泌尿外科教學中應用混合現實技術的探討

馬建軍，焦點，劉志偉，武濤，馬善金

進入21世紀后，國際互聯網和網絡虛擬技術的快速發展，人們的生活習慣和學習方式也隨之改變，不僅出現了“阿里巴巴”式的線上交易平臺，教育方式也趨向于線上與線下共存。不同于其他的學科，外科醫學教育注重言傳身教，講究面對面地傳授理論知識和臨床技能。2020年新冠疫情突襲全球，限制了人與人之間的聚集和交流，關于線上教學結合與臨床醫學特色的探索相繼出現，如浙江大學醫學院附屬第一醫院的線上教學查房模式［1］、北京大學第三醫院的線上超聲醫學教學［2］以及PBL模式［3］等。不過受制于線上模式的固有局限性，線上教學無法實現醫學生與病人現實接觸，學員無法進行體格檢查、實踐操作等臨床技能，限制了外科醫學生的發展。因此如何使外科醫生的成長同互聯網發展相適應，讓外科醫生合理利用互聯網突破個人瓶頸，快速進入臨床工作成為臨床醫學教育熱點。伴隨著人機交互模式概念的提出，混合現實（mixed reality，MR）在臨床中的應用前景逐步擴大，在骨科教學模式的應用［4-5］、耳鼻喉科術前規劃［6］、肝膽外科教學［7］及脊柱外科教學的探討［8］等方面取得一定的成果。不同于其他外科手術，泌尿外科有相當比例的腔道手術，加之盆腔解剖結構復雜、術野小，學生學習過程困難多，使得其教學難度相對較高。探索如何利用MR輔助教學泌尿外科手術成為值得思考的嶄新問題。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選擇2021年3—12月在空軍軍醫大學唐都醫院泌尿外科輪轉規培的外科專碩研究生共60人，隨機數字表法平均分配至傳統教學組和MR教學組中，每組30人。傳統教學組年齡（24.2±1.2）歲，范圍為22～28歲，男性26人，女性4人。MR教學組年齡（24.0±1.4）歲，范圍為23～28歲，男性25人，女性5人。兩組學生性別（χ2=0.13，P=0.717）、年齡（t=1.96，P=0.552）差異無統計學意義，可對比。

1.2 研究方法 （1）教學要求外科專碩研究生在住院醫師規范化培訓過程中，需要在泌尿外科學習1～3個月，本次納入的研究對象，均于泌尿外科規培2個月。傳統教學組采用觀看手術視頻、解剖圖譜及臨床近距離觀摩方式，一對一教學，考慮到手術安全和醫患問題，手術過程中一般不讓學生直接擔任術者。（2）利用MR技術將典型手術病例的CT/MRI、超聲及手術視頻整合，創建全息影像學。制作膀胱腫瘤、前列腺增生、輸尿管結石、腎癌及前列腺癌的三維解剖模型，將模型上傳到云端平臺。MR教學組使用Microsoft公司的HoloLens全息眼鏡觀看模型，由帶教老師講述解剖注意事項，并演示手術路徑及操作要點。講解過程中學生可以針對模型自行模擬，實現放大、縮小、旋轉與相對自由的分層等，也可自由調出病人放射影像學圖像、模型與影像交互學習加深知識點印象。（3）評估方法：分為理論考試和實操技能考核兩部分，兩部分的總分均為100分。既往5年泌尿外科采用的教學方式為傳統教學模式，考慮到對照的準確性，兩教學組考核成績與前5年專碩規培生（115人）出科考核成績的平均成績兩兩交叉互比。考核結束后利用調查問卷師生雙向評估教學質量，包括學生對課程的接受和滿意度調查以及老師對學生學習能力評價兩部分。

1.3 統計學方法 所有數據采用SPSS 26.0軟件分析。數據分析前統一行正態性檢驗，連續變量用獨立樣本t檢驗分析，以表示；分類變量用χ2檢驗或Fisher確切概率法，用人（%）表示。P＜0.05為差異有統計學有意義。

2 結果

2.1 學生成績與前5年平均考核成績對比 MR教學組與傳統教學組理論考核的總成績分別為（84.72±8.93）分、（75.63±7.65）分（t=4.23，P＜0.001）。MR教學組80分及以上的人數所占的比例高達83.3%，明顯高于傳統教學組和往年考核成績的比例（χ2=6.24，P=0.012；χ2=9.52，P=0.002）。MR教學組的所有學生成績均超過了60分，傳統教學組各分數段的人數與往年考核結果相比差異無統計學意義（P＞0.05），見表1。MR教學組、傳統教學組與往年成績實踐考核的總成績分別為（80.13±6.87）分和（78.58±6.54）分，差異無統計學意義（t=0.89，P=0.374）。與傳統教學組及往年考核成績相比，MR教學組實操技能考核成績差異無統計學意義（P＞0.05），見表2。

表1 各組泌尿外科輪轉規培的外科專碩研究生理論考核成績對比/人（%）

表2 各組泌尿外科輪轉規培的外科專碩研究生實踐考核成績對比/人（%）

2.2 教學評價結果 教學成果評價通過問卷調查進行，包括學生評價（教學模式滿意程度、教學模式壓力、啟發臨床思維）和教師評價（學生掌握知識、融會貫通程度）共2個方面5個維度。相較于傳統教學組的學生，MR教學組的學生更易啟發臨床思維、學習壓力更小，而且掌握知識更輕松（P＜0.05）；不過兩組之間在教學滿意程度、知識融會貫通方面差異無統計學意義（P＞0.05）。見表3。

表3 泌尿外科各教學組對教學模式評價結果/人

3 討論

目前在泌尿外科的教學過程中，尚未有權威的教學模式可以有效將實踐操作與理論知識相結合。泌尿外科手術微創化普及程度高，如傳統的大手術前列腺癌根治、全膀胱切除術等，手術術野小，對術者解剖知識和手術操作水平要求高，使得醫生的學習周期長［9］。諸多現實的缺陷導致醫學生培養效果不佳，據統計1名泌尿外科主治醫師成長為獨立的主刀醫師一般需要至少10年的時間。如何降低培養醫生的時間和教育成本，是需要解決的問題。

MR是在虛擬現實基礎上更全面的模擬技術，可自然地將真實場景和虛擬場景融合在一起，其突出特點是現實感更加強烈，人機互動的效果及真實性更強，讓人難以區分現實和虛擬世界，適用于醫療搶救模擬訓練及培訓外科醫生臨床技能等方面［10］。通過交叉圖形學、仿真技術、傳感技術等多種技術，MR可以構建出虛擬的三維模型，在此基礎上學生們通過手勢旋轉、語音命令等方式將模型放大、縮小，挑選不懂的部分單獨講解，以現場演繹的方式模擬生化反應、人體活體情況下的解剖細節，獲得情景記憶，利于抽象性知識的理解和吸收，激發學生學習的熱情，可有效解決傳統教學難以獲取解剖標本的難題，緩解時間和場地的限制［11］。在MR教學系統中，授課老師和學生可以自由穿梭于虛擬和現實環境之間，利用不同類型的手術模型模擬手術、實踐操作等技能訓練，為住院醫師培訓教學提供了一種高效、立體的全新模式。

外科手術最大的困難之一是精準定位手術部位，MR系統可以抵消傳統影像和超聲受脂肪等的影響［12］，動態三維顯示術中的情況，其誤差目前僅有亞毫米級［13］。一些風險程度相對較高的手術，受訓醫生在手術前可以通過反復觀摩病變部位的特點，根據反饋的結果及時調整自己的不足，最大限度模擬真實的病人操作，便于形成肌肉記憶［14］。研究發現將MR與手術規劃聯系起來，即可達到同虛擬手術規劃一致的效果，證實MR可以明顯降低手術難度，減少術中出血和術后并發癥［15］。研究發現，醫生通過MR系統練習得到的經驗，可以在臨床實踐中直接予以應用，顯著縮短年輕外科醫生學習手術的時間曲線［16］。綜上，MR技術與手術模型的結合，可降低青年醫生對于臨床的經驗依賴［17］。

本研究通過教學后考核及學生與老師對課堂的感受，綜合對比評估MR教學模式和傳統教學模式在泌尿外科教學中的優劣。通過理論考核，我們發現MR組的總成績明顯優于傳統教學組，并且MR教學組80分及以上的人數多于傳統教學組。從數據表現來看，MR教學組學生更易理解泌尿系統疾病的診治要點，可以得出MR培養學員空間解剖結構是有其獨特優勢的，從而利于醫生的快速進階。實踐考核的結果表明兩組學生差異無統計學意義，可能的原因是外科手術，尤其是泌尿外科手術的操作過程還需要學生自己感悟手術不同階段的力度和角度，2個月的學習周期過于倉促，雖然MR可以模擬全息影像，卻不能代替真實操作的過程［18］。從教學評價結果來看，MR教學組的學生學習壓力小，學習氛圍輕松，對教學模式更滿意，利于學生在低焦慮狀態下獲得更好的學習體驗［19］，雖然兩種模式學生反饋知識融會貫通沒有明顯差別，但綜合考慮考核成績來看，MR模式優勢更加突出。

從本研究來看MR的優勢突出，不過一些技術難點仍需要克服。MR圖像識別技術尚不穩定，手術時往往更新延遲，需要醫生在操作過程中不斷的調整視角，極其考驗醫生的水平，甚至會導致醫生出現“暈機”等現象；目前用以臨床的技術設備精度要求高，建模強調真實性，相關核算研究少；本研究初步證明了MR在泌尿外科教學中的優點，但因樣本量較少，部分偏倚無法避免。未來需要多團隊合作，進一步完善相關技術，增加手術及教學中的多樣化模型的建立，增加相關研究的樣本量。

本研究發現，MR技術在泌尿外科教學中有其獨特的優勢，可增強醫生的臨床思維和外科技術學習能力。