基于虛擬現實技術的外科教學系統在外科手術器械教學中的應用

王 萌，沈 艷，何寧寧，周玉皆，管文賢

南京大學醫學院附屬鼓樓醫院：1.普通外科；2.教育處， 南京 210008

虛擬現實(virtual reality，VR)是指利用計算機產生三維的虛擬世界，得到逼真的視覺、聽覺、觸覺的感知效果，使人產生身臨其境的感覺，如同置身于真實世界一樣。VR技術在醫學方面的應用具有十分重要的現實意義。近年來，VR技術在醫學領域得到了廣泛的應用[1]：VR技術和5G技術的結合，可以讓偏遠地區的醫師實時觀看世界一流外科醫師的手術細節[2]；在內窺鏡檢查等操作的培訓中，VR技術體現出明顯的優勢和應用前景[3]；VR技術還可以通過虛擬現實暴露療法治療成人和兒童的心理疾病[4]；另外，VR技術在解剖學教學、復雜疑難手術設計、疾病健康宣教和術后疼痛緩解等領域也取得了很大的進展[5]。

在外科教學中，外科手術器械教學是重要的基礎課程，掌握外科常規手術器械的名稱和用法是每一個醫學生必修的課程，也是外科醫師重要的啟蒙教學。在既往教學實踐中，學生接觸外科手術器械的機會較少，容易混淆器械名稱，也容易忘記器械的具體使用方法。因此，外科手術器械的辨認是醫學生外科教學的重點和難點之一。該研究擬通過一種自主開發的基于VR技術的外科手術器械教學系統的應用，探討VR技術在醫學生外科教學中的應用價值。

1 VR教學系統的設計和開發

該教學系統為南京大學醫學院附屬鼓樓醫院教育處模擬教研室自主開發的外科器械教學考核系統。即利用虛擬現實仿真場景化等特點，可在固定空間中模擬手術室場景，進行外科常規器械的教學和考核，可容納40～80人進行虛擬化教學、體驗、講解和評測。

虛擬現實交互設備：采用HTC Vive顯示及定位系統，包括頭盔+體感控制手柄、主控電腦、LED顯示大屏、數據庫主機、教室中央控制集成器。

場地要求：單人系統采用紅外定位技術，場地面積要求 4～12 m2；多人系統采用激光定位技術，場地面積要求 15～50 m2。

VR教學系統包括VR器械教學模塊和VR器械考核模塊，學生通過賬號登錄進入相關模塊。在教學模塊中，學生進入模擬手術室場景，通過手柄選擇不同的外科器械，選中后可以放大觀察并觀看相關器械術中使用的視頻。進入考核模塊即進入模擬考場，在規定時間內回答選擇題，題目內容包括器械名稱、器械使用方法、相似器械的識別等?？己送瓿珊笙到y自動打分。

采用3Ds Max軟件將手術器械實物建模；采用Vi- sual Studio進行手術室實景建模；采用Unity3D軟件編寫VR教學模塊和考核模塊。程序調試完成后，學生戴上HTC Vive頭盔和手柄后，輸入學生賬號登錄系統。

2 相關具體內容展示

血管鉗、持針鉗、三角針、海綿鉗、組織鉗、線剪、組織剪、拉鉤等常用器械建模形成3D影像(如圖1所示)。

2．高校校園文化建設物化傾向比較嚴重。高校物質文化環境的營造，應該充分體現學校的辦學特色和人才培養宗旨，表現出辦學歷史的文化積淀與獨特魅力。然而近年來，部分高校在校園文化建設中過分強調物質建設、崇尚現代化，氣派的教學樓、奢華的裝修、高檔的設備等，造成了人力、物力、財力的資源浪費，這些不僅未能體現高校的文化底蘊和歷史發展特點，而且與生態文明建設精髓嚴重背道而馳。部分高校師生沒有形成保護生態、勤儉節約的理念，普遍存在辦公室資源浪費、教室長明燈、食堂飯菜傾倒等現象，出現宿舍違章用電、破壞公共設施等行為。

圖1 VR系統中的手術器械建模圖像

在VR模擬手術室場景中可以看到手術器械臺上的各種手術器械，操作VR手柄可以選擇不同的手術器械。操作HTC手柄可以對手術器械進行360°的觀察和放大辨認，同步觀看相關器械的手術操作視頻(如圖2所示)。

圖2 VR系統中的教學畫面

以南京大學醫學院臨床醫學專業五年級(2015級)81名醫學生為研究對象，隨機分為試驗組(n=40)和對照組(n=41)，分別采用基于虛擬現實技術的外科教學系統和傳統的課堂教學方式進行學習。每組配有兩位教師(其中一位為助教)。

試驗組學生戴上VR頭盔和手柄，語音輸入賬號，登錄系統。首先進入模擬手術室，系統提示教學目的和內容；然后學生操作VR手柄選擇相應的手術器械，觀察和放大辨認，同步觀看手術視頻；完成VR器械教學后可選擇進入VR考核模塊，在規定時間內完成題庫中選擇題和案例題的解答，系統自動打分。

對照組通過教師課堂授課的教學方式，將常用手術器械(如血管鉗、線剪、組織剪、持針鉗、三角針、海綿鉗、組織鉗、拉鉤等)的特征及使用方法逐一向學生進行講解，講解時會通過PPT展示器械照片及其在術中應用的圖片；然后分發手術器械，學生對照實物理解記憶所講內容。

教學完成后兩組學生接受相同形式的現場理論考核和教學滿意度調查。

現場理論考核考核內容按照教學大綱的要求進行出題?，F場考核共10道題，題目內容包括器械名稱選擇(30分)、相似器械的辨認(30分)、器械的使用方法(40分)，滿分為100分。

教學滿意度調查向學生發放自制調查問卷，問卷內容包括：對培訓內容是否感興趣、是否達到了預期教學效果、對下次培訓是否期待、對教學方式的評價(新穎性和實用性)、你認為這種教學方式有什么優缺點；另外，向任課教師發放調查問卷，對課程中學生的專注度進行評分(低、中、高)。

3 結果

研究共入組81人。其中，試驗組40人，平均年齡22.35歲，男性22人，女性18人；對照組41人，平均年齡22.37歲，男性18人，女性23人；所有研究對象均參加現場理論考核和教學滿意度調查，發放調查問卷81份，回收81份。

該研究采用現場理論考核的方式，滿分100分，題型均為單項選擇。器械名稱選擇共10題，每題3分，共30分；相似器械辨認共10題，每題3分，共30分；器械使用方法共10題，每題4分，共40分?？己顺煽內绫?所示。兩組總分比較無顯著差異(85.05±5.80 vs 83.20±6.49，P=0.179)。試驗組在器械使用方法題的得分高于對照組，差異具有統計學意義(35.85±2.54 vs 33.25±2.92，P=0.0047)。

表1 兩組學生現場理論考核得分情況

該研究向試驗組發放調查問卷40份，回收有效問卷40份。結果顯示：95.0%的學生對培訓內容感興趣，85.0%的學生認為達到了預期的教學效果，77.5% 的學生對下次的基于VR技術教學系統的培訓很期待，70.0%的學生無不適反應，30.0%的學生有頭暈、眼睛不舒服等不適反應。該研究向對照組發放調查問卷41份，有效卷41份。結果顯示：85.4%的學生對培訓內容感興趣，80.5%的學生認為達到了預期的教學效果，65.9%的學生對下次器械培訓很期待。兩組興趣度差異無統計學意義(95% vs 85.4%，P=0.146)。

教師對學生的專注度評分顯示：VR教學過程中95%的學生專注度高，課堂教學過程中78%的學生專注度高，兩組學生專注度比較，差異具有統計學意義(P=0.026)。

學生對兩種教學方式的反饋意見如表2所示。

表2 兩組學生對教學方式的反饋

4 討論

近二十年來，模擬培訓在外科教學當中的作用越來越得到重視。研究證明，外科教學中采用模擬培訓可以提高教學效率，降低成本并提高患者安全性[6]。模擬培訓的方法隨著技術的進步而不斷發展，模擬培訓和VR技術的應用已經改變了21世紀外科醫師的傳統教學方式[7]。Van Dongen K W等[8]利用VR模擬器對不同資歷的醫師進行訓練，結果證明VR模擬器不僅能提高新醫師的手術操作技能,而且對于有經驗的醫師也有幫助。針對一些復雜疑難手術(例如連體嬰兒分離手術等)，在術前進行虛擬現實的模擬手術，有助于外科醫師取得成功[9]。職康康等[10]研究發現，VR學習可以增加醫學生的學習興趣，使醫學生對血管外科手術產生更深刻、更全面的認識。VR技術是一個跨學科的綜合集成技術，其在外科教學中的具體優勢包括：

①身臨其境的新鮮感該技術的應用可以顯著提高學生的興趣和關注度，學生可以自主學習，有很強的參與性和互動性。

②突破傳統教學限制該技術的應用可以模擬急診及突發事件，比如模擬術中大出血搶救，模擬突發的災難應急事件等。

③可以觀看橫切面及動畫圖像可以360°旋轉或放大，突破了靜態觀察的視覺局限性，比如外科手術器械可以放大觀察，比較圓針和三角針的細微差別，比較有齒鑷和無齒鑷的差別。

④可以量化/自動記錄結果通過VR系統自動計分系統進行考核，可以分析學生操作的不足和進步之處，節省了教師的人力成本。

⑤成本更便宜傳統教學使用活體動物標本進行外科解剖教學，需要購買新鮮的動物標本，需要專門的冰箱保存，費用高昴且使用時間受到限制。而VR教學是虛擬系統，幾乎無器材耗費，不受時間、場地和保存設備的限制，具有明顯的成本優勢，彌補了教學條件的不足。

⑥倫理學優勢考慮到實驗動物保護及福利，VR模擬的動物標本可以減少活體動物標本的使用，符合國際醫學教學的主流趨勢。

在該研究中，試驗組的興趣度和專注度明顯高于對照組，這是因為試驗組的學生對VR這種形式有新鮮感。在佩戴VR頭盔和手柄后，學生有一種玩VR游戲的感覺，能很快適應并投入其中?，F場理論考核表明，試驗組的平均成績和對照組無顯著差異，表明兩組學生教學的接受程度相近，均達到了教學大綱的要求。研究發現，試驗組在器械使用方法題的得分顯著高于對照組(35.85±2.54 vs 33.25±2.92，P=0.0047)，提示試驗組的學生對于器械使用方法的理解更加深入。分析兩組差異的原因，筆者認為VR系統能實時展示器械模型和手術視頻，學生對自己不熟悉的器械可以反復觀看，并放大觀察細節，使學生有了直觀的感受和沉浸式的體驗；而對照組教學采用的是實物講解結合圖片演示，這樣的教學方法雖然優于僅用教科書上的照片教學，但缺少互動交流和重復學習反饋，學生短時間很難完全消化所學知識。劉思怡等[11]研究認為，VR技術的應用能縮短學習曲線，改善傳統臨床教學中模擬訓練量不足的問題。一項Meta分析[12]發現，采用VR模擬內窺鏡學習的受訓者，在技術、非技術技能和患者舒適度等方面都有所提高。如果我們將VR教學和現場觸摸感知器械實物相結合的話，也就是通過增強現實的方法進行教學，相信教學效果會更好。

虛擬現實技術是計算機圖形學、人機交互技術、人工智能技術結合的產物。虛擬教學平臺為學生提供了逼真的手術室環境，學生更加愿意主動地學習，而不是被動地被灌輸各種知識[13]。虛擬現實教學正在成為傳統教學的必要補充，但不能完全取代傳統的教學方法[14]。該研究問卷調查顯示：95%的學生認為VR教學方式新穎性強，總體滿意度高，學生易于接受授課內容；但仍有30%的學生認為VR教學系統實用性不強，主要因為部分學生有頭暈、眼睛不舒服等不適反應。除了外科基本技能培訓，在內鏡操作培訓和模擬手術方面VR技術還有一些不足之處值得深入研究，比如VR操作缺乏力反饋的問題，以及VR模擬手術如何實現團隊配合的問題。孫明等[15]研究發現，長時間使用VR設備可能引起疲勞不適，且交叉佩戴可能傳播眼部疾病。因此，我們需要客觀地看待虛擬現實技術的優勢和弊端，充分發揮VR教學的特點，增強學生對外科學手術的感性認識，激發他們的學習興趣；同時，也要充分認識到VR教學還存在很多不足之處，還需要我們不斷探索和改進。只有將虛擬現實教學和傳統的現實場景教學緊密結合在一起，才能帶來教學質量的真正提高。