鄭 艇 解慧泓 高 飛,2,3 龔燦生,2 葉 鵬,2

（1 福建醫(yī)科大學(xué)省立臨床醫(yī)學(xué)院，福建省立醫(yī)院麻醉科，福建 福州 350001；2 福建省急救中心，福建省“一帶一路” 聯(lián)合共建實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350001；3 福建省急救中心，福建省急診醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350001）

椎管內(nèi)麻醉在分娩、泌尿外科手術(shù)、下肢骨科手術(shù)及慢性疼痛處理方面相較于全身麻醉有著無法替代的優(yōu)勢[1-2]。然而椎管內(nèi)穿刺屬于侵入性操作，初學(xué)者因缺乏臨床經(jīng)驗(yàn)在進(jìn)行盲目穿刺時(shí)會顯著增加硬膜外穿破后頭痛以及血管損傷的發(fā)生率。這些風(fēng)險(xiǎn)及并發(fā)癥使學(xué)員獲得獨(dú)立操作的機(jī)會大大減少。當(dāng)前廣泛應(yīng)用于臨床教學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)化解剖模型無法精確還原解剖層次。針對椎管穿刺操作，體驗(yàn)穿刺針接觸不同解剖層次的觸覺反饋?zhàn)兓且环N重要的提示針尖位置和幫助操作者調(diào)整穿刺路徑的方法，也是幫助初學(xué)者掌握該操作的重要臨床體驗(yàn)。目前國內(nèi)外尚未有將力反饋技術(shù)全程運(yùn)用于椎管內(nèi)麻醉教學(xué)的相關(guān)報(bào)道。筆者所在團(tuán)隊(duì)將虛擬現(xiàn)實(shí)與觸覺反饋技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)了虛擬腰硬聯(lián)合阻滯教學(xué)平臺，克服了模型教學(xué)的缺點(diǎn)，為學(xué)員提供高仿真、可重復(fù)操作的訓(xùn)練環(huán)境，并加深學(xué)員對椎管解剖的理解。本研究主要通過觀察和研究學(xué)員的模擬培訓(xùn)、評估教學(xué)效果及反饋來檢驗(yàn)該平臺的教學(xué)成果。

1 資料與方法

1.1 建立模型 選擇1名25歲男性健康志愿者的腰部CT和MRI影像學(xué)資料進(jìn)行三維重建，該志愿者BMI為20.2 kg/m2，既往無手術(shù)史和外傷史，通過X線檢測顯示腰椎正常。采用MMICS 21.0軟件進(jìn)行閾值分割和區(qū)域生長，提取肌肉、韌帶、脊柱和神經(jīng)等結(jié)構(gòu)，重建各部分的3D模型。采用3D MAX 2020軟件將L1～5椎體、棘上韌帶、棘間韌帶、黃韌帶、背部肌肉及神經(jīng)等解剖結(jié)構(gòu)的模型進(jìn)行整合。根據(jù)健康志愿者的影像學(xué)資料，調(diào)整各部分的位置及結(jié)構(gòu)厚度，并繪制全身皮膚貼圖，創(chuàng)造手術(shù)室環(huán)境。在穿刺時(shí)，系統(tǒng)提示穿刺針矢狀面、水平面最大偏移角度及穿刺針深度。在穿刺結(jié)束后，通過隱藏不同解剖結(jié)構(gòu)，可顯示穿刺針的位置以判斷穿刺失敗的原因（圖1A）。最終將生成的模型轉(zhuǎn)換為FBX格式文件，導(dǎo)入U(xiǎn)NITY 3D 2018虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)平臺，并將其設(shè)計(jì)成可交互的虛擬腰硬聯(lián)合阻滯教學(xué)模型（圖1B）。

圖1 模型建立

1.2 觸覺賦值 招募20名椎管內(nèi)穿刺經(jīng)驗(yàn)豐富（人均超過200次椎管內(nèi)麻醉）的麻醉醫(yī)師參與力反饋模擬器數(shù)據(jù)采集工作[3]。采用3個(gè)自由度的Geomagic Touch X力反饋裝置作為觸覺設(shè)備（圖1C）。根據(jù)臨床經(jīng)驗(yàn)對穿刺行徑過程中針尖接觸不同組織時(shí)所產(chǎn)生的觸覺反饋進(jìn)行賦值。對白色框中的“Gain”系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，其單位為0.1（圖1D）。取各感覺事件系數(shù)的均值，其中系數(shù)1的值約為7 N。感覺事件主要包含以下：①消毒刷接觸皮膚的力。②穿刺針在皮下組織中感受到的力。③穿刺針在棘上韌帶感受到的力。④穿刺針在棘間韌帶感受到的力。⑤穿刺針穿刺至黃韌帶時(shí)的力。⑥穿刺針在硬脊膜感受到的力。⑦穿刺針觸及骨表面的力。

1.3 虛擬仿真培訓(xùn)及實(shí)施 本研究納入福建醫(yī)科大學(xué)麻醉學(xué)系20名未有過椎管內(nèi)穿刺經(jīng)驗(yàn)的實(shí)習(xí)生，部分入選者學(xué)習(xí)過椎管內(nèi)穿刺相關(guān)知識或觀摩過臨床操作，但均無臨床或模擬器的實(shí)際穿刺操作經(jīng)驗(yàn)。在培訓(xùn)前，獲得每位學(xué)員的知情同意，并填寫1份問卷以評估其在椎管內(nèi)麻醉的培訓(xùn)經(jīng)驗(yàn)。20名學(xué)員均接受60 min的關(guān)于正中入路腰硬聯(lián)合阻滯的理論教學(xué)，內(nèi)容是臨床操作演示和演示視頻播放。在完成教學(xué)內(nèi)容后，每人每日在虛擬模型上訓(xùn)練5次，每次休息15 min，連續(xù)訓(xùn)練6 d，完成30次訓(xùn)練。為了避免每個(gè)學(xué)員相互觀察，均單獨(dú)進(jìn)行訓(xùn)練。本研究運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)聯(lián)合觸覺反饋技術(shù)完成了腰硬聯(lián)合阻滯教學(xué)平臺的建立。所有參與者均佩戴HTC VIVE設(shè)備，坐在經(jīng)過改造的桌面平臺前，通過VR眼鏡觀察虛擬模型及場景，采用Geomagic Touch X力反饋設(shè)備，對標(biāo)準(zhǔn)體質(zhì)量及年齡的計(jì)算機(jī)虛擬患者進(jìn)行正中入路椎管內(nèi)穿刺。每個(gè)穿刺步驟都根據(jù)臨床操作設(shè)計(jì)完成，依次包括定位穿刺點(diǎn)、消毒、鋪巾、局部麻醉、硬膜外穿刺、腰麻針穿刺、硬膜外腔置管。在穿刺結(jié)束后，出現(xiàn)解剖學(xué)習(xí)界面，識別背部不同肌肉的解剖位置、形態(tài)，鞏固知識。

1.4 評價(jià)指標(biāo) 由2名經(jīng)驗(yàn)豐富的麻醉醫(yī)師使用總體評分表（Global Rating Scale，GRS）[4]、Checklist檢查表對學(xué)員的操作表現(xiàn)進(jìn)行評估[4]，主要評估指標(biāo)包括GRS評分、Checklist評分以及從確定穿刺點(diǎn)到固定好硬膜外導(dǎo)管的操作全程時(shí)間。運(yùn)用20名學(xué)員的操作全程時(shí)間擬合關(guān)于操作次數(shù)的學(xué)習(xí)曲線，并繪制GRS評分、Checklist評分隨操作次數(shù)的變化曲線，評估平臺的易上手程度及學(xué)員的學(xué)習(xí)效果。在訓(xùn)練結(jié)束后，每位學(xué)員完成1份關(guān)于虛擬教學(xué)平臺的調(diào)查問卷。GRS內(nèi)容包括物品準(zhǔn)備、不損害組織、運(yùn)用有效的時(shí)間和動(dòng)作進(jìn)行操作、處理儀器的流暢程度、操作步驟的流暢程度、相關(guān)知識的了解程度、全程表現(xiàn)共7個(gè)方面，每個(gè)方面從按照表現(xiàn)的好壞程度分別記為1分、2分、3分、4分、5分（1分為最差，5分為最好），總分為35分，該量表重點(diǎn)在于評估平臺的易上手程度。Checklist檢查表內(nèi)容包括確認(rèn)穿刺部位，消毒、鋪巾，局部浸潤麻醉，運(yùn)用氣泡壓縮試驗(yàn)逐層穿刺，到達(dá)黃韌帶，突破黃韌帶、體驗(yàn)落空感，未突破硬脊膜，細(xì)針穿刺、拔出針芯，置入硬膜外導(dǎo)管，固定、貼敷料共10個(gè)操作步驟，當(dāng)某一階段沒有完成、表現(xiàn)不佳或表現(xiàn)良好時(shí)，分別給出0分、1分或2分，總分為20分，該量表重點(diǎn)在于觀察學(xué)員每個(gè)穿刺步驟的具體表現(xiàn)。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS 25.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和分析。計(jì)量資料采用（±s）表示，組間比較行t檢驗(yàn)；計(jì)數(shù)資料采用[n（%）]表示，組間比較行χ2檢驗(yàn)；P＜0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 力反饋賦值 20名麻醉醫(yī)師調(diào)整力反饋系數(shù)，取各解剖層次系數(shù)的均值，轉(zhuǎn)換成牛頓力，賦值于虛擬模型中。見表1。

表1 20名麻醉醫(yī)師進(jìn)行力反饋賦值

2.2 學(xué)習(xí)曲線 在每位學(xué)員進(jìn)行的30次穿刺操作中，時(shí)間最長為10.2 min，最短為2.2 min。隨著操作次數(shù)的增加，穿刺時(shí)間逐漸縮短，從第10次開始進(jìn)入學(xué)習(xí)穩(wěn)定期，表明學(xué)員的穿刺技能達(dá)到熟練，時(shí)間穩(wěn)定在2.4 min。見圖2。

圖2 學(xué)員每次操作時(shí)間的學(xué)習(xí)曲線

2.3 GRS評分及Checklist評分 隨著操作次數(shù)的增加，學(xué)員的GRS評分得分逐漸升高，從第8次開始，分?jǐn)?shù)趨于穩(wěn)定。在30次操作后，GRS平均得分為32.8分（滿分35分）。這一結(jié)果表明，隨著操作次數(shù)的增加，學(xué)員操作的流暢程度逐漸提高，動(dòng)作逐漸熟練，該教學(xué)平臺容易上手（圖3A）。隨著操作次數(shù)的增加，學(xué)員的Checklist評分得分逐漸升高，從第10次開始，操作得分趨于穩(wěn)定。在30次操作后，Checklist平均得分為19.8分（滿分20分），結(jié)果表明，隨著操作次數(shù)的增加，學(xué)員完成操作步驟的準(zhǔn)確度提高，每一個(gè)步驟完成得更加完整、到位（圖3B）。

圖3 學(xué)員每次操作的評分

2.4 問卷調(diào)查 向20名學(xué)員分別發(fā)放調(diào)查問卷。所有學(xué)員一致認(rèn)為，未接受培訓(xùn)的初學(xué)者缺乏操作經(jīng)驗(yàn)和信心，對針尖的定位方面缺乏把握，擔(dān)憂發(fā)生穿破蛛網(wǎng)膜、損傷神經(jīng)及血管等情況（圖4A）。在該平臺進(jìn)行穿刺訓(xùn)練時(shí)，80%的學(xué)員認(rèn)為運(yùn)用力反饋設(shè)備進(jìn)行消毒及硬膜外穿刺的臨床代入感較強(qiáng)，50%的學(xué)員認(rèn)為臨床代入感一般，只有1名學(xué)員認(rèn)為平臺缺乏臨床代入感（圖4B）。多數(shù)學(xué)員認(rèn)為，相較于傳統(tǒng)教學(xué)模型，該平臺有助于增強(qiáng)解剖結(jié)構(gòu)的識別能力，操作過程中，特別強(qiáng)調(diào)了黃韌帶的突破感。然而，30%的學(xué)員認(rèn)為該平臺操作設(shè)備昂貴、部分仿真效果欠佳（圖4C）。總體來說，80%的學(xué)員對該平臺的滿意度較高（圖4D）。

圖4 調(diào)查問卷情況

3 討論

近年來，在國內(nèi)外教學(xué)改革實(shí)踐中，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)嵌入醫(yī)學(xué)教育過程的創(chuàng)新型教學(xué)模式已經(jīng)得到飛速發(fā)展。此外，力反饋技術(shù)的交互帶來真實(shí)的觸覺反饋，也為虛擬仿真教學(xué)提供了豐富的實(shí)現(xiàn)路徑。在虛擬椎管教學(xué)的發(fā)展過程中，Matthias等[5]于2008年提出了一種虛擬系統(tǒng)用于腰椎穿刺訓(xùn)練。該系統(tǒng)的視覺組件顯示了整個(gè)腰椎的3D視圖及穿刺過程中針尖的不同位置，觸覺組件提供穿刺過程的力反饋實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合操作。Kulcsar等[6]于2011年應(yīng)用VR技術(shù)聯(lián)合觸覺裝置設(shè)計(jì)出帶有15檔力反饋調(diào)節(jié)的虛擬硬膜外穿刺教學(xué)模型，使穿刺行徑的觸覺反饋更貼近真實(shí)。然而，這2個(gè)模型均未模擬出整個(gè)人體及穿刺場景，僅在硬膜外穿刺階段提供觸覺反饋，體驗(yàn)感較為薄弱。實(shí)際上，識別出穿刺過程中針尖所處的不同解剖層次對椎管內(nèi)穿刺是至關(guān)重要的。因此，本研究進(jìn)行了改進(jìn)，采用標(biāo)準(zhǔn)人體數(shù)據(jù)進(jìn)行腰椎模型的三維重建，模擬整個(gè)腰硬聯(lián)合阻滯的過程，包括人體貼圖及手術(shù)室環(huán)鏡，并在操作結(jié)束后進(jìn)行解剖教學(xué)。對于操作過程的力反饋設(shè)計(jì)，本研究邀請了20位經(jīng)驗(yàn)豐富的麻醉醫(yī)師進(jìn)行各個(gè)層次的力反饋系數(shù)的調(diào)整、賦值，使觸覺反饋更接近臨床實(shí)際。

本研究對平臺進(jìn)行教學(xué)評估，發(fā)現(xiàn)學(xué)員的總穿刺時(shí)間在練習(xí)10次后趨于穩(wěn)定，與Weil等[7]和邱曉曉等[8]的研究數(shù)據(jù)相比有所減少。分析可能原因是本虛擬平臺采用標(biāo)準(zhǔn)化患者模型進(jìn)行三維重建，椎管解剖較為典型，使得學(xué)員更易熟練掌握該項(xiàng)技能。關(guān)于整體操作流暢程度的GRS評分和關(guān)于具體操作步驟的Checklist評分是評估學(xué)員掌握操作技能的可靠方法[4]。本研究采用了上述2個(gè)評分系統(tǒng)來評估學(xué)員掌握操作技能的程度，其中GRS主要評估平臺的易上手程度，Checklist進(jìn)一步細(xì)分穿刺過程，著重評估學(xué)員完成操作步驟的準(zhǔn)確程度。本研究結(jié)果表明，學(xué)員在訓(xùn)練8次后，操作流暢程度達(dá)到學(xué)習(xí)穩(wěn)定期，訓(xùn)練10次后，操作步驟準(zhǔn)確度趨于穩(wěn)定，這與Friedman等[4]的研究結(jié)果相似。因此，可將操作的穩(wěn)定點(diǎn)附近作為學(xué)習(xí)終點(diǎn)的參考，并設(shè)置合理的教學(xué)周期，在節(jié)約教學(xué)資源的同時(shí)，使虛擬裝置得到充分的利用，保證教學(xué)效果。

調(diào)查問卷結(jié)果顯示，該平臺的沉浸感較強(qiáng)，增加了學(xué)員的黃韌帶突破感體驗(yàn)，對提高學(xué)員的操作能力有所幫助。在傳統(tǒng)椎管內(nèi)穿刺過程中，穿刺針需要穿過棘上韌帶、棘間韌帶，并穿透黃韌帶才能完成穿刺，這一突破感非常重要。由于初學(xué)者缺乏對各種觸覺反饋的判斷經(jīng)驗(yàn)，無法準(zhǔn)確調(diào)整針尖角度從而完成黃韌帶的穿透，導(dǎo)致學(xué)習(xí)困難。本研究采用的力反饋技術(shù)恰好可以彌補(bǔ)這一不足，通過界面提示穿刺針?biāo)矫婕笆笭蠲娴淖畲笃平嵌?，引?dǎo)學(xué)員主動(dòng)及時(shí)調(diào)整垂直穿刺角度，并可執(zhí)行氣泡壓縮試驗(yàn)判斷針尖位置，如此循環(huán)訓(xùn)練可提高學(xué)員對穿刺角度及針尖的判斷力。但由于本研究重點(diǎn)在于體現(xiàn)不同解剖層次的力反饋，在鋪巾、置管等步驟中仍存在需以動(dòng)畫替代的情況，期望在后續(xù)的研究中進(jìn)一步改進(jìn)。

本研究不足：首先，該模型是基于標(biāo)準(zhǔn)化患者的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而臨床上還存在較多復(fù)雜病例，如脊柱側(cè)彎、韌帶鈣化、椎管狹窄，需要后續(xù)增加虛擬病例庫以完善該平臺。其次，本研究納入的培訓(xùn)對象為未經(jīng)過教學(xué)的實(shí)習(xí)生，該平臺是否對已有培訓(xùn)及臨床經(jīng)驗(yàn)的住院醫(yī)師有幫助，還需對不同層次的人群進(jìn)行培訓(xùn)了解教學(xué)效果。此外，學(xué)員反饋該平臺在鋪巾、置管等步驟的臨床代入感一般，后續(xù)將采用虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)方式，與標(biāo)準(zhǔn)化模型教具相輔助，彌補(bǔ)平臺的不足，激發(fā)學(xué)員的積極性。

綜上所述，基于虛擬現(xiàn)實(shí)聯(lián)合觸覺反饋技術(shù)的腰硬聯(lián)合阻滯教學(xué)平臺模擬了椎管內(nèi)穿刺的整個(gè)操作過程，保障了操作的完整性和真實(shí)性，確保學(xué)員在一個(gè)無損傷、可重復(fù)的環(huán)境中提高其操作技能。該平臺為學(xué)員提供了一個(gè)安全有效的學(xué)習(xí)環(huán)境，并為今后虛擬仿真教學(xué)的開展提供了更加可靠的參考數(shù)據(jù)。