李鵬超，袁文博，萬芬，吳啟開，吳昊，黃華興

（1.南京醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院泌尿外科，江蘇南京 210029;2. 南京醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院急診科，江蘇南京 210029；3.南京醫(yī)科大學，江蘇南京 210029）

在傳統(tǒng)教學模式下，住院醫(yī)師規(guī)范化培訓外科帶教方式難以滿足學員職業(yè)發(fā)展的需要。在住院醫(yī)師規(guī)范化培訓的第一階段，規(guī)培醫(yī)師在外科各個專科輪轉三個月時間，外科規(guī)培過程包括接診患者、診斷、手術和術后診療。手術教學過程是重中之重，從觀摩手術、配合手術再緩慢過渡到在上級醫(yī)師指導下開展小手術。三個月的傳統(tǒng)教學只能使學員對小手術有初步認識，對大中型手術往往只有比較膚淺的理解，學員對手術理解和掌握程度不足[1]。用人單位招聘住院醫(yī)師往往期盼其能快速開展手術，但經過規(guī)范化培訓的學員到工作單位開展外科手術時，往往暴露出其對外科疾病認識膚淺和缺乏實踐的缺陷，難以在短期內勝任工作。

計算機技術的飛速發(fā)展正在改變現代教育，近些年來，3D打印、虛擬現實（virtual reality, VR）[2]和增強現實（augmented reality, AR）[3]等新技術開始在醫(yī)學教育中應用，在一定程度上推動了醫(yī)學教育的進步。對于外科手術教學，3D打印成本高，難以實現斷層解剖打印，而且割裂了目標區(qū)域和周圍器官組織的關系，這些局限性使得其難以在外科手術教學中得到廣泛和有效的應用。和3D打印技術相比，VR技術進一步推動了醫(yī)學教育的發(fā)展，當前VR技術主要針對手術圖像進行模擬，難以讓用戶對所要學習的對象進行反復互動，對于模擬手術操作的實用性不強。

混合現實（mixed reality, MR）技術是虛擬現實技術的進一步發(fā)展，包括增強現實和增強虛擬，該技術將數字化的信息全息投射到真實的物理環(huán)境中，在虛擬世界、現實世界和用戶之間搭建起一個交互反饋的信息回路，來實時產生新的可視化環(huán)境，以增強用戶體驗的真實感。目前MR技術應用于外科手術教學尚處于起步階段[4]，有研究報道了MR技術在骨科[5]和口腔頜面外科[6]教學中的應用，但在住院醫(yī)師規(guī)范化培訓的系統(tǒng)化教學中應用的報道較少。MR在外科教學中也存在一些限制性因素，包括設備昂貴，相對缺乏，數據庫建立費時費力耗資大，需要帶教教師才能快速適應手術實戰(zhàn)。為此，本研究嘗試將該技術系統(tǒng)性應用于住院醫(yī)師規(guī)范化培訓的手術教學，總結問題所在并且采取多項策略解決問題，探討其應用價值。

1 對象與方法

1.1 研究對象

2019年1 月至2022年2月于南京醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院外科接受住院醫(yī)師規(guī)范化一階段培訓的84名學員分為兩組進行研究，對A組（42人）采用混合現實技術輔助帶教法進行手術教學；對B組（42人）采用講授式教學模式進行手術教學。兩組學員在性別、年齡、培訓時間、工作年限和學歷等方面經統(tǒng)計學檢驗，無統(tǒng)計學差異(P〉 0.05)。

1.2 研究方法

1.2.1 多種手術MR場景數據庫構建

對于準備行外科手術的常見疾病，依據影像資料構建虛擬現實場景，獲取患者病灶CT 的原始DICOM 數據，將其導入到三維醫(yī)學影像工作站（StarSource Medical Image Workstation，Visual3D，北京維卓致遠醫(yī)療科技發(fā)展有限責任公司）進行分割，通過切層勾畫、布爾運算、多平面插值等技術對目標組織提取，得到網格模型（STL）文件，輸入到工作站內部的場景編輯模塊進行編輯，編輯后通過“星圖”混合現實影像系統(tǒng)，以V3D格式進行輸出，獲得全息影像數據，建立MR手術場景數據庫并且同步將手術過程進行錄像。本數據庫包括普外科、胸外科、泌尿外科、骨科、神經外科、急診外科等亞?？频某Ｒ娂膊〉腗R手術場景，如胰腺腫瘤、肺腫瘤、食管癌、胃腸道腫瘤、膽囊癌、膽囊結石、闌尾炎、肝臟腫瘤、肝囊腫、膀胱腫瘤、腎和輸尿管結石、腎臟腫瘤、脊柱腫瘤、腰椎間盤突出、硬膜外血腫、腦膜瘤、腦出血和四肢骨折等。

1.2.2 MR輔助術前規(guī)劃

外科帶教教師選取具有代表性的常見疾病MR場景，給學員進行術前規(guī)劃。帶教教師預先給學員講解手術步驟, 然后同步佩戴現實全息眼鏡（Hololens，Microsoft Corp，USA）進行體驗和反饋，對學員進行基本手勢練習和操作訓練后,對全息投影在空間的虛擬三維模型進行縮放、隱藏、透明、旋轉等操作,逐層濾過目標區(qū)域周圍的器官、血管和神經，并進一步將目標器官進行亞分割，分析手術密切相關目標區(qū)域的解剖結構。

1.2.3 MR輔助模擬手術

外科帶教教師帶領學員使用全息眼鏡剖析目標器官的鄰近手術解剖，使用手術錄像講解手術步驟，讓學員在手術錄像中還原MR場景，進一步思考關鍵的手術步驟，從而加深學員對手術的理解。觀看手術錄像后，帶領學員再次觀看相應的MR手術場景，模擬解剖目標區(qū)域周圍的器官、血管和神經，并對目標器官模擬從不同視角進行觀察，最大化利用MR場景預演手術。

1.2.4 MR輔助現場術中教學

在手術過程中，帶教教師和學員同步佩戴Hololens眼鏡，帶教教師引導學員觀摩手術，把MR手術場景投射在手術現場，讓學員現場同步觀看術前勾畫的場景，帶教教師在現場講解手術，用同步和真實的手術過程印證MR場景中目標器官的鄰近解剖，讓學員預判目標器官周圍和器官內部的手術解剖結構。在數次MR輔助術中現場教學的基礎上，指導學員操作并配合手術，重點包括尋找和定位病變器官，對周圍臟器牽拉顯露目標區(qū)域，訓練學員及時吸引術野積液，并且夾持目標器官和血管，術后進行回顧分析，加以修改完善MR場景。

1.3 考核方法

通過客觀與主觀兩種形式進行評估?？陀^考核包括理論考核和手術操作技能考核。理論考核為各個輪轉科室的理論考試，各科滿分為100分。外科各科室教研室同樣根據專科規(guī)培教學大綱制定手術操作技能考核表，考科內容包括：手術相關重要解剖標志術中辨識（手術解剖入路的器官組織辨識10分，病變器官鄰近解剖標志辨識10分），病變部位的定位（結合影像學檢查識別病變部位10分，病變部位在病變器官組織中的具體定位10分），牽拉周圍器官組織以顯露術野（主動有效配合程度10分，能合理應用不同手術器械協助顯露10分），目標器官的夾持（固定或者抓持器械的使用手法10分，同術者的配合意識和效果10分），術野積液和污染物的吸引（及時程度10分，主動程度10分），總分共計100分，兩名規(guī)培考官打分后取平均值。主觀考核以調查問卷體現，對教學方法進行滿意度測評，包括非常滿意、滿意、一般和不滿意，讓學員反饋教學方法的不足之處，收集學員對教學方法的建議和意見。對帶教教師同樣發(fā)放調查問券，收集帶教教師對該教學方法的建議和意見，分析限制混合現實教學實施的主客觀因素。

1.4 統(tǒng)計學方法

對A組和B組考試成績進行t檢驗，P〈 0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結果

2.1 制作多種外科MR手術場景

目前已經構建多個MR手術場景，包括肺段切除術、食管癌根治術、胃大部切除術、胃癌根治術、膽囊切除術、肝部分切除術、闌尾切除術、腎和輸尿管鏡碎石取石術、經皮腎鏡碎石取石術、腎部分切除術、輸尿管鏡檢查、膀胱鏡檢查、經尿道膀胱腫瘤電切術、腎癌根治術、腎上腺腫瘤切除術、胰十二指腸根治術、硬膜外血腫鉆孔引流術、腦膜瘤切除術、肱骨骨折、脛腓骨骨折、內外踝骨折、髕骨骨折等骨折內固定術。采用以上MR手術場景進行術前規(guī)劃，術中現場教學和模擬手術訓練。術者和學員佩戴Hololens眼鏡進行術前規(guī)劃和手術教學（見圖1）。

圖1 應用MR場景輔助現場術中教學

2.2 基本手術操作技能考核

對兩組學員均進行理論考試，各科室教研室根據?？埔?guī)培教學大綱制定理論考試試卷，采用MR輔助帶教組成績與講授式帶教組無統(tǒng)計學差異（見表1）。對兩組學員均進行外科手術操作技能考核并予以比較分析，采用MR輔助帶教組的平均手術操作考核成績高于講授式帶教組（見表2）。

表1 出科理論考試成績(均分)

表2 手術操作技能考核單項成績及總成績(均分)

2.3 調查問卷總結和應對策略

2.3.1 滿意度調查

本研究收回84份問卷均有效，結果見表3，結果顯示MR輔助帶教組學員中非常滿意的比例總體高于講授式教學組（88.1% vs 59.5%，P=0.003）。

表3 兩種教學模式的調查問卷統(tǒng)計表

2.3.2 主要問題

學員對MR設備不熟悉，MR場景和實際手術操作差距，MR設備數量和使用時間受限都限制了MR輔助教學的廣泛實施。有40.5%（17/42）的學員表示對MR設備不熟悉，容易出現操作失誤，需要一段時間學習才能熟練操作Hololens眼鏡，由帶教教師同步操作才能比較快速有效使用MR場景。帶教教師同樣建議對使用MR設備的教師進行預培訓。此外Hololens眼鏡長期佩戴之后會引起頭部不適感。

2.3.3 應對策略

定期開展MR輔助教學前培訓，制定Hololens眼鏡的使用教程提前給學員學習。在教學過程中，教師帶領學員對目標器官進行全方位觀察，引領多位學員使用Hololens眼鏡，方便學員在短時間內掌握Hololens眼鏡的使用方法。此外，各科室分配固定的MR輔助教學時間，增加設立MR設備的預約制度，組織學員組隊使用MR設施互相溝通和交流，方便教師和學員利用空閑時間來輪流使用MR設備。對于能夠熟練使用MR設備的學員，在術前預先建立MR手術場景，實行術中MR引導手術，讓學員邊觀摩手術，邊印證場景刻畫的解剖，加深學員對目標器官手術解剖的認識，從而實現更好的教學效果。

3 結語

計算機技術的發(fā)展正在改變醫(yī)學教育，從VR、AR到MR，均在醫(yī)學教育中逐步應用。VR技術是利用電腦模擬產生一個三維空間的虛擬世界，提供使用者關于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者完全進入模擬的虛擬世界，觀察三度空間內的事物，但不能反饋[7,8]。AR是通過電腦技術，在現實世界上疊加計算機生成的信息，通過視覺、聽覺、觸覺甚至嗅覺等傳感器提供一個混合交互式體驗，從而實現虛擬信息對真實環(huán)境的強化[9]?；旌犀F實技術日趨成熟,其能夠將真實視野通過特殊眼鏡與虛擬視野疊加。相對 VR 和 AR 技術，MR 技術更加直觀,使用者僅需佩戴眼鏡，不影響其正常視野，不只是簡單地在相機圖像上疊加了虛擬圖像，可以將計算機生成的圖像錨定在真實世界的某一個點上。本課題組前期研究將臨床CT/MRI影像學掃描數據使用InSpace和3D 的圖像后處理軟件進行處理，重建出可指導泌尿外科手術的三維影像模型，并成功應用于外科手術教學中[10]。在此基礎上，本項目組對模型進行改良和完善，制作出外科常見MR場景，應用于規(guī)培學員的手術教學，采用理論考試、調查問卷和操作考核的方式進行階段性評價，MR輔助教學組學員操作考核成績優(yōu)于講授式教學組，滿意度高。

目前的住院醫(yī)師外科規(guī)培化培訓手術教學存在諸多限制性因素。當前的主流外科規(guī)培教學方法包括術前閱片、術中帶教結合手術視頻教學，但由于學員在各?？戚嗈D時間短（一般2-3月），參與手術的機會相對較少，對各?？频慕馄手R認識不足，手術中難以通過主刀者的視野體驗和學習手術，因此難以短期掌握常見疾病的外科手術方法。優(yōu)秀的外科手術教學需要把知識點在教師和學員腦海中立體分層呈現，而講授式教學和手術視頻給學員的信息相對較少且缺乏立體感，視頻錄制往往僅能從單一角度進行錄制，需借助空間想象力將這些二維信息在大腦中形成三維立體圖像，無法全面在腦海中展現手術場景，因此傳統(tǒng)的教學方法難以解決輪轉時間短、接觸病例少、手術參與度低等難題。

本研究將MR技術應用在規(guī)范化培訓外科手術教學，體現出以下三重優(yōu)勢：（1）優(yōu)化手術相關解剖基礎知識教學。MR技術先采用計算機進行勾畫、處理病灶解剖場景，再讓用戶通過Hololens 眼鏡多角度、多層次顯示病灶解剖3D圖像，可以根據自身需要來進行觀測，能夠按照使用者的要求添加或者去除從體表到靶器官的所有臟器組織，比如皮膚、肌肉、骨骼、腹腔臟器、血管甚至靶器官的組成部分，提供真實的3D立體全息影像[11]。在本研究中，外科各學科遴選的帶教教師均積極參與構建優(yōu)質MR場景，結合相應的影像資料和手術錄像，給規(guī)培學員傳授手術相關解剖知識和規(guī)劃手術方案，讓學員預習手術，有利于學員理解手術和術中配合操作。（2）優(yōu)化術中教學。在實際手術過程中，帶教教師和學員使用Hololens 眼鏡，能夠同時觀察虛擬與真實的手術場景，全程實現數字模型與現實世界的銜接，并且具有一定的導航價值，在術中預見和印證目標器官的解剖分離[12,13]。有學者報道，MR場景對于泌尿外科手術具有輔助作用，有利于制定手術路徑和預判術中風險[14]。本研究使用MR技術輔助手術教學，進一步讓學員在手術臺上印證眼前的MR場景，有助于引導學員協助手術，在外科手術操作考核中表現優(yōu)于傳統(tǒng)教學組。（3）拓展手術教學時空。針對目前住院醫(yī)師規(guī)范化培訓外科手術教學時間短、機會少、上手慢的現狀，部分案例可遇不可求，觀摩手術和參與手術機會相對不足，難以在3-6月的時間內完成既定的教學目標，不利于學員的職業(yè)發(fā)展。本研究建立了小型MR場景庫，并且實行固定教學和機動靈活的預約制，提供給學員更多的MR和手術實戰(zhàn)結合的機會，有利于學員快速成長。本研究發(fā)現，規(guī)培學員在外科輪轉的短暫過程中，通過MR場景來規(guī)劃和體驗手術，并進行模擬訓練，確實優(yōu)于講授式教學。MR技術還可以應用于第三視角視頻錄制，制作手術場景數據庫，從而拓展學習時間和空間，有助于進一步提升教學效率、縮短學習曲線[15]。

目前MR輔助教學尚存在一定的缺陷，MR場景設備價格昂貴，設備和數量相對不足，學員MR場景制作耗時，帶教教師培訓不足，MR場景模擬手術缺乏觸覺反饋，術中突發(fā)情況難以通過MR場景進行展現，均需進一步完善。在本研究中，外科各學科的帶教教師積極參與建設MR場景并提供相應的手術錄像。設立MR設施預約制度，增加學員使用MR設施學習手術的機會，加強對帶教教師的培訓，組織學員組隊使用MR設施，互相溝通和交流，一定程度上可解決以上諸多問題。

本研究探索了將MR技術應用到外科規(guī)范化培訓教學中，發(fā)現MR技術和傳統(tǒng)講授式教學相比，在術前教學、術中教學、非現場教學等方面均展現了優(yōu)勢，有助于提高規(guī)培學員學習興趣，降低學習難度，縮短學習曲線，提高學員的外科手術實戰(zhàn)水平。本研究存在一定局限性，包括研究樣本量偏小、研究時間較短、考核方式不全面等，后續(xù)研究將擴大和完善外科MR手術場景數據庫，采取多種措施逐步優(yōu)化MR輔助手術教學，進一步解決外科規(guī)范化培訓教學時間短、操作機會少的難題。