育部關于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》指出,虛擬仿真實驗教學項目的研發要以完成教學要求和內容為目標,綜合應用多媒體、大數據、三維建模、人工智能、人機交互、傳感器、超級計算、虛擬現實、增強現實、云計算等網絡化、數字化、智能化技術手段,提高實驗教學項目的吸引力和教學有效度[9]。由此可見,虛擬仿真實驗教學在醫學教育中必將發揮不可估量的作用,將成為未來醫學教育發展的趨勢[10-12]。該研究團隊設計開發的腹腔鏡闌尾切除術虛擬仿真實驗平臺是順應時代發展的產物,推動了外科技能教學模式改革。該虛擬仿真實驗平臺雖不能完全替代傳統的手術技能教學,但極大地克服了傳統教學模式的弊端,有利于培養專業技能過硬、高素質高水平的醫學人才。基于醫學虛擬仿真技能教學中“虛實結合,虛實互補”的原則[13],該團隊將始終把對學生的實踐與創新能力的培養放在首位,不斷地完善虛擬仿真教學平臺的功能,增加更多種類的外科手術技能教學模塊,為醫學技能實驗教學改革提供有益探索。