膝關(guān)節(jié)鏡虛擬仿真模擬手術(shù)系統(tǒng)的培訓(xùn)效果評(píng)價(jià)研究

王博，楊群，張衛(wèi)國(guó)，張光前，宋媛，張俊，董擂

（1. 大連醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院骨外科，遼寧 大連 116011；2. 大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116024；3. 大連醫(yī)科大學(xué)，遼寧 大連 116044；4. 大連醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院普外科，遼寧 大連 116011）

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（virtual reality technology, VRT）是采用以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的各種技術(shù)生成逼真的視、聽(tīng)、觸覺(jué)一體化虛擬環(huán)境，使用者借助必要的設(shè)備以自然的方式(如頭的轉(zhuǎn)動(dòng)、手的運(yùn)動(dòng)等身體“語(yǔ)言”)與虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互、相互影響，通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)以及觸覺(jué)等觸發(fā)設(shè)備使使用者產(chǎn)生親臨等同真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)[1]。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與人體解剖、生理、生化以及現(xiàn)代外科手術(shù)學(xué)結(jié)合產(chǎn)生了虛擬醫(yī)學(xué)系統(tǒng)，為臨床醫(yī)學(xué)教學(xué)以及手術(shù)指引與評(píng)估提供了全新的模式，顯示了它的巨大潛力和實(shí)用前景[2]。本研究采用膝關(guān)節(jié)鏡虛擬仿真模擬手術(shù)系統(tǒng)對(duì)骨科醫(yī)師進(jìn)行手術(shù)培訓(xùn)，評(píng)價(jià)其培訓(xùn)效果。

1 對(duì)象與方法

1.1 對(duì)象及分組

選取2012年1月1日至2013年12月31日來(lái)大連醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院骨科進(jìn)修的醫(yī)師36名作為研究對(duì)象，將其隨機(jī)分為實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組，其中實(shí)驗(yàn)組20名，對(duì)照組16名，記錄每位醫(yī)師的年齡、性別、職務(wù)。對(duì)兩組醫(yī)師均進(jìn)行為期45 d的理論教學(xué)和手術(shù)觀摩，其中實(shí)驗(yàn)組醫(yī)師另增加膝關(guān)節(jié)鏡虛擬仿真模擬手術(shù)系統(tǒng)培訓(xùn)。

1.2 仿真系統(tǒng)及訓(xùn)練方法

本研究采用膝關(guān)節(jié)鏡虛擬仿真模擬手術(shù)系統(tǒng)軟件由 ITK、VTK等開(kāi)發(fā)包組成，采用 CMake 跨平臺(tái)編譯器和Microsoft Visual C++.NET2003作為編程語(yǔ)言，對(duì)以上開(kāi)發(fā)包進(jìn)行了整合和開(kāi)發(fā)，將計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）、核磁共振成像（MRI）等獲取的病人影像信息進(jìn)行三維重構(gòu)，生成適合虛擬醫(yī)學(xué)教育系統(tǒng)的幾何模型。建立膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)系統(tǒng)模塊，使用帶有傳感器的設(shè)備模擬操作手術(shù)器械的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等相應(yīng)動(dòng)作。虛擬操作過(guò)程器械和組織之間的接觸應(yīng)根據(jù)虛擬對(duì)象的自身特性進(jìn)行模擬，非剛性的組織器官碰撞到器械會(huì)發(fā)生表面形變，需要通過(guò)計(jì)算碰撞表面的位點(diǎn)改變重新繪制圖形。學(xué)生通過(guò)應(yīng)用虛擬醫(yī)學(xué)系統(tǒng)的模擬臨床實(shí)踐過(guò)程中可反復(fù)進(jìn)行手術(shù)操作，基本技能培訓(xùn)項(xiàng)目包括鏡頭導(dǎo)向、儀器導(dǎo)向、鏡頭與儀器運(yùn)用協(xié)調(diào)訓(xùn)練、抓放物體訓(xùn)練、組織切斷訓(xùn)練、抬物和夾針訓(xùn)練、關(guān)節(jié)清理、游離體摘除、儀器操作準(zhǔn)確性與速度訓(xùn)練等。

1.3 結(jié)果評(píng)價(jià)及統(tǒng)計(jì)分析

于培訓(xùn)期的第15、30、45天進(jìn)行考核，采用實(shí)際手術(shù)中由專家給予打分的方式考核，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1，共5項(xiàng)滿分25分，同時(shí)記錄手術(shù)完成時(shí)間、手術(shù)出錯(cuò)次數(shù)。手術(shù)評(píng)分、手術(shù)完成時(shí)間采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（s）來(lái)表示，兩組之間的比較采用兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，手術(shù)出錯(cuò)次數(shù)的檢驗(yàn)采用Fisher確切概率檢驗(yàn)，檢驗(yàn)水準(zhǔn)α=0.05，P<0.05認(rèn)為有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，所有分析均采用SPSS17.0完成。

表1 關(guān)節(jié)鏡手術(shù)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果

2.1 兩組基本情況

實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組的性別、年齡、職稱均檢驗(yàn)均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）,具體情況如表2。

表2 兩組基本情況

2.2 兩組手術(shù)得分比較

兩組醫(yī)師第一次手術(shù)得分經(jīng)檢驗(yàn)無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）, 實(shí)驗(yàn)組第二次手術(shù)得分高于對(duì)照組，經(jīng)檢驗(yàn)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）, 實(shí)驗(yàn)組第三次手術(shù)得分高于對(duì)照組，經(jīng)檢驗(yàn)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.01）,如表3。

表3 兩組三次手術(shù)得分比較

2.3 兩組手術(shù)出錯(cuò)次數(shù)的比較

兩組手術(shù)出錯(cuò)次數(shù)均呈下降趨勢(shì)，但實(shí)驗(yàn)組的出錯(cuò)次數(shù)下降較對(duì)照組明顯，除第一次兩組手術(shù)出錯(cuò)次數(shù)經(jīng)檢驗(yàn)無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義外（P>0.05），第二次、第三次實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組手術(shù)出錯(cuò)次數(shù)經(jīng)檢驗(yàn)均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05），如表4。

表4 兩組三次手術(shù)出錯(cuò)次數(shù)比較

3 討論

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種由計(jì)算機(jī)技術(shù)生成的高技術(shù)模擬系統(tǒng)，自20世紀(jì)90年代被關(guān)注以來(lái)，已在城市規(guī)劃、軍事航天、室內(nèi)設(shè)計(jì)、工業(yè)仿真等多個(gè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，虛擬人、虛擬手術(shù)的應(yīng)用也逐漸成為了熱點(diǎn)[3]。目前國(guó)內(nèi)運(yùn)用虛擬顯示訓(xùn)練進(jìn)行膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)培訓(xùn)仍是一個(gè)嶄新的領(lǐng)域，如何恰當(dāng)?shù)倪\(yùn)用這種教學(xué)模式是亟待解決的問(wèn)題。本研究即采用膝關(guān)節(jié)鏡虛擬仿真模擬手術(shù)系統(tǒng)對(duì)骨科醫(yī)師進(jìn)行膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)培訓(xùn)，評(píng)價(jià)其培訓(xùn)效果，以期為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在骨科醫(yī)師培訓(xùn)中的應(yīng)用提供依據(jù)。

本研究結(jié)果顯示膝關(guān)節(jié)鏡虛擬仿真模擬手術(shù)系統(tǒng)能夠較大幅度的提高實(shí)驗(yàn)組醫(yī)師的手術(shù)技能，隨著培訓(xùn)期加長(zhǎng)，其手術(shù)得分也不斷提高，手術(shù)出錯(cuò)次數(shù)不斷下降，同時(shí)與對(duì)照組相比，其差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，這與陳為堅(jiān)等[4]的研究一致。由于關(guān)節(jié)鏡手術(shù)技術(shù)難度較大，培訓(xùn)醫(yī)師直接在病人身上進(jìn)行操作風(fēng)險(xiǎn)較高，而實(shí)驗(yàn)動(dòng)物在疾病特征、解剖結(jié)構(gòu)、組織強(qiáng)度等方面均與病人有加大差異，故手術(shù)的能力也無(wú)法完全通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練獲得[5]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可通過(guò)模擬手術(shù)場(chǎng)景，使培訓(xùn)醫(yī)師在不使用真實(shí)的病人、動(dòng)物和尸體或者僅僅使用機(jī)械模型模擬器來(lái)進(jìn)行訓(xùn)練和評(píng)估，獲得所需要的手術(shù)技能。相較于傳統(tǒng)的理論教學(xué)和手術(shù)觀摩，采用理論教學(xué)、手術(shù)觀摩和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬結(jié)合的培訓(xùn)，更易于培訓(xùn)醫(yī)師對(duì)培訓(xùn)內(nèi)容進(jìn)行直觀體驗(yàn)，熟悉手術(shù)流程、掌握手術(shù)操作，可以有效地提高其培訓(xùn)效率和質(zhì)量。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也已應(yīng)用到了如腰椎間盤(pán)鏡手術(shù)、腹腔鏡手術(shù)、眼科手術(shù)等[6-8]多種手術(shù)技能的培訓(xùn)當(dāng)中，并獲得了良好的效果，但目前仍有諸多因素制約著其在臨床技能培訓(xùn)中的應(yīng)用。一方面質(zhì)量較好的虛擬現(xiàn)實(shí)模擬系統(tǒng)價(jià)格較高，且體積一般較大，限制了其廣泛應(yīng)用，另一方面虛擬現(xiàn)實(shí)模擬系統(tǒng)的仿真度、操作力度等方面仍與現(xiàn)實(shí)有一定差距，需要進(jìn)一步提高。故綜合利弊，建議將虛擬現(xiàn)實(shí)模擬系統(tǒng)與傳統(tǒng)理論教學(xué)、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)、手術(shù)觀摩等方式結(jié)合起來(lái)，提供骨科手術(shù)技能培訓(xùn)的優(yōu)良方法。

[1]姜紅, 王利, 張兆臣. 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)醫(yī)療設(shè)備, 2008, 23(8): 49-52.

[2]CHEN Y X, ZHANG K, HAO Y N, et al. Research status and application prospects of digital technology in orthopaedics[J]. Orthop Surg, 2012, 4(3): 131-138.

[3]DAVIES J, KHATIB M, BELLO F. Open surgical simulation--a review[J]. J Surg Educ, 2013 , 70(5): 618-627.

[4]陳為堅(jiān), 謝曉輝, 李赟罡, 等. 虛擬膝關(guān)節(jié)鏡系統(tǒng)培訓(xùn)臨床醫(yī)生的手術(shù)技能[J]. 中國(guó)組織工程研究, 2013, 17(9): 1641-1646.

[5]MABREY J D, REINIG K D, CANNON W D. Virtual reality in orthopaedics: is it a reality[J]. Clin Orthop Relat Res, 2010,468(10): 2586-2591.

[6]羅偉, 吳明燦. 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的腹腔鏡操作培訓(xùn)系統(tǒng)的研制[J]. 臨床工程, 2013, 28(11): 117-119.

[7]方針強(qiáng), 王祥衛(wèi), 易善紅等. 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)結(jié)合手術(shù)教學(xué)在泌尿外科腹腔鏡培訓(xùn)中的應(yīng)用[J]. 重慶醫(yī)學(xué), 2012, 41(33):3568-3569.

[8]吳敏, 胡竹林, 何丹. 虛擬現(xiàn)實(shí)手術(shù)模擬儀在白內(nèi)障手術(shù)培訓(xùn)中的運(yùn)用[J]. 眼科研究, 2009, 27(3): 365.