虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在獸醫(yī)腹腔鏡技能訓(xùn)練中的應(yīng)用

葛延松 宋軍 王崢 呂紅明 孫東波 鄭家三

摘 要：腹腔鏡是最常用的微創(chuàng)外科技術(shù)之一，具有局部解剖精細(xì)、減少痛苦、術(shù)后恢復(fù)快及降低傷口感染風(fēng)險(xiǎn)等優(yōu)點(diǎn)。缺乏標(biāo)準(zhǔn)的培訓(xùn)規(guī)程、缺少專用于獸醫(yī)外科手術(shù)的訓(xùn)練設(shè)備等因素，是限制腹腔鏡手術(shù)在獸醫(yī)臨床開展的重要原因。虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）是通過數(shù)字化軟件系統(tǒng)創(chuàng)建和模擬真實(shí)世界的技術(shù)，用戶可以借助視覺、聽覺及觸覺等多種傳感通道與模擬產(chǎn)生的虛擬世界進(jìn)行交互。獸醫(yī)外科醫(yī)師的教學(xué)、培訓(xùn)和考核可以使用VR腹腔鏡訓(xùn)練系統(tǒng)，幫助醫(yī)師快速積累經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)完整的腹腔鏡手術(shù)模擬訓(xùn)練過程，在獸醫(yī)外科手術(shù)教學(xué)領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí);腹腔鏡技能;獸醫(yī)外科手術(shù);模擬訓(xùn)練

中圖分類號(hào) G642.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2021）21-0088-03

Abstract： Laparoscopy is one of the most commonly used minimally invasive surgical techniques， which has the advantages of finer local anatomy， less pain， faster postoperative recovery and reduced risk of wound infection. However， the lack of standard training procedure and training equipment dedicated to veterinary surgery are important factors that limit the development of laparoscopic surgery in veterinary clinics. Virtual Reality （VR） is a technology that creates and simulates the real world through digital software system， users can interact with the virtual world generated by simulation through multiple sensing channels such as visual， auditory， and tactile feedback. VR laparoscopic training system can be applied to the teaching， training and assessment of surgeons， help surgeons quickly accumulate experience and realize complete laparoscopic surgery simulation training process， which has obvious advantages in the field of medical teaching.

Key words： Virtual reality; Laparoscopic skills; Veterinary surgery; Simulation training

腹腔鏡技術(shù)是利用腹腔鏡和相關(guān)手術(shù)設(shè)備進(jìn)行手術(shù)的技術(shù)。近年來，隨著獸醫(yī)臨床診療技術(shù)的不斷提高，腹腔鏡技術(shù)已逐漸應(yīng)用于獸醫(yī)臨床并得到了認(rèn)可。腹腔鏡手術(shù)可實(shí)現(xiàn)卵巢切除/卵巢子宮切除、胃腸切開及固定、膽囊切除、腎囊腫開窗及腎上腺腫瘤切除等，腹腔鏡手術(shù)在小動(dòng)物術(shù)后的康復(fù)方面具有明顯的優(yōu)勢。

將常規(guī)微創(chuàng)外科培訓(xùn)納入獸醫(yī)外科手術(shù)是受重點(diǎn)關(guān)注的問題，但是用于獸醫(yī)腹腔鏡訓(xùn)練的大多是由人醫(yī)微創(chuàng)手術(shù)的模擬器組成，解剖結(jié)構(gòu)、術(shù)式的差異、體外模型與體內(nèi)實(shí)際操作的區(qū)別，導(dǎo)致其學(xué)習(xí)曲線更長、更復(fù)雜，將訓(xùn)練經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為實(shí)際手術(shù)經(jīng)驗(yàn)的效率低下[1]。為此，本文介紹了獸醫(yī)腹腔鏡技能的訓(xùn)練模式進(jìn)行介紹，分析不同訓(xùn)練方法的優(yōu)勢。

1 VR在手術(shù)技能訓(xùn)練中的應(yīng)用

VR技術(shù)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，綜合圖形、仿真、傳感和顯示等科技，生成具有逼真的視覺、聽覺和觸覺效果的虛擬環(huán)境，其創(chuàng)造出的三維圖形環(huán)境能夠反映事物的變化及其相互作用規(guī)律。通過VR顯示器和輔助傳感設(shè)備可以進(jìn)入虛擬環(huán)境，提供沉浸式的觀察角度，并可以進(jìn)行交互操作。

隨著VR技術(shù)的不斷發(fā)展，獸醫(yī)教育人員意識(shí)到將VR應(yīng)用于外科手術(shù)的教學(xué)和訓(xùn)練是非常必要的。利用VR技術(shù)建立的醫(yī)學(xué)模擬系統(tǒng)能夠使訓(xùn)練者在真實(shí)、安全的環(huán)境下完成學(xué)習(xí)和訓(xùn)練過程，因而在外科領(lǐng)域的應(yīng)用前景極為廣闊。目前，多種VR手術(shù)模擬系統(tǒng)可供醫(yī)師使用，在模擬機(jī)上進(jìn)行腹腔鏡手術(shù)的基本技能訓(xùn)練和各類型的手術(shù)操作，從而大大提高了醫(yī)師的手術(shù)技能，縮短了培訓(xùn)周期。

VR訓(xùn)練系統(tǒng)生成的手術(shù)模擬可以為外科醫(yī)師提供一個(gè)培訓(xùn)平臺(tái)，使其能夠進(jìn)行以虛擬病人為主體的手術(shù)培訓(xùn)，以自己的速度獨(dú)立進(jìn)行手術(shù)訓(xùn)練，快速培養(yǎng)外科醫(yī)師的手術(shù)技能，減少實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的使用。通過沉浸式的環(huán)境體驗(yàn)和實(shí)時(shí)交互功能，提高對手術(shù)器械的使用和手術(shù)操作的掌握，使外科培訓(xùn)盡可能貼近實(shí)操，提高臨床技能水平。VR訓(xùn)練系統(tǒng)也可以用來計(jì)劃和模擬的手術(shù)過程，在不給患者帶來風(fēng)險(xiǎn)的情況下反復(fù)進(jìn)行復(fù)雜手術(shù)的演練，從而降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，并為更好地應(yīng)對手術(shù)室的壓力做好準(zhǔn)備。此外，VR訓(xùn)練系統(tǒng)還可以應(yīng)用于外科醫(yī)師的教學(xué)、培訓(xùn)和考核，用于篩選或選拔具有發(fā)展為外科職業(yè)醫(yī)師潛力的學(xué)生，通過模擬訓(xùn)練預(yù)測其在手術(shù)中取得成功的幾率，也可以作為腔鏡醫(yī)師培訓(xùn)或執(zhí)業(yè)認(rèn)證的平臺(tái)[2]。

2 腹腔鏡技能訓(xùn)練的模式

腹腔鏡技術(shù)的特點(diǎn)決定了其學(xué)習(xí)曲線的起點(diǎn)高于傳統(tǒng)的開腹手術(shù)，需要一套基于器械、深度感知以及在狹窄空間中進(jìn)行精細(xì)運(yùn)動(dòng)控制的技能訓(xùn)練，學(xué)習(xí)周期較長。傳統(tǒng)的腹腔鏡訓(xùn)練可選擇動(dòng)物活體、尸體、模擬訓(xùn)練箱等，雖然動(dòng)物活體和尸體具有逼真的解剖結(jié)構(gòu)和組織質(zhì)地的優(yōu)勢，但它們的維護(hù)成本昂貴，不能年復(fù)一年的使用。腹腔鏡模擬訓(xùn)練箱是目前廣泛用于腹腔鏡技能訓(xùn)練的選擇，適用于技能訓(xùn)練的初始階段，這種模擬器相對便宜，訓(xùn)練中心可以配備多臺(tái)，以減少不同訓(xùn)練課程之間的時(shí)間消耗。

腹腔鏡技能訓(xùn)練首先應(yīng)學(xué)習(xí)利用顯示器上的二維圖像反饋，在三維環(huán)境中操作器械，達(dá)到手眼協(xié)調(diào)的效果。當(dāng)熟悉了在腹腔鏡下的定位后，進(jìn)一步練習(xí)在狹窄空間中的精細(xì)操作。在訓(xùn)練板上進(jìn)行分離、切割和縫合等操作，達(dá)到協(xié)調(diào)雙手操作、適應(yīng)腔鏡器械的效果。腹腔鏡的訓(xùn)練項(xiàng)目需要包含特定的任務(wù)，德克薩斯大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心[3]為實(shí)習(xí)生制定了系統(tǒng)的訓(xùn)練課程：（1）棋盤訓(xùn)練：使用抓鉗夾持不同的金屬圖形（字母A～H、數(shù)字1～8），調(diào)整圖形方向并將其放入4×4棋盤的凹槽中。（2）拾豆訓(xùn)練：分別抓住5顆豆子，移動(dòng)15cm后將其準(zhǔn)確放入直徑1cm的孔中。操作時(shí)慣用手使用器械抓持豆子，非慣用手移動(dòng)腹腔鏡以提供視野。（3）繩子移動(dòng)訓(xùn)練：使用2把抓鉗將一根140cm的繩子從一端移動(dòng)到另一端，訓(xùn)練時(shí)只允許在特定的彩色部分抓取繩子，每個(gè)彩色部分間隔12cm，旨在模擬腸管的檢查和移動(dòng)。（4）木塊移動(dòng)訓(xùn)練：持針鉗夾持彎針，使之鉤住木塊頂部的金屬環(huán)，然后移動(dòng)木塊并放到指定位置。（5）縫合訓(xùn)練：使用腔鏡器械將2塊泡沫縫合在一起，并進(jìn)行打結(jié)。

雖然模擬訓(xùn)練箱在腹腔鏡技能訓(xùn)練中的應(yīng)用較為廣泛，但是在模擬訓(xùn)練箱中進(jìn)行的訓(xùn)練與真正的外科手術(shù)、應(yīng)用紗布訓(xùn)練與人體器官之間有著很大的不同，外科醫(yī)師需要想象真正的手術(shù)過程，這是制約培訓(xùn)的主要障礙，導(dǎo)致使用模擬訓(xùn)練箱的培訓(xùn)時(shí)間過長，訓(xùn)練經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為實(shí)際手術(shù)經(jīng)驗(yàn)的效率低下。除了對腹腔鏡外科醫(yī)師進(jìn)行嚴(yán)格的基本技能培訓(xùn)外，醫(yī)生還需要近似真實(shí)手術(shù)環(huán)境的模擬手術(shù)來檢驗(yàn)培訓(xùn)效果，模擬手術(shù)訓(xùn)練只有貼近現(xiàn)實(shí)，才能取得實(shí)效[4]。

3 VR腹腔鏡訓(xùn)練系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

VR腹腔鏡訓(xùn)練系統(tǒng)引入腹腔鏡手術(shù)技能的訓(xùn)練在一定程度上解決了真實(shí)手術(shù)環(huán)境模擬這一問題，將計(jì)算機(jī)技術(shù)與腹腔鏡技術(shù)相結(jié)合，使醫(yī)師從簡單材料的訓(xùn)練中解脫出來，提高了訓(xùn)練效率[5]。另外，腹腔鏡技能訓(xùn)練僅靠重復(fù)是不夠的，VR訓(xùn)練系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是能夠通過數(shù)據(jù)分析客觀評估訓(xùn)練過程的錯(cuò)誤率和操作有效性，通過視覺和聽覺的反饋機(jī)制實(shí)時(shí)提示操作人員，這是在模擬訓(xùn)練箱上無法復(fù)制的。VR訓(xùn)練系統(tǒng)可以幫助醫(yī)師在學(xué)習(xí)過程中快速積累實(shí)操經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)完整的腹腔鏡手術(shù)模擬過程，這是VR技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重要應(yīng)用。從實(shí)習(xí)生和外科醫(yī)師的專業(yè)測試以及應(yīng)用結(jié)果可知，VR腹腔鏡訓(xùn)練系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了腹腔鏡手術(shù)的全過程模擬[6]。該系統(tǒng)的理論知識(shí)庫能夠滿足腹腔鏡初學(xué)者和專業(yè)人員的需求，具有重要的教育意義和現(xiàn)實(shí)意義。

當(dāng)操作人員使用VR訓(xùn)練系統(tǒng)執(zhí)行難度逐漸增加的任務(wù)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)記錄每項(xiàng)任務(wù)所需的時(shí)間和出錯(cuò)的次數(shù)。操作的有效性檢測會(huì)記錄每項(xiàng)任務(wù)期間進(jìn)行的非必要操作的次數(shù)，最終將統(tǒng)計(jì)結(jié)果繪制為隨時(shí)間增加經(jīng)驗(yàn)的函數(shù)并轉(zhuǎn)化為學(xué)習(xí)曲線。研究表明，VR微創(chuàng)手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)（Minimally Invasive Surgical Trainer-VR，MIST-VR）可用于培訓(xùn)腹腔鏡技能，對初學(xué)者足夠簡單易于操作，對專家來說其功能足夠強(qiáng)大。與缺乏經(jīng)驗(yàn)的操作人員相比，有經(jīng)驗(yàn)的腹腔鏡外科醫(yī)師完成任務(wù)的速度更快、錯(cuò)誤更少、操作有效性更高，不同經(jīng)驗(yàn)水平的人員具有不同的學(xué)習(xí)曲線[7]。接受過VR訓(xùn)練的實(shí)習(xí)生膽囊剝離速度提高了29%，未接受VR訓(xùn)練的失敗率是訓(xùn)練組的9倍，出現(xiàn)膽囊損傷或周圍組織燒傷的幾率是訓(xùn)練組的5倍。由此可見，VR腹腔鏡手術(shù)在醫(yī)學(xué)教學(xué)領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢[8]。

4 結(jié)語

獸醫(yī)腹腔鏡技能訓(xùn)練是傳統(tǒng)的教學(xué)方法，缺乏高級(jí)技能培訓(xùn)課程和先進(jìn)技術(shù)的模型，使得腹腔鏡手術(shù)在獸醫(yī)臨床中開展較困難。VR手術(shù)系統(tǒng)的巨大經(jīng)濟(jì)價(jià)值和研究價(jià)值早已得到了國際上的認(rèn)可，在獸醫(yī)腹腔鏡技能訓(xùn)練領(lǐng)域有著重要的意義。盡管VR手術(shù)研究中仍有許多問題有待解決，但相信技術(shù)的進(jìn)步會(huì)給人們帶來更好的培訓(xùn)效果。

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（責(zé)編：張宏民）