虛擬現(xiàn)實技術(shù)在血管外科臨床教學(xué)培訓(xùn)中的應(yīng)用價值

郭發(fā)才，張翔宇，張洮路，沈 瑜，周 棟*

（1.蘭州大學(xué)第二醫(yī)院，甘肅 蘭州 730000；2.蘭州大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；3.蘭州交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）

血管腔內(nèi)治療的出現(xiàn)從根本上改變了血管外科與其他外科的區(qū)別，在許多血管疾病的治療中，血管腔內(nèi)治療取代了大部分開放手術(shù)，改變了血管外科臨床教學(xué)培訓(xùn)模式。隨著醫(yī)學(xué)與信息化技術(shù)的迅猛發(fā)展與深度融合，虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality，VR）出現(xiàn)，推動了微創(chuàng)手術(shù)教學(xué)的發(fā)展，也為血管外科臨床教學(xué)培訓(xùn)提供了練習(xí)操作技能的新方法。

1 血管外科臨床教學(xué)培訓(xùn)的發(fā)展

1.1 血管外科臨床教學(xué)培訓(xùn)的起步階段

以前的血管外科不存在專門的培訓(xùn)，最初的血管外科醫(yī)生是由普通外科醫(yī)生和心胸外科醫(yī)生來代替，最初的血管外科培訓(xùn)計劃基本上是學(xué)徒制，最早的此類培訓(xùn)之一是由加州大學(xué)舊金山分校的醫(yī)學(xué)博士埃德溫·懷利（Edwin J. Wylie）發(fā)起的，Wylie 博士呼吁開展正式的血管外科住院醫(yī)師培訓(xùn)[1]，由此血管外科醫(yī)生的教育和培訓(xùn)發(fā)生了演變。血管外科培訓(xùn)始于20 世紀(jì)60 年代，包括1 年的外科醫(yī)生學(xué)徒期，這些外科醫(yī)生在他們的工作機構(gòu)建立了血管外科，并有外科住院醫(yī)師輪轉(zhuǎn)。血管外科學(xué)會（SVS）是由心血管和普通外科先驅(qū)于1947 年創(chuàng)立的，最初的目標(biāo)是促進血管疾病的學(xué)習(xí)和研究，并每年召開一次科學(xué)會議，以更好地定義手術(shù)在周圍血管疾病中的作用，其主要目的之一是鼓勵醫(yī)院為該領(lǐng)域的年輕外科醫(yī)生開展特殊培訓(xùn)。在20 世紀(jì)60 年代和70 年代，在SVS 和國際心血管學(xué)會北美分會的領(lǐng)導(dǎo)下，從事血管外科的醫(yī)學(xué)生越來越多，而且美國每年進行的動脈手術(shù)的數(shù)量也在增加（>70 000）[2]。1969 年，羅林斯·漢龍（C. Rollins Hanlon）在SVS 的主席演講中，要求他的同事在血管外科新專業(yè)中制定嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和培訓(xùn)計劃，以更好地發(fā)展血管外科這一新興學(xué)科。承認(rèn)血管外科作為一個獨立的外科專業(yè)是20 世紀(jì)70 年代和80 年代激烈討論的話題，1974 年，美國血管學(xué)會向美國外科委員會（ABS）提交了一份提案，要求建立“血管外科特殊能力認(rèn)證”，以認(rèn)可這一發(fā)展中的外科專業(yè)的獨特教育、培訓(xùn)和知識。1979 年，聯(lián)合血管外科委員會（SVS 和國際心血管學(xué)會北美分會）對血管外科培訓(xùn)計劃進行了認(rèn)證，最初批準(zhǔn)了17 個項目，到1982 年，有52 個項目得到了血管學(xué)會的認(rèn)可[3]。血管腔內(nèi)治療的出現(xiàn)從根本上改變了血管外科與其他外科的區(qū)別，并在未來血管外科醫(yī)生所需的教學(xué)和培訓(xùn)中提出了獨特的挑戰(zhàn)：如何很好地訓(xùn)練一名成熟的血管外科醫(yī)生。

1.2 血管外科臨床教學(xué)培訓(xùn)的快速發(fā)展階段

近年來，手術(shù)技能和模擬中心已經(jīng)出現(xiàn)在美國各地的學(xué)術(shù)機構(gòu)中。血管外科學(xué)會（SVS）、美國心臟病學(xué)會（ACC）和血管醫(yī)學(xué)和生物學(xué)學(xué)會（SVMB）[4]在2005 年發(fā)表的一份共識聲明中指出，為了幫助具有不同背景和技能的醫(yī)生達(dá)到一個共同的熟練基準(zhǔn)，基于指標(biāo)的模擬應(yīng)該納入培訓(xùn)。模擬器提供了執(zhí)行多個程序的能力，同時避免了現(xiàn)實生活中麻醉誘導(dǎo)、房間轉(zhuǎn)換和文書工作的時間限制。模擬可以允許新手在相同的干預(yù)下重復(fù)嘗試，而不會對真實患者造成傷害。如果使用得當(dāng)，模擬還可以節(jié)省訓(xùn)練時間，這可能是外科訓(xùn)練計劃中最有價值的資源。此外，越來越多的證據(jù)表明，受訓(xùn)者以及血管教育者越來越支持將模擬集成到培訓(xùn)規(guī)范中。在過去的幾年里，血管外科受訓(xùn)者模擬訓(xùn)練的實施已迅速發(fā)展。

1.3 血管外科臨床教學(xué)培訓(xùn)的特點

血管外科與普通外科等其他外科的不同之處首先在于患者群體。患者所患的全身性疾病往往超出血管外科專科范疇，反映在許多不同的器官系統(tǒng)中，會導(dǎo)致患者出現(xiàn)多病態(tài)。所以血管疾病學(xué)也與心臟病學(xué)、腎臟病學(xué)、神經(jīng)病學(xué)、胃腸病學(xué)、糖尿病學(xué)和內(nèi)分泌學(xué)等專業(yè)學(xué)科交叉聯(lián)系。為了學(xué)習(xí)交叉學(xué)科，需要新的方法來培訓(xùn)學(xué)生，教育工作者所熟知的“網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)”在學(xué)生醫(yī)學(xué)實踐教學(xué)中還相對欠缺[5]。在SVS 的牽頭下，已經(jīng)建立了由內(nèi)科和放射科參與的跨學(xué)科病例討論會議。在未來幾年的教學(xué)中，血管外科與內(nèi)科學(xué)科的交叉也將越來越多。

2 血管外科模擬器的分類

2.1 平臺式吻合模型

平臺式吻合模型只需要一個穩(wěn)定的平臺、移植材料、縫合和基本的器械。有了這些模型，可以進行結(jié)構(gòu)化、低風(fēng)險的實踐，并被證明對提高技能是有用的（主要對初級住院醫(yī)生）。模擬模型的保真度也不相等，血管解剖可以使用簡單的塑料管和復(fù)雜的合成材料進行綜合模擬，該項目的模擬模型一般價格低廉，是初級住院醫(yī)生血管模擬使用最廣泛的工具。高保真模型可以模擬血管外科手術(shù)過程，例如加壓管系統(tǒng)可用于模擬支架放置和導(dǎo)管操作[6]。隱股交界區(qū)腹股溝模型[7]模擬了人類隱股交界區(qū)大隱靜脈及其屬支，該模型允許切開皮膚，并通過淺表脂肪層和深層筋膜層進行解剖，可以辨認(rèn)出充滿液體的大隱靜脈及其5 條腹股溝靜脈屬支，結(jié)扎并斷開隱股交界處大隱靜脈主干及其屬支。運用隱股交界區(qū)腹股溝模型在訓(xùn)練之后受訓(xùn)者的手術(shù)操作水平顯著提高。

2.2 動物模型

動物模型具有高度的真實感，動物實驗室仍然用于血管腔內(nèi)治療和開放手性術(shù)訓(xùn)練。它們可模擬整個手術(shù)過程，如髂股血管成形術(shù)和放置支架，以及開放式主動脈髂動脈置換術(shù)。動脈狹窄和動脈瘤疾病可分別通過內(nèi)皮損傷或彈力蛋白酶灌注進行人工誘發(fā)[8]。動物模型的使用受到成本和場地的限制，而且動物實驗對象需要特殊的設(shè)備和儀器，同時與人類相比在解剖結(jié)構(gòu)和尺寸上也存在差異，所以其使用存在很多限制。此外，使用動物模型還有倫理和法律方面的考慮。

2.3 人類尸體模型

人類尸體模型為血管腔內(nèi)治療訓(xùn)練和開放手術(shù)訓(xùn)練提供了現(xiàn)實條件。Irfan 等[9]描述了如何在新鮮的人類尸體動脈系統(tǒng)中進行溶栓手術(shù)，使用該模型進行了33 例標(biāo)準(zhǔn)動脈穿刺和閉合的血管內(nèi)手術(shù)。因此，新鮮尸體是學(xué)習(xí)血管暴露的首選模型，但是尸體的可用性和成本限制了尸體模型在血管外科模擬訓(xùn)練中的使用。

2.4 VR 模擬器

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)又可以稱為VR 模擬器，薩塔瓦于1997 年首次提出使用手術(shù)模擬器。VR 模擬器具有無限重復(fù)使用的優(yōu)勢，并且沒有相關(guān)使用的倫理問題。VR 模擬器可以將放射學(xué)圖像中患者的具體解剖細(xì)節(jié)轉(zhuǎn)移到模擬器中，因此降低了患者術(shù)中風(fēng)險。隨著VR 技術(shù)的發(fā)展，一些新的血管內(nèi)VR模擬器已經(jīng)上市。

2.4.1 配備訓(xùn)練系統(tǒng)應(yīng)用程序的模擬器 配備訓(xùn)練系統(tǒng)應(yīng)用程序的模擬器包括血管成形術(shù)模塊和頸動脈、腎、冠狀動脈、股淺動脈和髂動脈支架釋放模塊，還能夠模擬主動脈瘤修復(fù)、卵圓孔封堵、腔靜脈濾器和心臟起搏器植入[10]。這類模擬器有（VISTM）（Mentice AB，G?tenborg，瑞典），ANGIO MentorTM（Simbionix，克利夫蘭，俄亥俄州）和SimSuiteR（醫(yī)療模擬公司，丹佛，科羅拉多州）[11]。這些高保真模擬器包括觸覺、視覺和聽覺界面，提供了接近真實的模擬手術(shù)過程。ANGIO MentorTM終極血管內(nèi)訓(xùn)練器具有與VISTTM相似的模擬動脈手術(shù)功能，它與VISTTM的不同之處在于它更強調(diào)對患者的監(jiān)測、給藥和對疾病的反應(yīng)。例如，阿托品可用于糾正與模擬頸動脈竇刺激相關(guān)的心動過緩，對于缺氧和高血壓也以提供適當(dāng)?shù)闹委煟籄NGIO MentorTM終極血管內(nèi)訓(xùn)練器允許模擬并發(fā)癥的發(fā)生，從而可以在虛擬環(huán)境中進行并發(fā)癥的管理[12]。

2.4.2 可促進多學(xué)科團隊培訓(xùn)的模擬器 SimsuiteR是一個更大的模擬器系統(tǒng)，最多有6 個交互屏幕，可以實現(xiàn)多學(xué)科團隊的培訓(xùn)，該系統(tǒng)提供多范圍專業(yè)培訓(xùn)包和人員來支持培訓(xùn)計劃。這些模擬器可以進行術(shù)前分析、患者干預(yù)和術(shù)后總結(jié)，類似于ANGIO MentorTM系統(tǒng)，能夠?qū)颊呱矸磻?yīng)進行模擬也是該模擬器的一個特點[13]。

2.4.3 經(jīng)濟、便攜、可手持的模擬器 ANGIO Mentor Express 和ANGIO Mentor Mini 具有類似功能的模擬包，但外圍附件較少，因此，ANGIO Mentor Mini 可以放在手持盒中運輸[14]。同時，我們也要看到使用VR 模擬器進行血管內(nèi)手術(shù)訓(xùn)練存在的一些限制。最明顯的就是模擬器的成本高，這些設(shè)備的單價大多在10萬美元以上，隨著時間的推移，維護費用還要增加數(shù)萬美元。血管內(nèi)模擬器需要一定的放置空間和定期維護，經(jīng)常需要更新軟件和校準(zhǔn)，需要相關(guān)技術(shù)人員來處理技術(shù)故障[15]。通常使用的降低成本的方法是為其建立區(qū)域培訓(xùn)中心，住院醫(yī)師可以定期前往培訓(xùn)中心接受VR 模擬器短期訓(xùn)練。VR 模擬器在觸覺反應(yīng)和虛擬環(huán)境的真實感方面仍然需要進一步改進及提升。除非這些VR 模擬器的真實性和高成本得到較好的改善，否則很難將這些設(shè)備從研究實驗室轉(zhuǎn)移到培訓(xùn)項目中[2]。

3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在血管外科臨床教學(xué)培訓(xùn)中的應(yīng)用

3.1 模擬器可以分為低保真度模型和高保真度模型

低保真度模型對初級住院醫(yī)生提高開放手術(shù)技能有利。這些模型被用于練習(xí)開放手術(shù)技能，包括隱股區(qū)剝離和結(jié)扎、頸動脈內(nèi)膜切除術(shù)。低保真度模型通常由硅膠或橡膠制成，只需要一個穩(wěn)定的平臺、移植材料、縫合用的基本器械，就可以進行結(jié)構(gòu)化、低風(fēng)險的手術(shù)。這些模型便于攜帶和設(shè)置，它們對于學(xué)習(xí)基本的血管內(nèi)技能是有效的，并且允許學(xué)習(xí)者在使用真正的導(dǎo)絲、導(dǎo)管、球囊和支架時體驗觸覺反饋。

3.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括以下四部分[16]：第一，解剖空間；第二，組織建模；第三，視覺反饋；第四，實時系統(tǒng)集成。Mitchell 等[17]建議將模擬整合到課程中，但應(yīng)考慮以下順序：（1）解剖學(xué)、生理學(xué)、病理學(xué)相關(guān)指示的解說，以及手術(shù)教學(xué)和程序步驟的指導(dǎo)；（2）常見錯誤的說明和描述；（3）在進行技術(shù)、技能培訓(xùn)之前熟悉教學(xué)材料；（4）基于模擬器的技能培訓(xùn)；（5）模擬過程中的錯誤反饋；（6）具體培訓(xùn)課程結(jié)束時的總結(jié)性反饋。

3.3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在血管外科臨床教學(xué)培訓(xùn)中的有效性

虛擬現(xiàn)實技術(shù)提供了一種標(biāo)準(zhǔn)化復(fù)制課程的方法，提供了學(xué)員在以前“學(xué)徒”模式中無法獲得的經(jīng)驗。各種類型的手術(shù)模擬器已有效地用于各級外科教學(xué)，大多數(shù)模擬實際手術(shù)表現(xiàn)的外科模擬系統(tǒng)都是基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)。許多模擬器允許學(xué)員在沒有教練在場的情況下進行練習(xí)，但為了獲得最佳學(xué)習(xí)效果，仍然需要一個真實或虛擬的“教師”。相關(guān)證據(jù)表明，虛擬現(xiàn)實技術(shù)對腔內(nèi)血管治療水平的提升有較大益處。血管國際基金會開發(fā)的脈動流主動脈模型[18]，以使用脈動流系統(tǒng)和腹腔臟器虛擬現(xiàn)實為特征，它使用可替換的主動脈，受訓(xùn)者在進行吻合時可以體驗到血管壁的真實感覺。另外，腹腔臟器虛擬現(xiàn)實模型允許模擬牽拉器和夾鉗的放置，該系統(tǒng)的最大好處是脈動流，可以識別動脈吻合中的陷阱。其主要缺點是價格昂貴且不易攜帶，這可能會妨礙學(xué)員日常使用[19]。Eason 等[20]回顧文獻發(fā)現(xiàn)：（1）虛擬現(xiàn)實技術(shù)允許醫(yī)生在安全的環(huán)境中進行訓(xùn)練，而不會使患者處于危險之中；（2）它可以評估危機管理（如評估頸動脈內(nèi)膜切除術(shù)期間可能發(fā)生的中風(fēng)風(fēng)險）。Maertens 在兩項研究[21]中證明，ANGIO Mentor 模擬器可以區(qū)分32 名外科實習(xí)生、20名血管外科醫(yī)生和29 名醫(yī)學(xué)生的血管內(nèi)手術(shù)表現(xiàn)，并對所有研究收到了良好的反饋和對技術(shù)指標(biāo)的改進，例如減少了透視時間、較低劑量的輻射和縮短了手術(shù)時間等；ANGIO Mentor 模擬器具有極好的有效性，它使初級血管外科醫(yī)師的手術(shù)操作熟練度保持了3 個月，同時增強了手術(shù)治療效果。

3.4 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在血管外科臨床教學(xué)培訓(xùn)中的實用性

Lindquist[22]使用血管介入系統(tǒng)訓(xùn)練器VISTTM來模擬試驗髂股血管成形術(shù)，并發(fā)現(xiàn)患者身上所有手術(shù)技能指標(biāo)有所提高。Hseino 等[23]發(fā)現(xiàn)在VISTTM上練習(xí)的髂股血管成形術(shù)能夠成功地轉(zhuǎn)化為實際手術(shù)中的表現(xiàn)，使用VISTTM訓(xùn)練后，所有的參與者都減少了手術(shù)時間、透視時間和造影劑的使用量。Pandey[24]研究使用模擬器的手術(shù)團隊的相互作用，25 名接受過不同程度訓(xùn)練的外科醫(yī)生使用腹股溝模型進行靜脈曲張手術(shù)，模擬手術(shù)室配備了所有標(biāo)準(zhǔn)儀器、設(shè)備和人員。Sidhu 等[25]表明基于高保真模型是一種優(yōu)化簡單的平臺模型，其將這些初級和高級住院醫(yī)師隨機分配到一個為期3 小時的培訓(xùn)課程中，讓他們在平臺模型或高保真模型（ANGIO Mentor）上進行移植動脈吻合術(shù)培訓(xùn)。一周后，所有參與者在一頭活豬的股動脈上進行了血管吻合術(shù)。結(jié)果顯示，在高保真模型上練習(xí)培訓(xùn)后，初級和高級住院醫(yī)生都表現(xiàn)出從平臺模型到活體動物上更好的技能轉(zhuǎn)移。因此，高保真度模型將以真實的情景體驗和客觀的學(xué)習(xí)方式為臨床醫(yī)師提供更好的技能學(xué)習(xí)機會。血管腔內(nèi)治療的VR 模擬器迅速發(fā)展，主要用于從主動脈到腸系膜和下肢的血管干預(yù)，可以大量評估血管內(nèi)模擬的有效性和實用性。參與者在主動脈、腎臟、下肢和頸動脈干預(yù)的模擬手術(shù)中提高了他們的手術(shù)技能，其表現(xiàn)通過整體評分量表、手術(shù)程序檢查表和程序指標(biāo)（即任務(wù)完成時間、透視時間、造影劑使用）來衡量[26]。

4 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在血管外科臨床教學(xué)培訓(xùn)中的發(fā)展方向

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展迅速，血管外科研究者以及受訓(xùn)人員越來越支持將VR 集成到培訓(xùn)過程中。基于當(dāng)前血管外科學(xué)員的調(diào)查[27]顯示：86%的受訪者表示相信虛擬現(xiàn)實模擬訓(xùn)練的教育價值，并且56%的血管外科項目提供虛擬現(xiàn)實模擬培訓(xùn)；37%的血管研究員和高級住院醫(yī)師參加了基于模擬的外部課程。非臨床、安全環(huán)境中的虛擬現(xiàn)實技術(shù)培訓(xùn)計劃提供了練習(xí)技能和手術(shù)程序，不會使患者面臨不必要的風(fēng)險。虛擬現(xiàn)實技術(shù)培訓(xùn)計劃已被證明在學(xué)習(xí)開放血管手術(shù)技術(shù)技能方面是有效的，尤其是在開放血管手術(shù)培訓(xùn)的早期階段。ANGIO Mentor高保真模型模擬器、血管介入系統(tǒng)訓(xùn)練器VISTTM等虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬器正在血管外科臨床教學(xué)培訓(xùn)中大量應(yīng)用，并在血管外科臨床教學(xué)訓(xùn)練和評估中取得了較大成功。鑒于虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬器價格昂貴，需要設(shè)備維護、軟件更新和校準(zhǔn)等不利條件，我們建議建立以大學(xué)附屬教學(xué)醫(yī)院或者省級規(guī)培醫(yī)院為主要形式的區(qū)域血管外科培訓(xùn)中心，定期組織學(xué)員接受VR 模擬器短期訓(xùn)練，以便能夠更好地提高血管外科醫(yī)生的專業(yè)水平，減少術(shù)中意外損傷，提高手術(shù)治療效果和患者滿意度。