李 嘉，袁 娜

西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院：1骨科；2超聲科，西安 710061

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在骨科臨床教學(xué)中的應(yīng)用

李 嘉1，袁 娜2

西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院：1骨科；2超聲科，西安 710061

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是目前研究的熱點(diǎn)，其在骨科臨床教學(xué)中亦有著較廣泛的應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)既能豐富教學(xué)模式、調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，又減輕了教師的負(fù)擔(dān)、提高教學(xué)效果。文章從虛擬解剖、手術(shù)培訓(xùn)及考核、術(shù)前計(jì)劃和手術(shù)直播等方面探討了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在骨科教學(xué)中的應(yīng)用，分析了該技術(shù)的意義并指出了其目前存在的問題以及對(duì)未來的展望。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；骨科；臨床教學(xué)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（virtual reality，VR）是20世紀(jì)60年代逐漸發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)。它通過電腦模擬產(chǎn)生一個(gè)三維逼真的虛擬環(huán)境，為使用者提供關(guān)于聽覺、視覺及觸覺等多種感官的模擬，讓使用者仿佛身臨其境般，能夠及時(shí)且沒有限制地觀察三維空間內(nèi)的事物。VR技術(shù)是多種技術(shù)的綜合，包括計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、數(shù)字圖像處理、生物力學(xué)、人工智能、機(jī)械力學(xué)、多媒體技術(shù)、傳感器、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)［1］。

目前，隨著VR技術(shù)的不斷發(fā)展，其已在醫(yī)學(xué)、軍事和娛樂等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，VR技術(shù)的快速發(fā)展為醫(yī)學(xué)教育、手術(shù)模擬、術(shù)后康復(fù)、疾病診斷及遠(yuǎn)程醫(yī)療等帶來新的氣象，同樣也為骨科臨床教學(xué)提供了新的方法和平臺(tái)。VR技術(shù)的迅速發(fā)展使其在骨科教學(xué)中的應(yīng)用亦越來越廣泛。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)

虛擬現(xiàn)實(shí)的概念最早由Jaron Lanier在20世紀(jì)60年代初期提出，經(jīng)過近些年的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)現(xiàn)如今己被廣泛用于醫(yī)療、軍事、娛樂等多個(gè)領(lǐng)域。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有沉浸性、交互性和構(gòu)想性等特征［2］。所謂沉浸性是指參與者可身臨其境地沉浸于虛擬環(huán)境中，與模擬環(huán)境相互融合；交互性是指參與者可以對(duì)虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行操作，同時(shí)虛擬環(huán)境會(huì)根據(jù)參與者的操作調(diào)整環(huán)境中相關(guān)對(duì)象的狀態(tài)以對(duì)參與者進(jìn)行反饋；構(gòu)想性是指虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)賦予參與者廣闊的想象空間，參與者可以主動(dòng)地、創(chuàng)造性地對(duì)虛擬環(huán)境進(jìn)行觀察和操作。醫(yī)學(xué)教育只有與時(shí)俱進(jìn)并不斷創(chuàng)新才能保持旺盛的生命力，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以其沉浸性、交互性和構(gòu)想性等特點(diǎn)促進(jìn)了其在骨科臨床教學(xué)中的應(yīng)用。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在骨科臨床教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 虛擬解剖

骨科涉及四肢和脊柱等多個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)周圍往往伴隨著重要的神經(jīng)、血管，因而骨科手術(shù)操作風(fēng)險(xiǎn)較高。傳統(tǒng)教學(xué)中醫(yī)學(xué)生往往通過尸體解剖及相關(guān)圖片或文字描述來了解和掌握骨科相關(guān)解剖特點(diǎn)，這種教學(xué)效果有限、教學(xué)難度大，而且由于尸體標(biāo)本來源受限，通常無法滿足教學(xué)要求。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為解剖教學(xué)提供了具有巨大潛力的工具。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可將人體的CT、MRI、CTA、MRA等影像資料輸入到虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的工作站中加以融合，并直觀、準(zhǔn)確、高效地構(gòu)建出人體三維解剖模型，為醫(yī)學(xué)生提供一個(gè)直觀、形象、逼真并且可重復(fù)操作的虛擬解剖環(huán)境。這項(xiàng)技術(shù)由于不受標(biāo)本、場(chǎng)地等條件的限制，所以能大大降低培訓(xùn)費(fèi)用。此外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可在不破壞表層解剖結(jié)構(gòu)的情況下既能顯示深層解剖結(jié)構(gòu)，且可以對(duì)解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行任意角度旋轉(zhuǎn)，便于學(xué)生從不同角度進(jìn)行觀察。這有助于幫助醫(yī)學(xué)生理解骨科復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)的立體關(guān)系，極大地節(jié)約了教學(xué)時(shí)間，緩解了傳統(tǒng)解剖教學(xué)尸體不足和標(biāo)本損耗的現(xiàn)狀，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高了教學(xué)效果。范敏等對(duì)引入和沒有引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的人體解剖學(xué)教學(xué)效果進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握更加牢固［3］。趙亞群等評(píng)估了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在巖骨解剖手術(shù)教學(xué)中的價(jià)值，發(fā)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)三維影像模型用于巖骨手術(shù)解剖教學(xué)效果良好［4］。

2.2 手術(shù)培訓(xùn)及考核

16世紀(jì)以來，尸體常被用來進(jìn)行外科手術(shù)培訓(xùn)，直至目前尸體仍是手術(shù)鍛煉的一種有效方法。然而用尸體進(jìn)行手術(shù)鍛煉花費(fèi)較高，尸體來源少，往往涉及醫(yī)學(xué)倫理問題，且目前多數(shù)醫(yī)學(xué)院校解剖尸體嚴(yán)重不足，嚴(yán)重限制了尸體在手術(shù)培訓(xùn)中的應(yīng)用。通過在手術(shù)室觀摩手術(shù)是傳統(tǒng)手術(shù)學(xué)習(xí)的另一種方式，然而該教學(xué)方法中教學(xué)內(nèi)容會(huì)隨著患者疾病的不同而發(fā)生變化，往往缺乏系統(tǒng)性。

隨著醫(yī)學(xué)生培訓(xùn)期望值的提高以及患者的安全性越來越受到重視，傳統(tǒng)的教學(xué)培養(yǎng)模式已不能滿足教育的要求，必須進(jìn)行相應(yīng)的教學(xué)改革［5］。骨科手術(shù)是復(fù)雜、高風(fēng)險(xiǎn)的手術(shù)，對(duì)于外科醫(yī)師來說，邊進(jìn)行復(fù)雜的操作邊對(duì)醫(yī)學(xué)生進(jìn)行培訓(xùn)是一件很困難的事情。研究表明，醫(yī)學(xué)生的出現(xiàn)盡管不會(huì)增加手術(shù)的并發(fā)癥，但常會(huì)導(dǎo)致手術(shù)時(shí)間的延長及手術(shù)室資源的使用增多［6］。在進(jìn)行手術(shù)培訓(xùn)的過程中，醫(yī)學(xué)生難免會(huì)犯各種錯(cuò)誤，且存在學(xué)習(xí)曲線的問題?；谏鲜龇N種原因，越來越多的非臨床培訓(xùn)方法受到重視，其中基于虛擬現(xiàn)實(shí)的手術(shù)培訓(xùn)成為一種提高骨科手術(shù)教學(xué)效果的方法。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可提供理想的虛擬手術(shù)培訓(xùn)平臺(tái)，受訓(xùn)醫(yī)學(xué)生既可以觀察到清晰的三維人體結(jié)構(gòu)，又可以在手術(shù)操作時(shí)感受到器械的反作用力，就像在真人身上手術(shù)一樣。這既不會(huì)對(duì)患者造成損傷，又可以反復(fù)多次練習(xí)，因此虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)又具有降低培訓(xùn)費(fèi)用、提高患者安全性等優(yōu)點(diǎn)。目前，虛擬手術(shù)平臺(tái)已能模擬關(guān)節(jié)置換、關(guān)節(jié)鏡、骨折切開復(fù)位等多種手術(shù)，尤其是關(guān)節(jié)鏡虛擬手術(shù)平臺(tái)已在國外被廣泛使用［7-8］。

目前，國外多項(xiàng)研究結(jié)果均表明骨科醫(yī)師對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在手術(shù)鍛煉中的應(yīng)用持肯定態(tài)度。Blyth等在新西蘭骨科醫(yī)師中進(jìn)行的一項(xiàng)研究表明，77%的骨科醫(yī)師認(rèn)為基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的手術(shù)模擬器是鍛煉外科手術(shù)操作的一種有效方法［9］。美國骨科醫(yī)師協(xié)會(huì)在4 549名醫(yī)學(xué)生中進(jìn)行了一項(xiàng)調(diào)查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)86%的醫(yī)學(xué)生認(rèn)為虛擬現(xiàn)實(shí)手術(shù)模擬器應(yīng)成為骨科訓(xùn)練及技能考核的必備器材［10］。Aim等系統(tǒng)回顧了10項(xiàng)關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)手術(shù)模擬器在關(guān)節(jié)鏡培訓(xùn)中有效性的研究，10項(xiàng)研究結(jié)果均表明虛擬現(xiàn)實(shí)手術(shù)模擬器可顯著提高受訓(xùn)者的手術(shù)技能［11］。Riener等研究結(jié)果表明虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用可以通過減少高風(fēng)險(xiǎn)、昂貴的診斷性操作改善目前骨科教育和培訓(xùn)的不足［12］。陳為堅(jiān)等研究發(fā)現(xiàn)虛擬膝關(guān)節(jié)鏡系統(tǒng)對(duì)初學(xué)者的手術(shù)操作技能起到良好的培訓(xùn)效果［13］。王博等亦評(píng)估了膝關(guān)節(jié)鏡虛擬仿真模擬手術(shù)系統(tǒng)對(duì)骨科醫(yī)師的培訓(xùn)效果，結(jié)果表明虛擬膝關(guān)節(jié)鏡系統(tǒng)能夠較大幅度地提高骨科醫(yī)師的關(guān)節(jié)鏡手術(shù)技能，有效地提高了培訓(xùn)效率和質(zhì)量［14］。

除了技能培訓(xùn)外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)亦可用于骨科操作技能考核。研究表明，有經(jīng)驗(yàn)的外科醫(yī)師可以比醫(yī)學(xué)生更快速、有效地完成虛擬手術(shù)操作，提示虛擬現(xiàn)實(shí)手術(shù)模擬器可被用于技能考核［15-16］。Frank等的一項(xiàng)研究結(jié)果提示虛擬手術(shù)操作表現(xiàn)與臨床手術(shù)經(jīng)驗(yàn)呈正相關(guān)［17］。Vaughan等證實(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)手術(shù)模擬器可有效地對(duì)多種臨床操作進(jìn)行考核評(píng)分［18］。

2.3 術(shù)前計(jì)劃

在對(duì)患者進(jìn)行比較復(fù)雜的手術(shù)之前，為減少手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，可先通過虛擬現(xiàn)實(shí)術(shù)前計(jì)劃系統(tǒng)進(jìn)行視覺、觸覺等多重感官體驗(yàn)及練習(xí)，模擬手術(shù)中的操作技巧，提前了解手術(shù)的難易程度，評(píng)估手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，并制定個(gè)體化的手術(shù)方案。此外，利用虛擬現(xiàn)實(shí)術(shù)前計(jì)劃系統(tǒng)可對(duì)術(shù)前診斷進(jìn)行驗(yàn)證和進(jìn)一步完善，對(duì)患者影像資料更加深入的理解，對(duì)確定最佳手術(shù)入路、制定和優(yōu)化手術(shù)方案、縮短手術(shù)時(shí)間、降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、縮小手術(shù)切口等方面提供幫助，使手術(shù)的安全性和有效性大大提高。Rieger等評(píng)估了基于CT的虛擬現(xiàn)實(shí)術(shù)前計(jì)劃系統(tǒng)在橈骨遠(yuǎn)端骨折手術(shù)中的有效性，隨訪結(jié)果表明虛擬現(xiàn)實(shí)術(shù)前計(jì)劃系統(tǒng)能夠促進(jìn)骨折解剖復(fù)位及腕關(guān)節(jié)活動(dòng)度的恢復(fù)，提示虛擬現(xiàn)實(shí)術(shù)前計(jì)劃系統(tǒng)是一種輔助手術(shù)的有效手段［19］。Handels等將虛擬現(xiàn)實(shí)術(shù)前計(jì)劃系統(tǒng)用于骨腫瘤手術(shù)中的髖關(guān)節(jié)重建亦取得了良好的效果［20］。黃若昆等將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于髖部骨折手術(shù)模擬，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)重建了髖部骨折的三維模型，并對(duì)骨折進(jìn)行了虛擬手術(shù)復(fù)位固定，建立了髖部骨折數(shù)字化虛擬可視重建及手術(shù)模擬的技術(shù)方法，有助于制定合理的個(gè)體化手術(shù)方案［21］。趙志球等建立了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的股骨遠(yuǎn)端骨折復(fù)位虛擬手術(shù)系統(tǒng)，可用于手術(shù)培訓(xùn)和術(shù)前計(jì)劃［22］。金丹等設(shè)計(jì)了踝關(guān)節(jié)骨折虛擬手術(shù)系統(tǒng)并將其初步應(yīng)用于臨床，取得了良好的效果［23］。

2.4 手術(shù)直播

由于手術(shù)室無菌環(huán)境的要求及觀察角度的限制，醫(yī)學(xué)生在觀摩外科手術(shù)時(shí)往往不能清楚地看到手術(shù)區(qū)域。此外為了減少患者痛苦、促進(jìn)快速康復(fù)，醫(yī)師經(jīng)常會(huì)進(jìn)行微創(chuàng)手術(shù)，手術(shù)切口很小，這進(jìn)一步限制了醫(yī)學(xué)生的學(xué)習(xí)。盡管目前腔鏡手術(shù)可以通過腔鏡的顯示屏觀察手術(shù)過程，但傳統(tǒng)的攝像頭拍攝的畫面是沒有方位感和空間感的，這給醫(yī)學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來相應(yīng)的困難。隨著科技的進(jìn)步，目前基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的手術(shù)直播已成為一種非常好的手術(shù)學(xué)習(xí)手段。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過架設(shè)在手術(shù)室主刀醫(yī)師上方的特殊全景相機(jī)，把第一現(xiàn)場(chǎng)的場(chǎng)景360°完全攝錄下來，然后經(jīng)過專門拼接融合傳輸?shù)皆贫?，醫(yī)學(xué)生就可以通過現(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備身臨其境般地觀摩手術(shù)，并通過視覺焦點(diǎn)進(jìn)行切換，自由地選擇觀看的角度和內(nèi)容。這種新形式的手術(shù)直播，讓原本被動(dòng)的觀眾變得更為主動(dòng)，讓觀眾沉浸式地學(xué)習(xí)，這對(duì)于骨科教學(xué)具有非常大的意義。2016年4月14日下午，英國醫(yī)師莎菲·艾哈邁德在倫敦皇家醫(yī)院手術(shù)室，成功為一名70多歲的結(jié)腸癌患者實(shí)施腫瘤切除手術(shù)，并在全球首次通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)手術(shù)全程進(jìn)行了360°全景直播。2016年5月30日上午，瑞金醫(yī)院的手術(shù)室里面，中國腹腔鏡外科專家鄭民華教授成功為一名80多歲的右半結(jié)腸癌患者實(shí)施腫瘤切除手術(shù)，并通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)手術(shù)全程進(jìn)行了直播，這也是國內(nèi)首次利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行手術(shù)直播。2016年6月7日，上海市第六人民醫(yī)院骨科張長青教授進(jìn)行了中國首例骨科虛擬現(xiàn)實(shí)手術(shù)直播。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)手術(shù)直播技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展及普及，必將使得臨床醫(yī)學(xué)教育再次創(chuàng)新，提高臨床教學(xué)效果。

3 結(jié)語

隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷完善，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)必將融入醫(yī)療的各個(gè)方面。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入骨科教學(xué)中不僅彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)的缺點(diǎn)，又能夠給學(xué)生帶來三維立體的模擬體驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，使學(xué)生更好地了解及掌握骨科操作要點(diǎn)，從而顯著提高骨科臨床教學(xué)效果。然而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)并不能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)教學(xué)，從虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)中得來的經(jīng)驗(yàn)必須經(jīng)過實(shí)際操作才能真正應(yīng)用于臨床。而且由于目前影像學(xué)分辨率的不足，往往難以顯示細(xì)小的解剖結(jié)構(gòu)。此外，目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)存在觸覺體驗(yàn)不甚完善等不足。

盡管虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在國內(nèi)臨床教學(xué)方面的應(yīng)用已取得了一定成果，國內(nèi)在這方面的研究尚處于實(shí)驗(yàn)和探索階段，與國外相比，還存在較大差距。因此，我們應(yīng)進(jìn)一步增加虛擬現(xiàn)實(shí)相關(guān)硬件設(shè)備的投入，加快虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)支撐軟件的開發(fā)研制，與國際上虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用趨勢(shì)接軌。相信隨著我國虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)必將融合到一起，做到虛實(shí)結(jié)合、相互彌補(bǔ)，在我國骨科臨床教學(xué)方面發(fā)揮更大的作用。

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Application of virtual reality technology in clinical teaching of orthopedics

Li Jia1，Yuan Na2

1Department of Orthopedics；2Department of Ultrasonography，the First Affiliated Hospital of Xi＇an Jiaotong University，Xi＇an 710061，China

Virtual reality technology is a research focus at present and it is now widely applied in clinical teaching of orthopedics.The technology can enrich the teaching mode，improve students’initiative in learning，lessen teachers＇burden and improve the teaching effects.This paper introduces the application of virtual reality in orthopedics teaching，including virtual anatomy，surgical training and assessment，preoperative planning and operation live broadcast.In addition，this paper analyzes the significance of virtual reality and points out its existing problems and its prospect.

virtual reality technology；orthopedics，clinical teaching

G434

：A

：1004-5287（2017）04-0392-04

：10.13566／j.cnki.cmet.cn61-1317／g4.201704009

2017-01-18

李嘉（1989-），男，河南鶴壁人，助理研究員，博士，主要研究方向：脊柱脊髓損傷。

袁娜（1989-），女，江蘇泰興人，助理研究員，博士，主要研究方向：肌骨關(guān)節(jié)系統(tǒng)超聲。電話：13468679973；E-mail：780239718＠qq.com