李 鑫，單雯釧，陸乘俊，朱 吉

(1.上海長(zhǎng)海醫(yī)院胸外科，上海 200433；2.上海長(zhǎng)海醫(yī)院腎內(nèi)科門(mén)診，上海 200433；3.江蘇省泰州市中醫(yī)院胸外科，江蘇 泰州 225300)

外科手術(shù)操作通常具有較高的風(fēng)險(xiǎn)性與復(fù)雜性，加之醫(yī)學(xué)倫理及醫(yī)患溝通等多方面現(xiàn)實(shí)約束，外科學(xué)傳統(tǒng)技能培訓(xùn)方式正面臨巨大挑戰(zhàn)。胸心外科作為一門(mén)實(shí)踐性與專業(yè)性極強(qiáng)的學(xué)科，涉及病種較多，新理論、新技術(shù)迭代較快，診治過(guò)程中需要影像學(xué)、解剖學(xué)及麻醉學(xué)等多學(xué)科體系支撐，且常需建立復(fù)雜的體外循環(huán)，使得醫(yī)師培養(yǎng)周期偏長(zhǎng)。在既往實(shí)習(xí)帶教、住院醫(yī)師規(guī)范化培訓(xùn)及專科醫(yī)師培訓(xùn)等教學(xué)活動(dòng)中，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)前胸心外科臨床教學(xué)資源相對(duì)欠缺。特別是在當(dāng)前患者自我保護(hù)意識(shí)增強(qiáng)、臨床教學(xué)配合度不高的現(xiàn)狀下，臨床教學(xué)受掣于無(wú)法直觀、高效地開(kāi)展教學(xué)，胸心外科知識(shí)對(duì)于這些年輕的初學(xué)者而言，難免更顯抽象、復(fù)雜。為了幫助學(xué)員在有限的輪轉(zhuǎn)時(shí)間內(nèi)理解并掌握胸心外科多發(fā)病、常見(jiàn)病的診療，了解基本手術(shù)操作技術(shù)，該學(xué)科的教學(xué)方式方法亟待提升。本文聚焦于此，對(duì)本團(tuán)隊(duì)在胸心外科一線臨床教學(xué)中的探索與體會(huì)作一論述。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)歷經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展與進(jìn)步，如今在各行各業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，從娛樂(lè)休閑到教育培訓(xùn)，從醫(yī)療診斷到科學(xué)研究，該技術(shù)的強(qiáng)大影響力與日俱增。近年來(lái)，該技術(shù)逐漸滲透融入醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域，成效突出，預(yù)期在這一領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述

虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality)技術(shù)最早可以追溯到20世紀(jì)60年代的美國(guó)，其概念由Richard I.Land等學(xué)者提出，主要指利用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)構(gòu)建虛擬仿真的三維場(chǎng)景，用戶可以借助配套的交互裝備，通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)等感知覺(jué)全方位、無(wú)限制地與虛擬場(chǎng)景中的事物實(shí)時(shí)互動(dòng)，從而產(chǎn)生身臨其境的逼真感受，并且能夠有針對(duì)性地對(duì)其進(jìn)行重復(fù)操作和設(shè)計(jì)改造[1]。在問(wèn)世初期，這一技術(shù)曾用于美軍作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)，后經(jīng)改進(jìn)逐漸面向商業(yè)化。

目前，隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和電子計(jì)算機(jī)等軟、硬件水平快速提升，VR技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用邁上了新的臺(tái)階，在設(shè)計(jì)、藝術(shù)、醫(yī)學(xué)、教學(xué)以及產(chǎn)品銷(xiāo)售等領(lǐng)域大放異彩。例如，波音公司在設(shè)計(jì)777型運(yùn)輸飛機(jī)的時(shí)候就曾采用無(wú)紙化的設(shè)計(jì)方式，并通過(guò)VR技術(shù)將設(shè)計(jì)模板投射在真實(shí)工作臺(tái)上，從而簡(jiǎn)化建造過(guò)程，提高工作效率[2]。在國(guó)內(nèi)，由于起步較晚，VR技術(shù)的發(fā)展稍顯滯后，但目前已經(jīng)獲得多方重視，相關(guān)的研究和應(yīng)用正如火如荼展開(kāi)。例如，北京航空航天大學(xué)早年間曾利用VR技術(shù)模擬飛行環(huán)境，輔助開(kāi)展飛行員的技能訓(xùn)練[2]；更有甚者，房地產(chǎn)軟件近年將VR技術(shù)應(yīng)用于看房買(mǎi)房，變革了房地產(chǎn)產(chǎn)品的營(yíng)銷(xiāo)模式。

1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展

VR技術(shù)進(jìn)入到教育領(lǐng)域后，因其沉浸性(immersion)、交互性(interaction)和構(gòu)想性(imagination)等特點(diǎn)廣受師生青睞[3]。在教學(xué)過(guò)程中，VR技術(shù)可以向?qū)W生展現(xiàn)立體仿真三維圖像，并為其提供逼真的感官體驗(yàn)，不僅豐富了教學(xué)內(nèi)容，更有利于教學(xué)過(guò)程的推進(jìn)。此外，為了推動(dòng)教育信息化建設(shè)，教育部等政府部門(mén)出臺(tái)了一系列激勵(lì)政策。2018年，教育部發(fā)布振興教師教育行動(dòng)，并啟動(dòng)國(guó)家虛擬模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，鼓勵(lì)提倡VR技術(shù)在教育、教學(xué)和實(shí)踐中的應(yīng)用[4]。

眾所周知，臨床醫(yī)學(xué)知識(shí)較為抽象復(fù)雜，教學(xué)資源不易獲取，目前高等院校的臨床醫(yī)學(xué)教學(xué)工作普遍遇到瓶頸。如今，VR技術(shù)的普及給臨床醫(yī)學(xué)教學(xué)注入了一支強(qiáng)心劑，許多學(xué)科的教學(xué)工作都應(yīng)用到了這一技術(shù)。

在神經(jīng)外科手術(shù)教學(xué)中，顱腦的空間定位需要扎實(shí)的神經(jīng)解剖和腦影像學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)作為支撐，而這正是神經(jīng)外科教學(xué)中的痛點(diǎn)與難點(diǎn)。利用患者頭顱與血管影像重構(gòu)數(shù)字化手術(shù)標(biāo)本模型，再通過(guò)VR技術(shù)提供移動(dòng)、切割、分離及結(jié)扎等手術(shù)操作，模擬從皮膚切開(kāi)到打開(kāi)骨窗、暴露術(shù)野等過(guò)程，可使學(xué)習(xí)者更快更好地熟悉掌握手術(shù)流程，最大化降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、提高手術(shù)成功率。據(jù)悉，第二軍醫(yī)大學(xué)長(zhǎng)海醫(yī)院已經(jīng)將VR技術(shù)應(yīng)用于神經(jīng)介入手術(shù)的教學(xué)培訓(xùn)，在縮短學(xué)員學(xué)習(xí)曲線，提升受訓(xùn)者手眼協(xié)調(diào)能力等方面作用顯著[5]。

在婦產(chǎn)科臨床教學(xué)培訓(xùn)中，由于女性盆腔解剖結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且臟器多隱匿、形態(tài)抽象。加之?huà)D產(chǎn)科檢查、操作常常涉及隱私部位，患者及其家屬自我防范及隱私保護(hù)意識(shí)較強(qiáng)，可能會(huì)拒絕相關(guān)的檢查示教、帶教，尤其在有男性學(xué)員或醫(yī)生在場(chǎng)的情況下。這些原因給婦產(chǎn)科臨床教學(xué)帶來(lái)了困難和挑戰(zhàn)，也為新技術(shù)的應(yīng)用提供了機(jī)遇。VR技術(shù)可以在倫理許可的情況下，為學(xué)員學(xué)習(xí)提供便利，其中以婦科腹腔鏡的培訓(xùn)應(yīng)用最為廣泛有效。目前，第四代虛擬現(xiàn)實(shí)手術(shù)模擬系統(tǒng)已經(jīng)具備力學(xué)反饋及術(shù)中引導(dǎo)等功能，可以滿足更加多樣化的教學(xué)需求，適配更多的學(xué)員群體[6]。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于胸心外科教學(xué)的可行性分析

2.1 胸心外科教學(xué)改革進(jìn)展

在傳統(tǒng)灌輸式教學(xué)模式的大框架下，胸心外科教學(xué)目前仍以理論講授為主，示教觀摩為輔，遵循“疾病-機(jī)制-癥狀、體征-輔助檢查-治療”的經(jīng)典模式，低年資醫(yī)學(xué)生在學(xué)習(xí)中更注重于疾病概念以及治療方法等基礎(chǔ)理論知識(shí)的記憶。然而，這種教學(xué)方式可能會(huì)使學(xué)員產(chǎn)生慣性，將學(xué)習(xí)效果停留在紙面答題，不利于臨床實(shí)踐工作的開(kāi)展[7]。長(zhǎng)久來(lái)看，“動(dòng)手能力不足”會(huì)進(jìn)一步挫敗學(xué)員的學(xué)習(xí)信心，最終嚴(yán)重影響臨床教學(xué)效果。因此，胸心外科的教學(xué)需要更加注重與臨床工作的密切聯(lián)系，并適當(dāng)豐富教學(xué)手段。

通過(guò)大量的研究與實(shí)踐，胸心外科教學(xué)改革取得了一定的進(jìn)展。崔新征等人[7]認(rèn)為，問(wèn)題導(dǎo)向式學(xué)習(xí)(problem-based learning，PBL)從提出問(wèn)題切入教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)員在提出問(wèn)題、思考問(wèn)題和解決問(wèn)題，在提高學(xué)員學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)，對(duì)其臨床操作技能的提升也大有裨益。除此以外，談夢(mèng)偉等人[8]對(duì)CBL、PBL聯(lián)合Paper Review教學(xué)模式在住院醫(yī)師規(guī)范化培訓(xùn)胸心外科臨床教學(xué)中的效果進(jìn)行了深入研究，張冠鑫等人[9]則探討了互動(dòng)式教學(xué)模式在胸心外科實(shí)習(xí)、見(jiàn)習(xí)教學(xué)中的應(yīng)用，均取得較好成效。然而，這些方法均存在自身難以克服的缺陷，并未廣泛鋪開(kāi)應(yīng)用。

2.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于胸心外科教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

外科學(xué)對(duì)解剖學(xué)的依賴程度較高，術(shù)者通常需要對(duì)局部解剖構(gòu)造及鄰近器官毗鄰關(guān)聯(lián)有著清晰的認(rèn)識(shí)，才能保證術(shù)中的操作準(zhǔn)確、處變不驚。然而據(jù)悉，在美國(guó)的醫(yī)學(xué)教育中，解剖學(xué)教學(xué)實(shí)踐已經(jīng)從350小時(shí)(1955年)銳減到149小時(shí)(2009年)[10]，加之大體標(biāo)本來(lái)源缺乏、不便重復(fù)使用等條件約束，傳統(tǒng)解剖學(xué)教學(xué)資源顯得捉襟見(jiàn)肘[11]。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，自1995年至2000年間，由于解剖學(xué)錯(cuò)誤導(dǎo)致的醫(yī)療索賠案件增長(zhǎng)了7倍之多[12]。由此可見(jiàn)，傳統(tǒng)解剖學(xué)教學(xué)已經(jīng)不能適應(yīng)外科學(xué)，尤其是外科臨床工作的實(shí)踐需求。對(duì)于胸心外科而言，由于胸腔重要臟器集中，解剖形態(tài)與毗鄰關(guān)系相對(duì)復(fù)雜，稍有失誤即可釀成大錯(cuò)，對(duì)相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)和操作技能的要求極高。

在傳統(tǒng)手術(shù)示教、帶教中，學(xué)員常作為第二助手參與手術(shù)，因位置距術(shù)野較遠(yuǎn)，無(wú)法直觀清晰地觀察了解心肺的解剖結(jié)構(gòu)。VR技術(shù)目前集成了雙目立體視覺(jué)、觸覺(jué)反饋、位置跟蹤以及立體聲等技術(shù)，可為用戶提供實(shí)時(shí)的虛擬視覺(jué)、觸覺(jué)、運(yùn)動(dòng)以及聽(tīng)覺(jué)感知體驗(yàn)。特別是VR模型可以進(jìn)行拆分及切割，使得觀察沒(méi)有死角，有助于全方位觀察。此外，VR教學(xué)資源可以重復(fù)利用，學(xué)員可以有針對(duì)性地重復(fù)學(xué)習(xí)，在復(fù)習(xí)鞏固中形成多維記憶；也正是由于其可重復(fù)利用的特性，也便于教學(xué)流程和內(nèi)容的標(biāo)準(zhǔn)化，減少教學(xué)過(guò)程中的隨機(jī)誤差。再者，由于VR常基于影像學(xué)數(shù)據(jù)重構(gòu)，因而在解析、拆分方面有著天然的優(yōu)勢(shì)，一方面可以按照學(xué)習(xí)者意愿改變比例與角度，顯示心瓣膜等內(nèi)部結(jié)構(gòu)，另一方面還可進(jìn)行術(shù)前后以及個(gè)體間的比較分析，利于直觀感受個(gè)體及手術(shù)差異，建立個(gè)性化診療觀念。

2.3 教學(xué)設(shè)計(jì)舉例

本團(tuán)隊(duì)計(jì)劃開(kāi)展VR教學(xué)，并進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)，擬選取成人先天性心臟病患者數(shù)名，涵蓋房間隔缺損、室間隔缺損、法洛氏四聯(lián)癥等教科書(shū)常見(jiàn)病種，所有患者均需手術(shù)治療。術(shù)前，對(duì)患者進(jìn)行造影劑增強(qiáng)的CT數(shù)據(jù)采集，明確心臟病理解剖構(gòu)造，對(duì)圖像數(shù)據(jù)擇優(yōu)進(jìn)行下一步分析。隨后，將原始CT數(shù)據(jù)導(dǎo)入到3D建構(gòu)軟件，并進(jìn)行相應(yīng)技術(shù)操作，分割、切除與心臟三維模型粘連的臨近解剖結(jié)構(gòu)，導(dǎo)出可用于VR顯示的心臟三維模型。緊接著，通過(guò)相應(yīng)軟件對(duì)心臟三維模型進(jìn)行局部透明化、色彩渲染等美化加工，最終在頭戴式顯示設(shè)備中進(jìn)行360°全景立體顯示，學(xué)員可通過(guò)操作手柄實(shí)現(xiàn)縮放、旋轉(zhuǎn)、拆分及切割等交互操作。在本次教學(xué)過(guò)程中，目標(biāo)人群主要為實(shí)習(xí)生、住院醫(yī)師規(guī)范化培訓(xùn)學(xué)員等低年資醫(yī)師，應(yīng)用基于李克特量表(Likert Scale)的自編量表[13]對(duì)教學(xué)效果(學(xué)員認(rèn)可程度)進(jìn)行收集，匯總分析后用于指導(dǎo)下一步改進(jìn)。

3 應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)展胸心外科教學(xué)可能存在的問(wèn)題

早年間，Heng等人[14]開(kāi)發(fā)了VR關(guān)節(jié)鏡手術(shù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能為學(xué)習(xí)者提供相當(dāng)逼真的觸覺(jué)反饋。由于胸心外科手術(shù)操作較復(fù)雜，VR在該領(lǐng)域的應(yīng)用尚且不多。Friedl等[15]利用VR建模語(yǔ)言在計(jì)算機(jī)中構(gòu)建了交互式的3D心臟模型，但其與真實(shí)心臟結(jié)構(gòu)仍有明顯差異。近年，Ong等用[16]計(jì)算機(jī)斷層攝影術(shù)(computed tomography，CT)數(shù)據(jù)構(gòu)建了虛擬心臟模型，用于先天性心臟病患兒術(shù)前解剖評(píng)估與手術(shù)規(guī)劃。

從技術(shù)層面而言，盡管CT數(shù)據(jù)有著易獲取、對(duì)比度高等諸多優(yōu)勢(shì)，在心血管掃描時(shí)還可應(yīng)用心電門(mén)控和心電觸發(fā)技術(shù)減少運(yùn)動(dòng)微影，但仍會(huì)不可避免地出現(xiàn)圖像失真，構(gòu)建出的心臟模型也差強(qiáng)人意。從教學(xué)互動(dòng)上來(lái)說(shuō)，VR手術(shù)模擬教學(xué)系統(tǒng)很難提供逼真的溫濕度、觸覺(jué)等手感反饋，可能造成訓(xùn)練與現(xiàn)實(shí)操作的脫節(jié)。從推廣應(yīng)用層面來(lái)看，VR設(shè)備及配套軟件價(jià)格昂貴，且在采集、構(gòu)建教學(xué)資源的過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜，一方面對(duì)授課教師的備課質(zhì)量提出更高要求，另一方面也對(duì)大班授課提出更大挑戰(zhàn)。此外，VR是虛擬環(huán)境，可能在一定程度上影響學(xué)員的專注度，給其留下“失敗可以重來(lái)”的依賴性，不利于培養(yǎng)真實(shí)手術(shù)環(huán)境下的抗壓和專注能力。

4 結(jié)語(yǔ)及展望

VR技術(shù)首次應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生保健領(lǐng)域大約在20世紀(jì)90年代初，目前已經(jīng)取得較為廣泛的應(yīng)用，常用于術(shù)前規(guī)劃及模擬手術(shù)等。在臨床醫(yī)學(xué)教學(xué)中，VR技術(shù)以其仿真性、可交互性和可重復(fù)性等諸多優(yōu)勢(shì)，成為當(dāng)今多媒體輔助教學(xué)的重要發(fā)展方向之一。近些年，國(guó)內(nèi)部分院校、醫(yī)院已經(jīng)在心血管外科、神經(jīng)外科、泌尿外科及脊柱外科等學(xué)科的教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中成功開(kāi)展VR教學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用，效果值得肯定。盡管該技術(shù)仍存在些許不足，但仍被認(rèn)為在外科教學(xué)擁有較好的應(yīng)用前景。鑒于目前VR技術(shù)用于胸心外科教學(xué)鮮有報(bào)道，教學(xué)資源的收集整理工作有待逐步開(kāi)展，VR培訓(xùn)教材的匯編以及VR手術(shù)室平臺(tái)系統(tǒng)的構(gòu)建或?qū)⒊蔀閮蓚€(gè)重要的研究方向。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突

作者貢獻(xiàn)聲明李鑫、單雯釧：撰寫(xiě)及修改論文；陸乘俊，朱吉：論文構(gòu)思、總體把關(guān)