虛擬現(xiàn)實技術在白內障手術教學中的應用進展

張鈴鈴,張國增,范碩寧,白一彤,曹 鼎,王 語,楊瀅瑞

1.河南省立眼科醫(yī)院, 鄭州 450003;2.河南大學護理與健康學院, 河南 開封 475004

白內障作為眼科常見致盲性眼病之一,導致患者不同程度的視力受損甚至失明。目前,白內障的首要治療方法仍為手術治療[1],其手術時間短,但操作精度高,術中任何一步都不容差錯。而與之相對應的是,目前中國白內障手術覆蓋率尚低,熟練進行白內障手術的醫(yī)師數(shù)量仍有不足[2-3]。長期以來,對于初學者眼科手術培訓多以有經(jīng)驗手術醫(yī)師的帶教和實體動物手術操作為主,傳統(tǒng)教學模式存在手術醫(yī)師能力高低不一、學習曲線長、設備器材損耗較大、牽涉?zhèn)惱韱栴}且手術并發(fā)癥發(fā)生率增加、預后不佳等弊端[4-5]。加之絕大部分白內障手術在局部麻醉下進行,限制了新手眼科醫(yī)師與上級醫(yī)師在手術室的交流,增加更多手術風險[6]。因此,白內障手術教學模式亟待改進,以提升手術教學能力。虛擬現(xiàn)實(virtual reality,VR)技術是利用計算機技術模擬虛擬環(huán)境,具有可重復性、可視化、逼真化等優(yōu)勢,目前已經(jīng)被應用于白內障手術教學中。文章對國內外VR技術在白內障手術教學中的應用情況進行綜述,以期為眼科教學人員充分利用虛擬現(xiàn)實技術提供新的視覺和參考。

1 VR技術的概述

1.1 VR技術的概念

VR技術是一種借助計算機系統(tǒng)模擬真實世界構建出的高仿真的模擬環(huán)境,通過產(chǎn)生電子信號及視、聽、觸覺等多感官的逼真模擬,利用多種傳感輸出設備,使用戶真切置身于某種場景,具有無限想象空間,可以實現(xiàn)用戶實時與該環(huán)境進行自然交互的技術[7]。從概念中研究者可以分析得出VR技術的特征,即多感知性、沉浸感、想象性及交互性。

1.2 VR技術的起源與發(fā)展

VR技術于20世紀60～70年代初開始萌芽,以1968年研發(fā)的交互式頭盔立體顯示器為主要標志。1984年,伴隨虛擬環(huán)境視覺顯示器的出現(xiàn)和1989年虛擬實驗室概念的提出,引領了VR技術蓬勃發(fā)展,尤其是20世紀90年代至今,該技術被廣泛應用于教育和醫(yī)學事業(yè)[8]。目前,VR技術在臨床教學中主要用于醫(yī)學解剖教學、手術操作培訓、情景模擬等[9]。

2 白內障手術教學中常見的VR模擬器

白內障手術教學中常見的VR模擬器主要有EyeSi模擬器、HelpMeSee模擬器和Micro-Vis Touch模擬器等。其中,EyeSi手術模擬器由德國VR magic公司研發(fā),可用于玻璃體視網(wǎng)膜和白內障手術訓練,目前應用最為廣泛。該模擬器可仿真標準的眼科手術環(huán)境,包含專有的硬件和軟件系統(tǒng)。硬件包含位于具有多個物理端口的模型眼、可提供立體影像的虛擬手術顯微鏡、可模擬各種手術器械的手持探針、可調節(jié)焦距且變焦的腳踏板等;軟件系統(tǒng)包括基本的顯微外科技能、特定玻璃體視網(wǎng)膜和白內障手術培訓模塊(夾持、撕囊、超聲乳化和人工晶體植入等),可客觀地測量每個模塊的關鍵性能參數(shù)[6,10],在白內障手術教學中已展現(xiàn)出極大的優(yōu)勢。HelpMeSee模擬器是由國際非盈利組織開發(fā)的專用于小切口白內障手術(manual small incision cataract surgery,MSICS)的一種模擬器,用于進行MSICS的培訓,該模擬器可仿真難易程度不同的手術場景幫助眼科醫(yī)師進行手術技能培訓[11-12]。而Micro-Vis Touch模擬器是一款高度仿真的且唯一包含觸覺感應反饋界面的模擬器,可最大程度地實現(xiàn)“沉浸式手術”,該模擬器同Eyesi手術模擬器功能相似,也用于玻璃體視網(wǎng)膜及白內障手術的培訓[13]。

3 VR技術在白內障手術教學中的應用現(xiàn)狀

3.1 VR技術在白內障理論教學中的應用

由于眼球解剖結構微小且復雜,而依靠書本和模型的講解眼部解剖和手術過程是一種靜態(tài)的教學方式,教學模式單一且抽象,導致理論與實踐脫節(jié),嚴重影響學生的學習效率和教學質量。伴隨VR技術下3D MAX、Maya、3D-Doctor等軟件的問世[14],三維立體解剖模型和場景模擬使抽象晦澀的器官結構能清晰地展現(xiàn)在眼前,讓教學過程更加形象直觀,有利于學生更好地了解眼部解剖結構、體驗各種視覺障礙,如視物模糊、視覺變形、視野缺損等[15],使學生在獲得真實的教學體驗的同時,更好地理解和掌握知識[16]。此外,VR技術在白內障手術影像演示教學中也盡顯優(yōu)勢。劉夢可等[17]將三維數(shù)字平視化系統(tǒng)(NGENUITY 3D)用于白內障超聲乳化吸出聯(lián)合人工晶狀體植入術中,研究發(fā)現(xiàn)相較于傳統(tǒng)顯微鏡下手術,運用3D平視化手術系統(tǒng)給手術觀摩醫(yī)師帶來更為舒適的肩頸體驗及更好的示教效果,其教學滿意度更高,與Romano等[18]研究結果一致。同時,使用VR技術進行白內障手術操作使手術醫(yī)師以平視的姿勢在三維顯示屏上看到手術視野,可減少示教手術醫(yī)師頸部肌肉勞損,對于減輕其身體負擔,延長職業(yè)壽命有一定的益處[19]。綜上所述,將VR技術應用于白內障理論教學中對教學雙方均有裨益,未來可將虛擬現(xiàn)實元素進一步融入白內障教學和考核中,創(chuàng)新虛擬現(xiàn)實教學模式,提升教學質量。

3.2 VR技術在白內障實訓教學中的應用

3.2.1 VR技術在國外白內障實訓教學中的應用

VR技術在國外白內障實訓教學中的發(fā)展較為成熟。目前,在白內障實訓教學中VR手術模擬器不僅從視覺上模擬真實手術,還仿真真實手術觸感。Kim等[20]在視覺模擬器訓練的基礎上研發(fā)了基于觸覺的VR白內障手術模擬器,在模擬手術中,通過使用頭盔顯示設備模擬顯微鏡下的體驗,使用腳踏板控制手術視野,使用仿真引擎中的VR觸碰器來控制虛擬碰撞與眼睛模型的觸覺反應,當遇到操作錯誤時可根據(jù)系統(tǒng)發(fā)出的觸覺反饋進行調試。在VR模擬器中構建觸覺反饋,使新手眼科醫(yī)師能同時進行手眼協(xié)調的仿真訓練,以獲得更加真實的手術體驗。一項比較了模擬器中有無設定觸覺反饋的VR訓練的系統(tǒng)回顧發(fā)現(xiàn),多數(shù)有觸覺反饋的VR模擬器在技能訓練中比沒有觸覺反饋的更有效,尤其對于新手醫(yī)師來說,縮短了學習曲線和手術時間[21]。可見基于觸覺的手術模擬器在白內障教學中具有巨大潛力。此外,不同學者比較了白內障手術教學中常見的VR模擬器的性能。Nayer等[22]比較了Eyesi模擬器和Micro-Vis Touch模擬器的性能,結果表明,Eyesi模擬器可根據(jù)手術技能區(qū)分眼科醫(yī)師手術操作能力,其結構有效性良好,而Micro-Vis Touch VR模擬器在眼科實訓中的結構有效性尚不清楚,需進一步探究。在印度,Nair等[12]使用HelpMeSee模擬器驗證其面部效度和內容效度,研究發(fā)現(xiàn),74.3%的眼科醫(yī)師認為該模擬器視覺和觸覺模擬是逼真的,94.3%的眼科醫(yī)師認為該模擬器的使用有利于提升其術中的手眼協(xié)調能力,可見HelpMeSee模擬器的面部效度和內容效度均良好,該模擬器可作為白內障外科手術實訓的輔助教學工具。綜上所述,VR技術在白內障實訓教學中具有一定的可行性且應用效果較好,但仍需要對除Eyesi模擬器以外的VR模擬器進一步探索,并研究其在手術培訓時間中的應用效果,使之更好地應用于白內障教學,進一步滿足不斷增長的精細化的眼科手術需求。

3.2.2 VR技術在國內白內障實訓教學中的應用

VR技術在中國白內障教學中的應用較晚,但發(fā)展前景廣闊。2019年教育部公布的國家虛擬仿真實驗教學項目認定中,臨床醫(yī)學類有28項,其中外科教學培訓集中于宮腔鏡和腹腔鏡手術技能培訓,在白內障教學培訓中有待進一步探究。李佳駿等[23]將VR手術模擬器用于住院醫(yī)師白內障手術培訓中,試驗組使用Eyesi手術模擬器進行手術操作培訓,對照組采用豬眼訓練,結果顯示,試驗組醫(yī)師各模塊考核評分和用時均優(yōu)于對照組,且在手術體驗感、手術技能幫助程度、提升自信心和整體滿意度等方面效果顯著。VR技術增加了眼科住院醫(yī)師在模擬真實手術的信心、決策和處理能力,提升了白內障顯微鏡手術操作技能。這與吳航等[24]研究一致,可能是因為VR技術在白內障術中模擬的真實感、安全性和可重復性,反復訓練可逐步提高初級眼科醫(yī)師對顯微手術技能的掌握程度。但孫遠等[25]研究認為,使用動物模型進行白內障手術訓練的評價及臨床操作幫助度高于VR模擬訓練,原因可能與其選取的研究對象為二三年級住院醫(yī)師,習慣于接受傳統(tǒng)的教學方式及其使用的Micro-Vis Touch模擬器目前在國內技術發(fā)展受限,導致其無法感受到VR技術的益處有關。因而,VR技術在國內應用于白內障手術教學仍需進一步發(fā)展完善各個模塊,逐步提高其適用性。目前,白內障手術模擬器在北京協(xié)和醫(yī)院眼科和國內其他醫(yī)院已被使用,在具備模擬操作功能的同時還加入了評分系統(tǒng),量化了手術操作考核方法,未來可用于評估手術醫(yī)師的操作能力[26]。綜上所述,VR技術作為新興的教學工具,將其運用于白內障手術實訓教學中是大勢所趨,但在國內仍需要加強技術創(chuàng)新,進一步推動VR技術在白內障手術教學中的應用,進而全面提升白內障教學水平,強化眼科人才隊伍建設。

4 VR技術在白內障手術教學中應用的意義

4.1 創(chuàng)新教學方法,優(yōu)化教學模式

依托VR技術的白內障教學是通過計算機、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡通信、人機交互和虛擬現(xiàn)實等技術,創(chuàng)建出高度仿真的虛擬對象和虛擬環(huán)境的一種新式教學方式[27]。目前,國內白內障手術培訓多以理論教學、觀看手術錄像和以動物眼訓練為主[28]。手術錄像具有可重復性的優(yōu)勢,但缺少體驗感;而動物眼雖擁有接近人眼的真實體驗,但其無法復制人眼解剖結構的復雜性且重復利用率低,難以大規(guī)模推廣[29]。而VR技術的出現(xiàn),給白內障手術教學帶來了新的機遇。相較于傳統(tǒng)的教學模式,運用VR技術進行白內障教學具有高仿真、可視化、可重復性、隨時可用等優(yōu)勢,通過構建與白內障手術相似的虛擬環(huán)境,借助相關虛擬手術器械完成白內障手術訓練,創(chuàng)造立體真實的模擬手術環(huán)境,使課堂教學更加生動形象,同時突破時間、空間、設備、教學病例等限制,增加新手眼科醫(yī)師在培訓中的手術操作機會,實現(xiàn)“沉浸式手術”[30]。此外,借助VR技術進行白內障手術教學,可供學習者反復訓練,可將復雜的手術技能分模塊訓練,使其循序漸進地掌握手術技能;且VR反饋系統(tǒng)可提醒錯誤操作、操作結束的評估報告,還可供觀摩學習,促進了白內障教學方法的改革,進一步優(yōu)化了白內障教學模式。

4.2 提升手術技能,增強手術信心

隨著新興技術的蓬勃發(fā)展,VR技術在白內障的教育和培訓中受到廣泛關注。Thomsen等[31]通過多中心臨床試驗探究了使用Eyesi手術模擬器進行白內障手術培訓對手術性能的影響,結果表明,使用VR模擬器進行白內障手術培訓,提升了初級和中級白內障眼科醫(yī)師的手術操作技能,但對有經(jīng)驗醫(yī)師的手術技能改善效果并不明顯。一項探究Eyesi手術模擬器對眼科實習生有效性的系統(tǒng)評價表明[32],使用該模擬器可以提高眼科實習生的白內障手術操作技能,減少操作失誤。國內學者探究了VR手術模擬系統(tǒng)在眼科住院醫(yī)師微創(chuàng)白內障手術培訓中的應用效果[23],研究發(fā)現(xiàn),使用VR手術模擬器可提升住院醫(yī)師的白內障顯微手術操作技能和心理素質,增加其職業(yè)初期進行手術的自信心。可見,基于VR技術的手術培訓在提升初級或中級眼科醫(yī)師手術技能中具有重要作用,但對高級醫(yī)師的應用效果還需進一步進行實證研究。

4.3 降低手術并發(fā)癥,提高滿意度

VR技術給眼科教學帶來諸多優(yōu)勢,同時還需考慮患者的利益,最大限度地保護其安全[33]。英國皇家眼科學會國家眼科數(shù)據(jù)庫對從2009—2015年的眼科醫(yī)師使用VR模擬器追蹤發(fā)現(xiàn)[34],引入Eyesi模擬器的白內障手術培訓對于工作第一年和第二年的新手眼科醫(yī)師來說,其后囊破裂發(fā)生率降低了38%。一項探究VR模擬器訓練對白內障手術并發(fā)癥影響的定性研究也同樣發(fā)現(xiàn)[35],在白內障手術培訓中使用該模擬器降低了后囊膜破裂發(fā)生率。可見,將VR技術應用于白內障手術教學有利于降低手術中后囊膜破裂發(fā)生率,進而提升醫(yī)護滿意度,但在降低其他并發(fā)癥發(fā)生率等方面的證據(jù)有限,未來還須探索其在其他并發(fā)癥中的效果。

5 VR技術在白內障手術教學中應用的不足之處

目前,VR技術在白內障理論和實踐教學中均取得良好的培訓效果,可作為一種白內障手術培訓中有益的訓練工具,但其在技術、成本等方面還須改進。首先,須考慮引進白內障手術模擬器的成本效益[26,36],目前市場上的機器價格昂貴,比如Eyesi手術模擬器平均價格在10萬美元以上,這也導致了該儀器在中國和其他發(fā)展中國家的推廣受到阻礙。此外,VR技術的實施與開展還受到模擬器保真度不高、缺乏手術技能轉移及可產(chǎn)生暈眩感等的限制[36-37]。多數(shù)白內障手術模擬器能夠在視覺和觸覺反饋中提供高保真度,但仍有不足,如部分模擬器未增加觸覺反饋系統(tǒng),且在視覺真實感中,出現(xiàn)模擬器手術器械因施加力量因素造成眼球扭轉等不良后果。因此,伴隨VR技術在眼科教學中的興起,須加強技術革新,創(chuàng)新VR教學模式,實現(xiàn)手術技能的轉移,進而提升白內障教學質量。

6 結束語

VR技術作為新興的教學工具,將其用于眼科領域,推動白內障手術教學手段的創(chuàng)新是非常重要的技術趨勢。多數(shù)研究發(fā)現(xiàn),VR應用于白內障手術教學中可有效提高新手眼科醫(yī)師的手術操作技能,降低并發(fā)癥發(fā)生率,但目前相關研究處于初始階段,仍存有一些不足。未來還須開展長期、大樣本、多中心的研究,進一步從手術技能轉移、成本效益等多方面驗證VR技術在白內障手術教學中的有效性。同時,還應不斷創(chuàng)新VR技術,提高白內障手術模擬器的保真度,減少眩暈感,增加VR技術潛在的經(jīng)濟效益和社會效益,進一步推動VR技術在臨床教學中的廣泛應用。