趙廣 孫德日 崔巖 張治宇

骨科臨床教學新領(lǐng)域
——虛擬現(xiàn)實技術(shù)

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(jīng)驗，更強調(diào)對學生臨床操作技能的培養(yǎng)。隨著科技的迅猛發(fā)展，通過虛擬現(xiàn)實（virtual reality，VR）技術(shù)三維重建骨科相關(guān)解剖結(jié)構(gòu)，用于平時模擬訓(xùn)練，提升骨外科醫(yī)生臨床思維與實踐能力已成必然。文章通過分析虛擬現(xiàn)實技術(shù)在骨科臨床教學中的應(yīng)用特點，結(jié)合我院教學實踐，探討將來虛擬現(xiàn)實技術(shù)在骨科教學中應(yīng)用。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)；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(jié)構(gòu)立體關(guān)系，對手術(shù)精細程度要求更加嚴格。比如臨床中經(jīng)常碰到的肩關(guān)節(jié)脫位，手法復(fù)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(guān)節(jié)彈響，固定無法被動活動疼痛加劇，年輕醫(yī)生經(jīng)驗不足，手法復(fù)位信心不足，對復(fù)位過程及手法掌握不熟練。而且考慮到手法復(fù)位較高的并發(fā)癥發(fā)生率，如血管神經(jīng)損傷以及可能的骨折風險，很有必要加強年輕醫(yī)生平時的模擬訓(xùn)練。至于技術(shù)要求更高的骨科手術(shù)操作，例如近年發(fā)展的椎間孔鏡，肩關(guān)節(jié)鏡等手術(shù)，術(shù)中操作復(fù)雜，器械精密多種多樣，年輕醫(yī)生無法短期掌握，在臨床中如果直接面對患者手術(shù)風險提高，手術(shù)效果差。這都要求在平時對年輕醫(yī)師進行大量的模擬訓(xùn)練。

在外科手術(shù)中，模擬并不是一個新概念，歷史上尸體就曾長期作為手術(shù)訓(xùn)練的一部分，雖然具有高仿真性，利于了解臨床解剖和手術(shù)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(fā)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(xùn)練在一個安全和可調(diào)控的環(huán)境中進行[1]，當前骨科手術(shù)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(xiàn)實模擬。其中，人造骨模擬雖然有助于對骨科儀器和設(shè)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(xùn)練和提升操作技能。綜合比較，虛擬現(xiàn)實技術(shù)有著明顯的優(yōu)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(xié)調(diào)和三維定位，并且允許手術(shù)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(fā)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(shù)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(wù)特定模塊，例如簡單的三角測量、觸診、縫線通道等相關(guān)內(nèi)容。

1 虛擬現(xiàn)實（virtual reality，VR）技術(shù)在骨科臨床教學中的應(yīng)用

VR技術(shù)是通過虛擬環(huán)境的構(gòu)建，讓人有如同現(xiàn)實存在的感覺。VR技術(shù)在骨外科中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在解剖結(jié)構(gòu)上的仿真模擬，而且能夠模擬各種解剖結(jié)構(gòu)在受到外界刺激后的反應(yīng)過程，甚至可以模擬機體生長發(fā)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(guān)節(jié)及周圍相關(guān)結(jié)構(gòu)，包括重要神經(jīng)結(jié)構(gòu)走形，血管結(jié)構(gòu)及走形，肌肉、肌腱及韌帶起止點，解剖結(jié)構(gòu)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(jīng)行觀察和操作，可以進行反復(fù)練習，并且可以在練習中不斷進行調(diào)整，直到熟練掌握，從而安全的從錯誤中取得臨床經(jīng)驗[4]，并且在整個教學過程中，練習者在虛擬環(huán)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(xùn)練中。從而降低了教學成本，提高教學質(zhì)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(xiàn)實技術(shù)提供了一個安全、可控、有效的環(huán)境來完成訓(xùn)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(fā)現(xiàn)，虛擬現(xiàn)實模擬訓(xùn)練確實改善了手術(shù)技能[6]，并在骨科臨床中基于模擬的訓(xùn)練開始大量出現(xiàn)。模擬訓(xùn)練取得的重大成果是在關(guān)節(jié)鏡檢查領(lǐng)域，同時在骨折內(nèi)固定方面也取得了很大發(fā)展。例如髖部骨折的內(nèi)固定是骨科醫(yī)生在其職業(yè)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(nèi)，髖部骨折占很大的醫(yī)療費用，死亡率、發(fā)病率和再手術(shù)率高。骨折通常用不同類型的內(nèi)固定治療，對于主張通過學徒模型的原理來訓(xùn)練外科技術(shù)做了很大貢獻。但是這種模式是有風險的，不成熟的受訓(xùn)者造成了很高的再入院率和再手術(shù)率[7]。通過對初學者在一款名為Trauma Simulator的軟件上進行訓(xùn)練，隨機對照試驗顯示初學者的手術(shù)技能和臨床思路得到了很大鍛煉。另外，骨外科臨床中經(jīng)常經(jīng)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(yī)生面臨的關(guān)鍵問題。虛擬現(xiàn)實技術(shù)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(shè)計出最佳的假體及模具。在需要經(jīng)行骨外科矯形手術(shù)中，VR技術(shù)可以為手術(shù)制定最完美的截骨計劃及截骨模具。VR技術(shù)采取“量體裁衣、度身定做”的人工假體設(shè)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(shù)后效果。通過VR模擬訓(xùn)練，減少了手術(shù)時間、手術(shù)失誤，提升了住院醫(yī)師的整體素養(yǎng)。

目前的VR技術(shù)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(tǒng)，通過輸入設(shè)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(shù)，這類技術(shù)能全方位模擬虛擬環(huán)境的視、聽、嗅、味等感覺。前一種虛擬現(xiàn)實技術(shù)包括了后一種虛擬現(xiàn)實技術(shù)的全部優(yōu)點，可觀可感，適合整體、系統(tǒng)的手術(shù)模擬，但初始設(shè)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(guān)于利用虛擬模擬器培訓(xùn)的院內(nèi)實踐

在某些特定的手術(shù)治療上培訓(xùn)外科醫(yī)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(fā)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(xùn)練[8]。通過模擬手術(shù)的整個流程，可以讓外科醫(yī)生得到沉浸式的鍛煉，從患者推入手術(shù)室后的體位擺放到消毒鋪單，再到該手術(shù)常見術(shù)式的每一步驟都能得到模擬，包括切口選擇、術(shù)區(qū)探查、骨折復(fù)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(yī)生尤其是輪轉(zhuǎn)來的其它科室的醫(yī)生而言，無疑可以在術(shù)前便能對即將展開的手術(shù)有著更清晰的認識，從而更好地發(fā)揮在手術(shù)中的能動性，加快手術(shù)進程，讓手術(shù)更好的完成，同時也能加速外科醫(yī)生知識的積累，更快地成長起來。通過對我院骨科住院醫(yī)師的跟進調(diào)查，發(fā)現(xiàn)大家均對Touch Surgery這類虛擬現(xiàn)實技術(shù)極高的評價。

試想一下，有朝一日在臨床教學時，醫(yī)學生進入臨床教學的手術(shù)室時穿戴的不是傳統(tǒng)的手術(shù)衣，而是佩戴VR眼鏡和高科技數(shù)據(jù)服，學生面對的虛擬患者是通過VR技術(shù)通過掃描臨床患者而獲得的完美復(fù)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(shù)操作遇到較大偏離和失誤時，比如手術(shù)時損傷正常解剖結(jié)構(gòu)，甚至時間過長時，計算機會及時提醒和警告術(shù)者。當整個操作結(jié)束時，計算機會給出綜合評價以及演示正確的手術(shù)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(shù)在骨科中的應(yīng)用能夠優(yōu)化手術(shù)方案的選擇、縮短手術(shù)時間，減少失誤動作的發(fā)生，降低手術(shù)并發(fā)癥的發(fā)生率。通過虛擬模擬培訓(xùn)，臨床實習生可掌握各種骨科手術(shù)操作技巧、流程以及對術(shù)中應(yīng)急事件處理的能力，可以對模擬人進行多種手術(shù)方案，最后比較、分析、得出優(yōu)化的治療方案。盡管虛擬現(xiàn)實技術(shù)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(xiàn)實技術(shù)的培訓(xùn)模式和評價體系，從而獲得更加安全、真實高效的培訓(xùn)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]陳繼銘，鐘環(huán)，馮柏淋.跟骨骨折Sanders分型數(shù)字化模型的初步建立[J].中華解剖與臨床雜志，2015，20（3）：196-199.

[4]劉登均，李爭艷.前路經(jīng)皮中空螺釘治療ⅡB 型齒狀突骨折虛擬手術(shù)的仿真設(shè)計[J].局解手術(shù)學雜志，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]謝肇，李偉，傅景曙，等.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在循證骨科教學中的應(yīng)用[J].局解手術(shù)學雜志，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

中國醫(yī)科大學附屬第四醫(yī)院骨科，遼寧 沈陽110000

張治宇