王 萌，沈 艷，何寧寧，周玉皆，管文賢

南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬鼓樓醫(yī)院：1.普通外科；2.教育處， 南京 210008

虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality，VR)是指利用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生三維的虛擬世界，得到逼真的視覺、聽覺、觸覺的感知效果，使人產(chǎn)生身臨其境的感覺，如同置身于真實(shí)世界一樣。VR技術(shù)在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。近年來，VR技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]：VR技術(shù)和5G技術(shù)的結(jié)合，可以讓偏遠(yuǎn)地區(qū)的醫(yī)師實(shí)時(shí)觀看世界一流外科醫(yī)師的手術(shù)細(xì)節(jié)[2]；在內(nèi)窺鏡檢查等操作的培訓(xùn)中，VR技術(shù)體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢和應(yīng)用前景[3]；VR技術(shù)還可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)暴露療法治療成人和兒童的心理疾病[4]；另外，VR技術(shù)在解剖學(xué)教學(xué)、復(fù)雜疑難手術(shù)設(shè)計(jì)、疾病健康宣教和術(shù)后疼痛緩解等領(lǐng)域也取得了很大的進(jìn)展[5]。

在外科教學(xué)中，外科手術(shù)器械教學(xué)是重要的基礎(chǔ)課程，掌握外科常規(guī)手術(shù)器械的名稱和用法是每一個(gè)醫(yī)學(xué)生必修的課程，也是外科醫(yī)師重要的啟蒙教學(xué)。在既往教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生接觸外科手術(shù)器械的機(jī)會(huì)較少，容易混淆器械名稱，也容易忘記器械的具體使用方法。因此，外科手術(shù)器械的辨認(rèn)是醫(yī)學(xué)生外科教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。該研究擬通過一種自主開發(fā)的基于VR技術(shù)的外科手術(shù)器械教學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用，探討VR技術(shù)在醫(yī)學(xué)生外科教學(xué)中的應(yīng)用價(jià)值。

1 VR教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)

該教學(xué)系統(tǒng)為南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬鼓樓醫(yī)院教育處模擬教研室自主開發(fā)的外科器械教學(xué)考核系統(tǒng)。即利用虛擬現(xiàn)實(shí)仿真場景化等特點(diǎn)，可在固定空間中模擬手術(shù)室場景，進(jìn)行外科常規(guī)器械的教學(xué)和考核，可容納40～80人進(jìn)行虛擬化教學(xué)、體驗(yàn)、講解和評(píng)測。

虛擬現(xiàn)實(shí)交互設(shè)備：采用HTC Vive顯示及定位系統(tǒng)，包括頭盔+體感控制手柄、主控電腦、LED顯示大屏、數(shù)據(jù)庫主機(jī)、教室中央控制集成器。

場地要求：單人系統(tǒng)采用紅外定位技術(shù)，場地面積要求 4～12 m2；多人系統(tǒng)采用激光定位技術(shù)，場地面積要求 15～50 m2。

VR教學(xué)系統(tǒng)包括VR器械教學(xué)模塊和VR器械考核模塊，學(xué)生通過賬號(hào)登錄進(jìn)入相關(guān)模塊。在教學(xué)模塊中，學(xué)生進(jìn)入模擬手術(shù)室場景，通過手柄選擇不同的外科器械，選中后可以放大觀察并觀看相關(guān)器械術(shù)中使用的視頻。進(jìn)入考核模塊即進(jìn)入模擬考場，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)回答選擇題，題目內(nèi)容包括器械名稱、器械使用方法、相似器械的識(shí)別等?？己送瓿珊笙到y(tǒng)自動(dòng)打分。

采用3Ds Max軟件將手術(shù)器械實(shí)物建模；采用Vi- sual Studio進(jìn)行手術(shù)室實(shí)景建模；采用Unity3D軟件編寫VR教學(xué)模塊和考核模塊。程序調(diào)試完成后，學(xué)生戴上HTC Vive頭盔和手柄后，輸入學(xué)生賬號(hào)登錄系統(tǒng)。

2 相關(guān)具體內(nèi)容展示

血管鉗、持針鉗、三角針、海綿鉗、組織鉗、線剪、組織剪、拉鉤等常用器械建模形成3D影像(如圖1所示)。

2．高校校園文化建設(shè)物化傾向比較嚴(yán)重。高校物質(zhì)文化環(huán)境的營造，應(yīng)該充分體現(xiàn)學(xué)校的辦學(xué)特色和人才培養(yǎng)宗旨，表現(xiàn)出辦學(xué)歷史的文化積淀與獨(dú)特魅力。然而近年來，部分高校在校園文化建設(shè)中過分強(qiáng)調(diào)物質(zhì)建設(shè)、崇尚現(xiàn)代化，氣派的教學(xué)樓、奢華的裝修、高檔的設(shè)備等，造成了人力、物力、財(cái)力的資源浪費(fèi)，這些不僅未能體現(xiàn)高校的文化底蘊(yùn)和歷史發(fā)展特點(diǎn)，而且與生態(tài)文明建設(shè)精髓嚴(yán)重背道而馳。部分高校師生沒有形成保護(hù)生態(tài)、勤儉節(jié)約的理念，普遍存在辦公室資源浪費(fèi)、教室長明燈、食堂飯菜傾倒等現(xiàn)象，出現(xiàn)宿舍違章用電、破壞公共設(shè)施等行為。

圖1 VR系統(tǒng)中的手術(shù)器械建模圖像

在VR模擬手術(shù)室場景中可以看到手術(shù)器械臺(tái)上的各種手術(shù)器械，操作VR手柄可以選擇不同的手術(shù)器械。操作HTC手柄可以對(duì)手術(shù)器械進(jìn)行360°的觀察和放大辨認(rèn)，同步觀看相關(guān)器械的手術(shù)操作視頻(如圖2所示)。

圖2 VR系統(tǒng)中的教學(xué)畫面

以南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)五年級(jí)(2015級(jí))81名醫(yī)學(xué)生為研究對(duì)象，隨機(jī)分為試驗(yàn)組(n=40)和對(duì)照組(n=41)，分別采用基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的外科教學(xué)系統(tǒng)和傳統(tǒng)的課堂教學(xué)方式進(jìn)行學(xué)習(xí)。每組配有兩位教師(其中一位為助教)。

試驗(yàn)組學(xué)生戴上VR頭盔和手柄，語音輸入賬號(hào)，登錄系統(tǒng)。首先進(jìn)入模擬手術(shù)室，系統(tǒng)提示教學(xué)目的和內(nèi)容；然后學(xué)生操作VR手柄選擇相應(yīng)的手術(shù)器械，觀察和放大辨認(rèn)，同步觀看手術(shù)視頻；完成VR器械教學(xué)后可選擇進(jìn)入VR考核模塊，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成題庫中選擇題和案例題的解答，系統(tǒng)自動(dòng)打分。

對(duì)照組通過教師課堂授課的教學(xué)方式，將常用手術(shù)器械(如血管鉗、線剪、組織剪、持針鉗、三角針、海綿鉗、組織鉗、拉鉤等)的特征及使用方法逐一向?qū)W生進(jìn)行講解，講解時(shí)會(huì)通過PPT展示器械照片及其在術(shù)中應(yīng)用的圖片；然后分發(fā)手術(shù)器械，學(xué)生對(duì)照實(shí)物理解記憶所講內(nèi)容。

教學(xué)完成后兩組學(xué)生接受相同形式的現(xiàn)場理論考核和教學(xué)滿意度調(diào)查。

現(xiàn)場理論考核考核內(nèi)容按照教學(xué)大綱的要求進(jìn)行出題。現(xiàn)場考核共10道題，題目內(nèi)容包括器械名稱選擇(30分)、相似器械的辨認(rèn)(30分)、器械的使用方法(40分)，滿分為100分。

教學(xué)滿意度調(diào)查向?qū)W生發(fā)放自制調(diào)查問卷，問卷內(nèi)容包括：對(duì)培訓(xùn)內(nèi)容是否感興趣、是否達(dá)到了預(yù)期教學(xué)效果、對(duì)下次培訓(xùn)是否期待、對(duì)教學(xué)方式的評(píng)價(jià)(新穎性和實(shí)用性)、你認(rèn)為這種教學(xué)方式有什么優(yōu)缺點(diǎn)；另外，向任課教師發(fā)放調(diào)查問卷，對(duì)課程中學(xué)生的專注度進(jìn)行評(píng)分(低、中、高)。

3 結(jié)果

研究共入組81人。其中，試驗(yàn)組40人，平均年齡22.35歲，男性22人，女性18人；對(duì)照組41人，平均年齡22.37歲，男性18人，女性23人；所有研究對(duì)象均參加現(xiàn)場理論考核和教學(xué)滿意度調(diào)查，發(fā)放調(diào)查問卷81份，回收81份。

該研究采用現(xiàn)場理論考核的方式，滿分100分，題型均為單項(xiàng)選擇。器械名稱選擇共10題，每題3分，共30分；相似器械辨認(rèn)共10題，每題3分，共30分；器械使用方法共10題，每題4分，共40分?？己顺煽?nèi)绫?所示。兩組總分比較無顯著差異(85.05±5.80 vs 83.20±6.49，P=0.179)。試驗(yàn)組在器械使用方法題的得分高于對(duì)照組，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(35.85±2.54 vs 33.25±2.92，P=0.0047)。

表1 兩組學(xué)生現(xiàn)場理論考核得分情況

該研究向試驗(yàn)組發(fā)放調(diào)查問卷40份，回收有效問卷40份。結(jié)果顯示：95.0%的學(xué)生對(duì)培訓(xùn)內(nèi)容感興趣，85.0%的學(xué)生認(rèn)為達(dá)到了預(yù)期的教學(xué)效果，77.5% 的學(xué)生對(duì)下次的基于VR技術(shù)教學(xué)系統(tǒng)的培訓(xùn)很期待，70.0%的學(xué)生無不適反應(yīng)，30.0%的學(xué)生有頭暈、眼睛不舒服等不適反應(yīng)。該研究向?qū)φ战M發(fā)放調(diào)查問卷41份，有效卷41份。結(jié)果顯示：85.4%的學(xué)生對(duì)培訓(xùn)內(nèi)容感興趣，80.5%的學(xué)生認(rèn)為達(dá)到了預(yù)期的教學(xué)效果，65.9%的學(xué)生對(duì)下次器械培訓(xùn)很期待。兩組興趣度差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(95% vs 85.4%，P=0.146)。

教師對(duì)學(xué)生的專注度評(píng)分顯示：VR教學(xué)過程中95%的學(xué)生專注度高，課堂教學(xué)過程中78%的學(xué)生專注度高，兩組學(xué)生專注度比較，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.026)。

學(xué)生對(duì)兩種教學(xué)方式的反饋意見如表2所示。

表2 兩組學(xué)生對(duì)教學(xué)方式的反饋

4 討論

近二十年來，模擬培訓(xùn)在外科教學(xué)當(dāng)中的作用越來越得到重視。研究證明，外科教學(xué)中采用模擬培訓(xùn)可以提高教學(xué)效率，降低成本并提高患者安全性[6]。模擬培訓(xùn)的方法隨著技術(shù)的進(jìn)步而不斷發(fā)展，模擬培訓(xùn)和VR技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)改變了21世紀(jì)外科醫(yī)師的傳統(tǒng)教學(xué)方式[7]。Van Dongen K W等[8]利用VR模擬器對(duì)不同資歷的醫(yī)師進(jìn)行訓(xùn)練，結(jié)果證明VR模擬器不僅能提高新醫(yī)師的手術(shù)操作技能,而且對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)師也有幫助。針對(duì)一些復(fù)雜疑難手術(shù)(例如連體嬰兒分離手術(shù)等)，在術(shù)前進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)的模擬手術(shù)，有助于外科醫(yī)師取得成功[9]。職康康等[10]研究發(fā)現(xiàn)，VR學(xué)習(xí)可以增加醫(yī)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使醫(yī)學(xué)生對(duì)血管外科手術(shù)產(chǎn)生更深刻、更全面的認(rèn)識(shí)。VR技術(shù)是一個(gè)跨學(xué)科的綜合集成技術(shù)，其在外科教學(xué)中的具體優(yōu)勢包括：

①身臨其境的新鮮感該技術(shù)的應(yīng)用可以顯著提高學(xué)生的興趣和關(guān)注度，學(xué)生可以自主學(xué)習(xí)，有很強(qiáng)的參與性和互動(dòng)性。

②突破傳統(tǒng)教學(xué)限制該技術(shù)的應(yīng)用可以模擬急診及突發(fā)事件，比如模擬術(shù)中大出血搶救，模擬突發(fā)的災(zāi)難應(yīng)急事件等。

③可以觀看橫切面及動(dòng)畫圖像可以360°旋轉(zhuǎn)或放大，突破了靜態(tài)觀察的視覺局限性，比如外科手術(shù)器械可以放大觀察，比較圓針和三角針的細(xì)微差別，比較有齒鑷和無齒鑷的差別。

④可以量化/自動(dòng)記錄結(jié)果通過VR系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)分系統(tǒng)進(jìn)行考核，可以分析學(xué)生操作的不足和進(jìn)步之處，節(jié)省了教師的人力成本。

⑤成本更便宜傳統(tǒng)教學(xué)使用活體動(dòng)物標(biāo)本進(jìn)行外科解剖教學(xué)，需要購買新鮮的動(dòng)物標(biāo)本，需要專門的冰箱保存，費(fèi)用高昴且使用時(shí)間受到限制。而VR教學(xué)是虛擬系統(tǒng)，幾乎無器材耗費(fèi)，不受時(shí)間、場地和保存設(shè)備的限制，具有明顯的成本優(yōu)勢，彌補(bǔ)了教學(xué)條件的不足。

⑥倫理學(xué)優(yōu)勢考慮到實(shí)驗(yàn)動(dòng)物保護(hù)及福利，VR模擬的動(dòng)物標(biāo)本可以減少活體動(dòng)物標(biāo)本的使用，符合國際醫(yī)學(xué)教學(xué)的主流趨勢。

在該研究中，試驗(yàn)組的興趣度和專注度明顯高于對(duì)照組，這是因?yàn)樵囼?yàn)組的學(xué)生對(duì)VR這種形式有新鮮感。在佩戴VR頭盔和手柄后，學(xué)生有一種玩VR游戲的感覺，能很快適應(yīng)并投入其中?，F(xiàn)場理論考核表明，試驗(yàn)組的平均成績和對(duì)照組無顯著差異，表明兩組學(xué)生教學(xué)的接受程度相近，均達(dá)到了教學(xué)大綱的要求。研究發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)組在器械使用方法題的得分顯著高于對(duì)照組(35.85±2.54 vs 33.25±2.92，P=0.0047)，提示試驗(yàn)組的學(xué)生對(duì)于器械使用方法的理解更加深入。分析兩組差異的原因，筆者認(rèn)為VR系統(tǒng)能實(shí)時(shí)展示器械模型和手術(shù)視頻，學(xué)生對(duì)自己不熟悉的器械可以反復(fù)觀看，并放大觀察細(xì)節(jié)，使學(xué)生有了直觀的感受和沉浸式的體驗(yàn)；而對(duì)照組教學(xué)采用的是實(shí)物講解結(jié)合圖片演示，這樣的教學(xué)方法雖然優(yōu)于僅用教科書上的照片教學(xué)，但缺少互動(dòng)交流和重復(fù)學(xué)習(xí)反饋，學(xué)生短時(shí)間很難完全消化所學(xué)知識(shí)。劉思怡等[11]研究認(rèn)為，VR技術(shù)的應(yīng)用能縮短學(xué)習(xí)曲線，改善傳統(tǒng)臨床教學(xué)中模擬訓(xùn)練量不足的問題。一項(xiàng)Meta分析[12]發(fā)現(xiàn)，采用VR模擬內(nèi)窺鏡學(xué)習(xí)的受訓(xùn)者，在技術(shù)、非技術(shù)技能和患者舒適度等方面都有所提高。如果我們將VR教學(xué)和現(xiàn)場觸摸感知器械實(shí)物相結(jié)合的話，也就是通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的方法進(jìn)行教學(xué)，相信教學(xué)效果會(huì)更好。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互技術(shù)、人工智能技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。虛擬教學(xué)平臺(tái)為學(xué)生提供了逼真的手術(shù)室環(huán)境，學(xué)生更加愿意主動(dòng)地學(xué)習(xí)，而不是被動(dòng)地被灌輸各種知識(shí)[13]。虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)正在成為傳統(tǒng)教學(xué)的必要補(bǔ)充，但不能完全取代傳統(tǒng)的教學(xué)方法[14]。該研究問卷調(diào)查顯示：95%的學(xué)生認(rèn)為VR教學(xué)方式新穎性強(qiáng)，總體滿意度高，學(xué)生易于接受授課內(nèi)容；但仍有30%的學(xué)生認(rèn)為VR教學(xué)系統(tǒng)實(shí)用性不強(qiáng)，主要因?yàn)椴糠謱W(xué)生有頭暈、眼睛不舒服等不適反應(yīng)。除了外科基本技能培訓(xùn)，在內(nèi)鏡操作培訓(xùn)和模擬手術(shù)方面VR技術(shù)還有一些不足之處值得深入研究，比如VR操作缺乏力反饋的問題，以及VR模擬手術(shù)如何實(shí)現(xiàn)團(tuán)隊(duì)配合的問題。孫明等[15]研究發(fā)現(xiàn)，長時(shí)間使用VR設(shè)備可能引起疲勞不適，且交叉佩戴可能傳播眼部疾病。因此，我們需要客觀地看待虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)勢和弊端，充分發(fā)揮VR教學(xué)的特點(diǎn)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)外科學(xué)手術(shù)的感性認(rèn)識(shí)，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣；同時(shí)，也要充分認(rèn)識(shí)到VR教學(xué)還存在很多不足之處，還需要我們不斷探索和改進(jìn)。只有將虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)和傳統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)場景教學(xué)緊密結(jié)合在一起，才能帶來教學(xué)質(zhì)量的真正提高。