虛擬仿真技術在腫瘤外科教學中的應用

摘要：隨著醫療技術的飛速發展，虛擬仿真技術在醫學教育領域的應用日益廣泛，尤其在腫瘤外科教學中展現出巨大潛力。虛擬仿真技術不僅能夠提升學生的手術技能與決策能力，同時也能降低醫療風險、提高手術成功率。本研究旨在構建高度仿真的手術環境、模擬復雜多變的腫瘤病例及手術操作過程，為醫學生提供一個安全、可控的學習與訓練平臺。

關鍵詞：虛擬仿真技術；腫瘤；外科教學

一、引言

在醫學教育特別是外科領域，傳統的教學方式往往依賴于理論講授與實體操作練習，但這種方式在高風險、高難度的腫瘤外科領域的應用尤為局限。腫瘤外科手術復雜多變，對醫生的操作技能、空間感知、決策能力及應變能力有著極高的要求。然而，實際操作機會有限、患者安全風險高、教學資源分配不均等問題限制了對醫學生的培養效果。在此背景下，虛擬仿真技術作為一種新興的教學手段，以其高度仿真性、可重復性、無風險性等特點，逐漸成為腫瘤外科教學領域的研究熱點和應用趨勢。

二、虛擬仿真技術概述

作為21世紀信息技術與醫學教育融合的杰出成果，虛擬仿真技術的核心在于利用計算機圖形學、生物力學模擬和人工智能技術，構建一個與真實手術室幾乎無異的數字世界。虛擬仿真技術不僅能夠精細地復刻人體解剖結構，還能模擬腫瘤的生長狀態、手術器械的觸感反饋以及復雜的手術流程，使學習者能夠在安全的環境中反復練習，直至熟練掌握各項關鍵技能[1]。

虛擬仿真技術，集成了虛擬現實（VR）、增強現實（AR）和高級計算機圖形學，能夠創建高度逼真的虛擬手術環境。這一技術不僅能夠模擬腫瘤外科手術從術前規劃、手術操作到術后護理的全過程，還能細致呈現腫瘤與周圍組織的解剖關系，從而為醫學生提供安全、無風險的實踐平臺。在虛擬環境中，醫學生可以反復練習各種手術技巧，直到達到熟練水平，這對于提升手術操作的安全性和成功率至關重要[2]。

三、虛擬仿真技術在腫瘤外科教學中的應用實踐

（一）教學系統構建

1.系統框架與功能模塊設計

虛擬仿真技術在腫瘤外科教學中的應用，關鍵在于構建一個全面且精細的系統框架。該框架的核心是基于高精度3D模型的手術模擬平臺，它能夠真實再現腫瘤及其周圍組織的解剖結構，為學習者提供一個接近真實手術環境的學習空間。腫瘤外科虛擬仿真技術教學平臺的功能模塊包括解剖模型構建、手術操作模擬、智能評估反饋及病例情景演練。首先，解剖模型構建模塊利用醫學影像分析技術，創建患者特定的腫瘤及其周圍組織結構的可視化模型。其次，手術操作模擬模塊是整個系統的關鍵，它結合了虛擬現實技術和觸覺反饋技術，允許用戶在虛擬環境中進行手術操作練習[3]。最后，智能評估反饋模塊負責對用戶的操作進行實時監控與評價。

2.醫學影像數據處理與三維重建

醫學影像是腫瘤外科診斷與治療規劃的重要依據，三維重建技術則能將二維的醫學影像轉化為直觀的三維模型，為醫學生提供更加立體、生動的醫學影像數據。

醫學影像數據處理是虛擬仿真技術在腫瘤外科教學中的應用基礎。這一過程通常涉及多個步驟：首先是影像獲取，通過CT、MRI等設備收集患者腫瘤區域的影像；其次是圖像預處理，包括噪聲去除、對比度增強等，以提高圖像質量；第三是分割與標記，使用圖像處理算法自動或手動標注腫瘤邊界、分離腫瘤組織與其他組織；最后是三維重建，基于分割后的圖像數據，利用計算機圖形學技術生成腫瘤及其周圍結構的三維可視化模型。

三維重建技術不僅能夠展示腫瘤的形態、大小和位置，還能模擬腫瘤與周圍血管、神經等重要結構的關系，為醫學生提供更為全面的視覺信息。

（二）教學內容設計

1.腫瘤解剖學與病理學知識模擬

傳統的腫瘤教學往往依賴于理論講解和有限的實體標本觀察，這在很大程度上限制了醫學生對復雜解剖結構和病理變化的理解深度。虛擬仿真技術的引入，為這一領域帶來了前所未有的突破。首先，虛擬仿真技術能夠提供高精度的腫瘤解剖學模擬。通過整合大量的醫學影像數據，如CT和MRI掃描結果，三維建模軟件能夠創建出高度逼真的腫瘤及其周圍器官的虛擬模型。其次，虛擬仿真技術在病理學知識的教學中也發揮著重要作用。與傳統病理學教育相比，虛擬仿真技術可以創建無限量的病理學案例，涵蓋不同類型腫瘤從早期病變到晚期癌癥的每個階段。醫學生可以在虛擬環境中進行“電子顯微鏡”觀察，細致地分析細胞結構和組織病理特征，甚至能在模擬環境中進行“活檢”[4]。

2.手術規劃與操作流程仿真

在腫瘤外科教學中，虛擬仿真技術的應用實踐，特別是在手術規劃與操作流程仿真領域的應用實踐，正在引領醫學教育的革新方向。

手術規劃是腫瘤外科手術成功的關鍵。在虛擬仿真環境中，醫學生可以基于患者的具體病情，如腫瘤的位置、大小、形態及其與周圍重要器官和結構的關系，進行詳細的手術前規劃。通過虛擬操作，學生可以模擬不同的手術入路，評估潛在的風險和并發癥，甚至預測手術效果，從而選擇最合適的手術方案。

在操作流程仿真方面，虛擬仿真技術更是開創了腫瘤外科教學的新紀元。系統能夠模擬從患者入院、術前準備、手術操作到術后恢復的整個流程。醫學生可以在虛擬環境中，親手操作各類手術器械，體驗從皮膚切開、腫瘤切除、止血處理到傷口縫合的全過程。

3.術后并發癥與康復過程模擬

術后并發癥是困擾醫學領域多年的難題。虛擬仿真技術在腫瘤外科教學中的應用，為醫學生模擬手術后出現并發癥的各種可能。虛擬仿真技術通過高度逼真的虛擬環境，讓醫學生模擬多種常見和罕見的術后并發癥，如感染、出血、吻合口瘺、淋巴水腫等。在模擬過程中，學生不僅要識別并發癥的跡象，還要學會制定適當的治療計劃，包括藥物治療、手術干預和患者管理。

（三）教學實施過程

1.學生分組與實驗任務分配

通過合理的學生分組與實驗任務分配，虛擬仿真技術能夠促進醫學生之間的互動學習，提升其與多學科團隊的協作能力，這對于腫瘤外科醫生的成長至關重要。在腫瘤外科教學中，教師對學生的分組策略應當考慮醫學生的專業背景、技能水平和個人興趣。例如，可以將具備不同專業技能的學生組合在一起，模擬真實的多學科診療團隊（MDT）。這種跨學科的分組方式，不僅能夠促進知識的交叉融合，還能鼓勵學生從不同角度思考問題，提高其綜合分析問題的能力和團隊協作的能力。實驗任務分配方面，虛擬仿真技術可以根據每組的特點和目標，設計個性化的任務，如專注于手術技術的模擬訓練、側重于術后并發癥管理的訓練等。

2.虛擬實驗操作與指導

虛擬實驗操作與指導，不僅能讓學生在無風險的環境中練習和掌握復雜的手術技巧，還能在專家的虛擬指導下，深化學生對腫瘤解剖學、病理學及手術策略的理解。虛擬實驗操作是虛擬仿真技術的核心應用之一。高度逼真的3D模型和動態物理引擎可為醫學生模擬腫瘤外科手術的全過程。這種沉浸式的學習體驗，不僅能夠讓醫學生在無壓力的環境下反復練習手術技巧，還能夠幫助他們理解手術的復雜性和風險，為未來的真實手術操作做好充分準備。虛擬指導是虛擬實驗操作的另一大亮點。通過人工智能和專家系統，虛擬仿真平臺能夠提供即時、個性化的操作指導。當學生在虛擬手術中遇到困難時，系統會根據其操作情況，提供針對性的建議，甚至模擬專家的實時指導，幫助學生克服技術難點、優化手術流程。

3.教學效果評估與反饋機制

在腫瘤外科教學中，虛擬仿真技術的應用不僅革新了教學方式，也對教學效果的評估與反饋機制提出了新的要求。有效的評估與反饋體系可以提升學生在虛擬仿真環境中將知識轉化為臨床實踐的能力，從而提高教學質量。教學效果評估是虛擬仿真教學的重要環節。傳統的評估方式，如筆試和口頭考核，往往難以全面反映醫學生在復雜手術操作中的實際表現。虛擬仿真技術提供了一種全新的評估手段，能夠實時記錄醫學生在模擬手術中的每一個動作，并以手術時間、操作精度、決策速度等多個關鍵指標進行評估。通過對這些數據的量化分析，教師可以客觀評價學生的技能水平，識別其在操作中的優勢與不足，為后續的個性化教學提供依據。反饋機制是教學效果評估的延伸，旨在幫助醫學生理解評估結果，明確自身需要改進的地方。虛擬仿真技術的反饋機制通常包括即時反饋和延時反饋兩種形式。即時反饋是在醫學生操作過程中提供的，如操作不當時的實時提示，可幫助學生立即糾正錯誤，提高學習效率。延時反饋則是在一次完整的模擬手術結束后，通過視頻回放、數據分析等方式，幫助學生全面回顧整個操作過程，深入解析其中的亮點與問題點，強化學生對操作細節的深刻理解。

四、虛擬仿真技術在腫瘤外科教學中的應用效果對比分析

（一）實驗目的

本實驗旨在評估虛擬仿真技術與傳統醫學教學方法在腫瘤外科教學中的效果差異，特別是在提升學生的理論知識掌握程度、臨床技能、學習興趣、自主學習能力、理論理解和臨床思維能力等方面。

（二）實驗參與者

實驗從某醫學院校三年級醫學生中隨機選取100名志愿者，確保他們之前未接受過腫瘤外科相關課程的正式培訓。通過隨機數字表法，將100名學生均分為兩組，每組50人，分別為A組（虛擬仿真技術組）和B組（傳統醫學教學組）。

（三）教學周期與方法

實驗周期為一學期（16周）。A組采用虛擬現實（VR）平臺，結合多媒體資源進行教學。B組沿用傳統教學模式，包括面對面講座、教材閱讀、小組討論和案例分析。

（四）測量指標

實驗通過理論考核、臨床技能考核及問卷調查來綜合評估教學效果。理論考核和臨床技能考核分別占50分，問卷調查涵蓋學習興趣、自主學習能力、理論理解、實踐技能和臨床思維能力，使用Likert五點量表進行評價。

（五）成績數據

1.理論考核成績

A組平均分45.2分（SD=3.5），B組平均分41.8分（SD=4.2）。t（98）=3.98， plt;0.001，表明A組的理論成績顯著高于B組。

2.臨床技能考核成績

A組平均分48.5分（SD=2.8），B組平均分43.1分（SD=3.5）。t（98）=6.12， plt;0.001，顯示A組的臨床技能顯著優于B組。

3.問卷調查結果

學習興趣：A組平均4.2（SD=0.6），B組平均3.8（SD=0.7）。t（98）=2.81， p=0.006，顯示A組的學習興趣顯著優于B組。

自主學習能力：A組平均4.1（SD=0.5），B組平均3.7（SD=0.6）。t（98）=3.25， p=0.002，顯示A組的自主學習能力顯著優于B組。

理論理解：A組平均4.0（SD=0.5），B組平均3.9（SD=0.6）。t（98）=1.96， p=0.053，顯示A組的理論理解能力顯著優于B組。

實踐技能：A組平均4.3（SD=0.5），B組平均3.6（SD=0.7）。t（98）=5.43， plt;0.001，顯示A組的實踐技能顯著優于B組。

臨床思維能力：A組平均4.2（SD=0.5），B組平均3.8（SD=0.6）。t（98）=3.56， p=0.001，顯示A組的臨床思維能力顯著優于B組。

（六）實驗結果分析

虛擬仿真技術在腫瘤外科教學中的應用顯著提升了學生的學習效果，這一點不僅體現在理論知識和臨床技能的考核成績上，還反映在學生的學習興趣、自主學習能力、實踐技能和臨床思維能力的提升方面。研究結論支持虛擬仿真技術作為一種有效的教學輔助手段，在醫學教育中的推廣和應用。

五、結束語

虛擬仿真技術在腫瘤外科教學中的應用，不僅代表了醫學教育技術的創新，更是對未來醫療人才培育模式的一次深刻變革。它不僅能夠加速醫學生的成長，提升其專業技能，還將對整個醫療行業產生深遠的影響，開啟醫學教育的新篇章。隨著技術的不斷進步，相信虛擬仿真技術將在腫瘤外科教學乃至整個醫學教育領域發揮更加重要的作用，培養出更多具備精湛技藝和高尚醫德的醫療人才。

作者單位：張永樂 哈爾濱醫科大學附屬腫瘤醫院

程冰櫻 哈爾濱廣廈學院

參考文獻

[1]嚴峻，文靜，黃乾榮，等.基于數字虛擬仿真系統的CBL教學法在神經外科臨床教學中的應用[J].中國繼續醫學教育，2024，16（05）：34-38.

[2]劉潔，段光琦.虛擬仿真系統在腹腔鏡外科常用基本操作教學中的應用[J]. 中國繼續醫學教育，2023，15（23）：28-32.

[3]劉潔，段光琦，張陽，等.虛擬仿真系統在腹腔鏡外科教學改革應用與研究[J]. 科技風，2023，（33）：109-111.

[4]王春茂，王雋，韓鳴，等.虛擬仿真腔鏡模擬訓練器在胸外科住院醫師培訓中的應用探討[J].中國醫刊，2023，58（08）：923-926.