骨科临床教学新领域——虚拟现实技术

赵广 孙德日 崔岩 张治宇

骨科临床教学新领域
——虚拟现实技术

赵广 孙德日 崔岩 张治宇

骨科临床教学不仅是口头传授理论与经验，更强调对学生临床操作技能的培养。随着科技的迅猛发展，通过虚拟现实（virtual reality，VR）技术三维重建骨科相关解剖结构，用于平时模拟训练，提升骨外科医生临床思维与实践能力已成必然。文章通过分析虚拟现实技术在骨科临床教学中的应用特点，结合我院教学实践，探讨将来虚拟现实技术在骨科教学中应用。

虚拟现实技术；骨科；教学

骨科外科学习过程中，需具有良好的立体感知能力，熟悉各个解剖结构立体关系，对手术精细程度要求更加严格。比如临床中经常碰到的肩关节脱位，手法复位方法众多，常见的有Hippocrates法、Milch法、改良Milch法等，但是患者一般疼痛剧烈，患肢被动体位，关节弹响，固定无法被动活动疼痛加剧，年轻医生经验不足，手法复位信心不足，对复位过程及手法掌握不熟练。而且考虑到手法复位较高的并发症发生率，如血管神经损伤以及可能的骨折风险，很有必要加强年轻医生平时的模拟训练。至于技术要求更高的骨科手术操作，例如近年发展的椎间孔镜，肩关节镜等手术，术中操作复杂，器械精密多种多样，年轻医生无法短期掌握，在临床中如果直接面对患者手术风险提高，手术效果差。这都要求在平时对年轻医师进行大量的模拟训练。

在外科手术中，模拟并不是一个新概念，历史上尸体就曾长期作为手术训练的一部分，虽然具有高仿真性，利于了解临床解剖和手术入路，但是价格高昂，不易获得且存在疾病传播的风险。在最近几十年，研发先进且种类多变的模拟器方面取得了明显的进展，大量高科技的模拟器被用来使训练在一个安全和可调控的环境中进行[1]，当前骨科手术中可获得的各种模拟器，除了尸体模拟，大致可分为人造骨模拟、认知模拟以及虚拟现实模拟。其中，人造骨模拟虽然有助于对骨科仪器和设备的熟练运用，但是不利于了解操作对软组织的影响，而认知模拟则根本不能用于临床训练和提升操作技能。综合比较，虚拟现实技术有着明显的优势，能够记录进程和进行运动评估分析，可操作程序广，有利于手眼协调和三维定位，并且允许手术模拟。VR模拟器在过去10年从不切实际的低保真度模型到几乎没有操作完成不了的高保真度模型，获得了奇迹般的发展，为学员提供逼真的解剖特征与触觉反馈，触觉反馈的要求最为苛刻。触觉装置在手术期间必须提供真实的力反馈，允许使用者在触摸骨时在屏幕周围移动工具并感觉到阻力[2]。同时并入了增强技能的任务特定模块，例如简单的三角测量、触诊、缝线通道等相关内容。

1 虚拟现实（virtual reality，VR）技术在骨科临床教学中的应用

VR技术是通过虚拟环境的构建，让人有如同现实存在的感觉。VR技术在骨外科中的应用主要体现在解剖结构上的仿真模拟，而且能够模拟各种解剖结构在受到外界刺激后的反应过程，甚至可以模拟机体生长发育及病理生理过程。这样在骨科教学过程中可以为学生提供一种多种类型、多层界面、多样反馈的三维虚拟人体组织，而且具备交互性强、定位精确、直观清晰等特点[3]。虚拟解剖学能够清晰展示骨与关节及周围相关结构，包括重要神经结构走形，血管结构及走形，肌肉、肌腱及韧带起止点，解剖结构在体表标志及生物力学特性等。临床教学中，学生可以在虚拟解剖教学模型中经行观察和操作，可以进行反复练习，并且可以在练习中不断进行调整，直到熟练掌握，从而安全的从错误中取得临床经验[4]，并且在整个教学过程中，练习者在虚拟环境中只需扮演一个纯粹的角色，可以全身心地投入到技能训练中。从而降低了教学成本，提高教学质量，也为临床骨外科的教学提供了真实的解剖模型，增加了教学的形象性和学习的趣味性[5]。

虚拟现实技术提供了一个安全、可控、有效的环境来完成训练，但是需要广泛的验证才能在课程中实施。有研究对609项研究的回顾发现，虚拟现实模拟训练确实改善了手术技能[6]，并在骨科临床中基于模拟的训练开始大量出现。模拟训练取得的重大成果是在关节镜检查领域，同时在骨折内固定方面也取得了很大发展。例如髋部骨折的内固定是骨科医生在其职业生涯早期必须掌握的一个常见和重要的过程。在世界范围内，髋部骨折占很大的医疗费用，死亡率、发病率和再手术率高。骨折通常用不同类型的内固定治疗，对于主张通过学徒模型的原理来训练外科技术做了很大贡献。但是这种模式是有风险的，不成熟的受训者造成了很高的再入院率和再手术率[7]。通过对初学者在一款名为Trauma Simulator的软件上进行训练，随机对照试验显示初学者的手术技能和临床思路得到了很大锻炼。另外，骨外科临床中经常经行人工假体的置换，由于患者个体差异问题，对于假体型号的选择一直是骨科医生面临的关键问题。虚拟现实技术能准确判断组织缺损范围及大小，针对不同患者的病变部位设计出最佳的假体及模具。在需要经行骨外科矫形手术中，VR技术可以为手术制定最完美的截骨计划及截骨模具。VR技术采取“量体裁衣、度身定做”的人工假体设计与制作，从而使植入假体与患者拟矫形的部位精确吻合，能长久保持术后效果。通过VR模拟训练，减少了手术时间、手术失误，提升了住院医师的整体素养。

目前的VR技术主要分为2大类：一类是通过计算机编程的人机交互的系统，通过输入设备，比如鼠标或触屏等进行操作。还有一类是有专门配套硬件的高级VR技术，这类技术能全方位模拟虚拟环境的视、听、嗅、味等感觉。前一种虚拟现实技术包括了后一种虚拟现实技术的全部优点，可观可感，适合整体、系统的手术模拟，但初始设置成本高，适合配备高等院校用来安排学生实际练习，而后者更适合即时的、独立的学习行为。

2 关于利用虚拟模拟器培训的院内实践

在某些特定的手术治疗上培训外科医生不仅费用高昂，难度也很大。总部位于伦敦的Touch Surgery公司开发了名为Touch Surgery的一款软件，允许使用者在任意时间空间进行训练[8]。通过模拟手术的整个流程，可以让外科医生得到沉浸式的锻炼，从患者推入手术室后的体位摆放到消毒铺单，再到该手术常见术式的每一步骤都能得到模拟，包括切口选择、术区探查、骨折复位手法、钢板螺钉选择固定、缝合收尾等。对于刚刚进入临床的外科医生尤其是轮转来的其它科室的医生而言，无疑可以在术前便能对即将展开的手术有着更清晰的认识，从而更好地发挥在手术中的能动性，加快手术进程，让手术更好的完成，同时也能加速外科医生知识的积累，更快地成长起来。通过对我院骨科住院医师的跟进调查，发现大家均对Touch Surgery这类虚拟现实技术极高的评价。

试想一下，有朝一日在临床教学时，医学生进入临床教学的手术室时穿戴的不是传统的手术衣，而是佩戴VR眼镜和高科技数据服，学生面对的虚拟患者是通过VR技术通过扫描临床患者而获得的完美复制品。甚至当学生进行诊疗操作时，可以真实的感觉到皮肤的坚韧、骨骼的坚强、肌肉的弹力和血液的流动。当手术操作遇到较大偏离和失误时，比如手术时损伤正常解剖结构，甚至时间过长时，计算机会及时提醒和警告术者。当整个操作结束时，计算机会给出综合评价以及演示正确的手术操作方法。这一模式必将成为外科教学模式的终端。

虚拟手术在骨科中的应用能够优化手术方案的选择、缩短手术时间，减少失误动作的发生，降低手术并发症的发生率。通过虚拟模拟培训，临床实习生可掌握各种骨科手术操作技巧、流程以及对术中应急事件处理的能力，可以对模拟人进行多种手术方案，最后比较、分析、得出优化的治疗方案。尽管虚拟现实技术在硬件和软件上还存在不足之处，但正因此才要尽早完善基于虚拟现实技术的培训模式和评价体系，从而获得更加安全、真实高效的培训效果。

[1]Dawe SR，Pena GN，Windsor JA，et al.Systematic review of skills transfer after surgical simulation-based training[J].Br J Surg，2014，101（9）：1063-1076.

[2]J Leblanc，C Hutchison，Y Hu ，et al.Feasibility and fidelity of practising surgical fixation on a virtual ulna bone[J].Canadian Journal of Surgery Journal Canadien De Chirurgie，2013，56（4）：E91-97.

[3]陈继铭，钟环，冯柏淋.跟骨骨折Sanders分型数字化模型的初步建立[J].中华解剖与临床杂志，2015，20（3）：196-199.

[4]刘登均，李争艳.前路经皮中空螺钉治疗ⅡB 型齿状突骨折虚拟手术的仿真设计[J].局解手术学杂志，2016，25（2）：112-115.

[5]Cook DA, Hatala R, Brydges R, et al.Technologyenhanced simulation for health professions education:a systematic review andmeta-analysis[J].JAMA，2011，306（9）：978-988.

[6]谢肇，李伟，傅景曙，等.虚拟现实技术在循证骨科教学中的应用[J].局解手术学杂志，2014，23（4）：440.

[7]Leblanc J，Hutchison C，Hu Y，et al.A comparison of orthopaedic resident performance on surgical fixation of an ulnar fracture using virtual reality and synthetic models[J].Journal of Bone & Joint Surgery American Journal of Bone & Joint Surgery American Volume，2013，95（9）：e60，S1-5.

[8]Lewis TL，Vohra RS.Smartphones make smarter surgeons[J].British Journal of Surgery，2014，101（4）：296-297.

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

中国医科大学附属第四医院骨科，辽宁 沈阳110000

张治宇