骨科臨床教學新領域
——虛擬現實技術

趙廣 孫德日 崔巖 張治宇

骨科臨床教學新領域
——虛擬現實技術

趙廣 孫德日 崔巖 張治宇

骨科臨床教學不僅是口頭傳授理論與經驗，更強調對學生臨床操作技能的培養。隨著科技的迅猛發展，通過虛擬現實（virtual reality，VR）技術三維重建骨科相關解剖結構，用于平時模擬訓練，提升骨外科醫生臨床思維與實踐能力已成必然。文章通過分析虛擬現實技術在骨科臨床教學中的應用特點，結合我院教學實踐，探討將來虛擬現實技術在骨科教學中應用。

虛擬現實技術；骨科；教學

骨科外科學習過程中，需具有良好的立體感知能力，熟悉各個解剖結構立體關系，對手術精細程度要求更加嚴格。比如臨床中經常碰到的肩關節脫位，手法復位方法眾多，常見的有Hippocrates法、Milch法、改良Milch法等，但是患者一般疼痛劇烈，患肢被動體位，關節彈響，固定無法被動活動疼痛加劇，年輕醫生經驗不足，手法復位信心不足，對復位過程及手法掌握不熟練。而且考慮到手法復位較高的并發癥發生率，如血管神經損傷以及可能的骨折風險，很有必要加強年輕醫生平時的模擬訓練。至于技術要求更高的骨科手術操作，例如近年發展的椎間孔鏡，肩關節鏡等手術，術中操作復雜，器械精密多種多樣，年輕醫生無法短期掌握，在臨床中如果直接面對患者手術風險提高，手術效果差。這都要求在平時對年輕醫師進行大量的模擬訓練。

在外科手術中，模擬并不是一個新概念，歷史上尸體就曾長期作為手術訓練的一部分，雖然具有高仿真性，利于了解臨床解剖和手術入路，但是價格高昂，不易獲得且存在疾病傳播的風險。在最近幾十年，研發先進且種類多變的模擬器方面取得了明顯的進展，大量高科技的模擬器被用來使訓練在一個安全和可調控的環境中進行[1]，當前骨科手術中可獲得的各種模擬器，除了尸體模擬，大致可分為人造骨模擬、認知模擬以及虛擬現實模擬。其中，人造骨模擬雖然有助于對骨科儀器和設備的熟練運用，但是不利于了解操作對軟組織的影響，而認知模擬則根本不能用于臨床訓練和提升操作技能。綜合比較，虛擬現實技術有著明顯的優勢，能夠記錄進程和進行運動評估分析，可操作程序廣，有利于手眼協調和三維定位，并且允許手術模擬。VR模擬器在過去10年從不切實際的低保真度模型到幾乎沒有操作完成不了的高保真度模型，獲得了奇跡般的發展，為學員提供逼真的解剖特征與觸覺反饋，觸覺反饋的要求最為苛刻。觸覺裝置在手術期間必須提供真實的力反饋，允許使用者在觸摸骨時在屏幕周圍移動工具并感覺到阻力[2]。同時并入了增強技能的任務特定模塊，例如簡單的三角測量、觸診、縫線通道等相關內容。

1 虛擬現實（virtual reality，VR）技術在骨科臨床教學中的應用

VR技術是通過虛擬環境的構建，讓人有如同現實存在的感覺。VR技術在骨外科中的應用主要體現在解剖結構上的仿真模擬，而且能夠模擬各種解剖結構在受到外界刺激后的反應過程，甚至可以模擬機體生長發育及病理生理過程。這樣在骨科教學過程中可以為學生提供一種多種類型、多層界面、多樣反饋的三維虛擬人體組織，而且具備交互性強、定位精確、直觀清晰等特點[3]。虛擬解剖學能夠清晰展示骨與關節及周圍相關結構，包括重要神經結構走形，血管結構及走形，肌肉、肌腱及韌帶起止點，解剖結構在體表標志及生物力學特性等。臨床教學中，學生可以在虛擬解剖教學模型中經行觀察和操作，可以進行反復練習，并且可以在練習中不斷進行調整，直到熟練掌握，從而安全的從錯誤中取得臨床經驗[4]，并且在整個教學過程中，練習者在虛擬環境中只需扮演一個純粹的角色，可以全身心地投入到技能訓練中。從而降低了教學成本，提高教學質量，也為臨床骨外科的教學提供了真實的解剖模型，增加了教學的形象性和學習的趣味性[5]。

虛擬現實技術提供了一個安全、可控、有效的環境來完成訓練，但是需要廣泛的驗證才能在課程中實施。有研究對609項研究的回顧發現，虛擬現實模擬訓練確實改善了手術技能[6]，并在骨科臨床中基于模擬的訓練開始大量出現。模擬訓練取得的重大成果是在關節鏡檢查領域，同時在骨折內固定方面也取得了很大發展。例如髖部骨折的內固定是骨科醫生在其職業生涯早期必須掌握的一個常見和重要的過程。在世界范圍內，髖部骨折占很大的醫療費用，死亡率、發病率和再手術率高。骨折通常用不同類型的內固定治療，對于主張通過學徒模型的原理來訓練外科技術做了很大貢獻。但是這種模式是有風險的，不成熟的受訓者造成了很高的再入院率和再手術率[7]。通過對初學者在一款名為Trauma Simulator的軟件上進行訓練，隨機對照試驗顯示初學者的手術技能和臨床思路得到了很大鍛煉。另外，骨外科臨床中經常經行人工假體的置換，由于患者個體差異問題，對于假體型號的選擇一直是骨科醫生面臨的關鍵問題。虛擬現實技術能準確判斷組織缺損范圍及大小，針對不同患者的病變部位設計出最佳的假體及模具。在需要經行骨外科矯形手術中，VR技術可以為手術制定最完美的截骨計劃及截骨模具。VR技術采取“量體裁衣、度身定做”的人工假體設計與制作，從而使植入假體與患者擬矯形的部位精確吻合，能長久保持術后效果。通過VR模擬訓練，減少了手術時間、手術失誤，提升了住院醫師的整體素養。

目前的VR技術主要分為2大類：一類是通過計算機編程的人機交互的系統，通過輸入設備，比如鼠標或觸屏等進行操作。還有一類是有專門配套硬件的高級VR技術，這類技術能全方位模擬虛擬環境的視、聽、嗅、味等感覺。前一種虛擬現實技術包括了后一種虛擬現實技術的全部優點，可觀可感，適合整體、系統的手術模擬，但初始設置成本高，適合配備高等院校用來安排學生實際練習，而后者更適合即時的、獨立的學習行為。

2 關于利用虛擬模擬器培訓的院內實踐

在某些特定的手術治療上培訓外科醫生不僅費用高昂，難度也很大?？偛课挥趥惗氐腡ouch Surgery公司開發了名為Touch Surgery的一款軟件，允許使用者在任意時間空間進行訓練[8]。通過模擬手術的整個流程，可以讓外科醫生得到沉浸式的鍛煉，從患者推入手術室后的體位擺放到消毒鋪單，再到該手術常見術式的每一步驟都能得到模擬，包括切口選擇、術區探查、骨折復位手法、鋼板螺釘選擇固定、縫合收尾等。對于剛剛進入臨床的外科醫生尤其是輪轉來的其它科室的醫生而言，無疑可以在術前便能對即將展開的手術有著更清晰的認識，從而更好地發揮在手術中的能動性，加快手術進程，讓手術更好的完成，同時也能加速外科醫生知識的積累，更快地成長起來。通過對我院骨科住院醫師的跟進調查，發現大家均對Touch Surgery這類虛擬現實技術極高的評價。

試想一下，有朝一日在臨床教學時，醫學生進入臨床教學的手術室時穿戴的不是傳統的手術衣，而是佩戴VR眼鏡和高科技數據服，學生面對的虛擬患者是通過VR技術通過掃描臨床患者而獲得的完美復制品。甚至當學生進行診療操作時，可以真實的感覺到皮膚的堅韌、骨骼的堅強、肌肉的彈力和血液的流動。當手術操作遇到較大偏離和失誤時，比如手術時損傷正常解剖結構，甚至時間過長時，計算機會及時提醒和警告術者。當整個操作結束時，計算機會給出綜合評價以及演示正確的手術操作方法。這一模式必將成為外科教學模式的終端。

虛擬手術在骨科中的應用能夠優化手術方案的選擇、縮短手術時間，減少失誤動作的發生，降低手術并發癥的發生率。通過虛擬模擬培訓，臨床實習生可掌握各種骨科手術操作技巧、流程以及對術中應急事件處理的能力，可以對模擬人進行多種手術方案，最后比較、分析、得出優化的治療方案。盡管虛擬現實技術在硬件和軟件上還存在不足之處，但正因此才要盡早完善基于虛擬現實技術的培訓模式和評價體系，從而獲得更加安全、真實高效的培訓效果。

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Virtual Reality Technology -A New Field of Clinical Teaching in Department of Orthopedics

ZHAO Guang SUN Deri CUI Yan ZHANG Zhiyu Department of Orthopedics, The Fourth Affiliated Hospital of China Medical University,Shenyang Liaoning 110000, China

Orthopedics clinical teaching is not just oral teaching for theory and experience, it emphasized more on the training of students' clinical skills.With the rapid development of science and technology, orthopedics related anatomy is reconstructed with three dimensional virtual reality(virtual, reality, VR) technology, and used in normal simulation training,it is necessary to promote the clinical thinking and practice ability of bone surgeons.This paper analyzes the application of virtual reality technology in orthopedics clinical teaching, combined with teaching practice, to explore the application of virtual reality technology orthopedics teaching.

virtual reality technology; department of orthopedics; teaching

G642

A

1674-9308（2017）14-0068-03

10.3969/j.issn.1674-9308.2017.14.032

中國醫科大學附屬第四醫院骨科，遼寧 沈陽110000

張治宇