虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用*

鄒昆 黃誠(chéng) 丁冉 王佰亮 程立明 王衛(wèi)國(guó) 郭萬(wàn)首 張啟棟

骨科學(xué)是一門綜合學(xué)科，內(nèi)容多，專業(yè)性較強(qiáng)，比較抽象，不易理解和記憶，涉及手術(shù)操作、解剖學(xué)、放射學(xué)等知識(shí)內(nèi)容。膝關(guān)節(jié)是骨科教學(xué)中的重點(diǎn)內(nèi)容，關(guān)節(jié)鏡手術(shù)是膝關(guān)節(jié)疾病診治的金標(biāo)準(zhǔn)，使用范圍廣，治療的傷病多，膝關(guān)節(jié)鏡實(shí)踐教學(xué)是骨科教學(xué)的重要組成部分，但是實(shí)踐性強(qiáng)，不易掌握。

目前國(guó)外多篇文獻(xiàn)紛紛報(bào)道了應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（visual reality，VR）進(jìn)行膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)教學(xué)，并且取得了良好的訓(xùn)練成果。Rahm對(duì)20名醫(yī)學(xué)生進(jìn)行關(guān)節(jié)鏡技術(shù)訓(xùn)練，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)訓(xùn)練組掌握速度快，技術(shù)明顯提高[1]。Jacobsen發(fā)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以提高學(xué)生在真實(shí)實(shí)踐操作時(shí)的技能[2]。

本研究擬探索虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用，進(jìn)行量化評(píng)估并合理優(yōu)化教學(xué)方法，以期提高教學(xué)質(zhì)量。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取北京中醫(yī)藥大學(xué)2019年4月至2019年7月期間在我科培訓(xùn)人員，包括本科生和研究生，共60人，利用計(jì)算機(jī)生成隨機(jī)數(shù)將學(xué)生隨機(jī)分為VR教學(xué)組（VR組）和傳統(tǒng)教學(xué)組（對(duì)照組），每組30人。其中，VR教學(xué)組男8人，女22人，年齡22～29歲，平均年齡（25.2±1.2）歲，其中本科3人，碩士27人；傳統(tǒng)教學(xué)組男10人，女20人，年齡23～27歲，平均年齡（25.3±1.1）歲，其中本科2人，碩士28人。兩組的學(xué)生在年齡、性別方面比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，且兩組學(xué)生先前均未進(jìn)行過(guò)膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)教學(xué)相關(guān)培訓(xùn)，如圖1所示為本研究設(shè)計(jì)流程圖。

圖1 研究設(shè)計(jì)流程圖

1.2 研究方法

1.2.1 教具準(zhǔn)備

①VR硬件為樂蝸VR頭顯（顯示尺寸：1 600英寸；瞳距調(diào)節(jié)，0～800°近視兼容；顏色：金日橙；外形材質(zhì)：塑料；產(chǎn)品尺寸：149.7 mm×91.3 mm×111.6 mm；重量：275 g），安卓手機(jī)（學(xué)生自備，要求安卓2.3以上），安裝好QQ瀏覽器VRAPP，在“我的眼鏡”中選擇“樂蝸VR”。②把膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)VR視頻導(dǎo)入手機(jī)內(nèi)存卡。視頻名稱為360-Degree Virtual Reality:Inside the Operating Roomfor an Arthroscopic Knee Surgery[3]。

1.2.2 理論教學(xué)內(nèi)容

以人民衛(wèi)生出版社出版的《外科學(xué)》中的膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)損傷、《骨科學(xué)》中的膝關(guān)節(jié)鏡章節(jié)為參考，重點(diǎn)學(xué)習(xí)膝部半月板損傷解剖、分型、術(shù)前規(guī)劃及手術(shù)培訓(xùn)，分3節(jié)課，每節(jié)課45 min進(jìn)行講授。第一節(jié)課為膝關(guān)節(jié)的解剖及運(yùn)動(dòng)損傷，第二節(jié)課為膝關(guān)節(jié)鏡技術(shù)，第三節(jié)課為膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)損傷手術(shù)培訓(xùn)。

1.2.3 教學(xué)方法

兩組學(xué)生先同時(shí)接受膝關(guān)節(jié)及關(guān)節(jié)鏡基礎(chǔ)理論知識(shí)講授教學(xué)，理論教學(xué)內(nèi)容見1.2.2，VR教學(xué)組采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)輔助教學(xué)，即將膝關(guān)節(jié)CT、MRI等影像資料輸入工作站中加以融合，構(gòu)建出逼真的三維虛擬解剖模型，便于學(xué)生進(jìn)行體驗(yàn)式學(xué)習(xí)，通過(guò)Unity VR制作好的膝關(guān)節(jié)鏡VR操作視頻和其他已有的膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)VR視頻導(dǎo)入手機(jī)，反復(fù)操作直到熟練掌握手術(shù)的每個(gè)步驟。傳統(tǒng)教學(xué)組采用傳統(tǒng)方法教學(xué)，即借助教師制作的多媒體課件和PACS系統(tǒng)中膝關(guān)節(jié)手術(shù)前后的影像資料以及Knee Arthroscopy-Teaching Video[4]視頻播放講解。幫助學(xué)生理解膝關(guān)節(jié)的解剖特點(diǎn)、膝關(guān)節(jié)損傷類型、術(shù)前規(guī)劃及手術(shù)步驟，結(jié)合臨床手術(shù)實(shí)踐訓(xùn)練關(guān)節(jié)鏡技術(shù)。現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)照片見圖3。

圖2 Unity VR制作好的膝關(guān)節(jié)鏡VR：A.箭頭表示關(guān)節(jié)鏡鏡頭所在位置；B.虛擬膝關(guān)節(jié)鏡全視圖；C.關(guān)節(jié)鏡顯示屏上畫面；D.膝關(guān)節(jié)解剖

圖3 A.VR現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)圖；B.傳統(tǒng)教學(xué)現(xiàn)場(chǎng)；C.理論教學(xué)現(xiàn)場(chǎng)1；D.理論教學(xué)現(xiàn)場(chǎng)2

1.3 教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)

1.3.1 教學(xué)效果考核

分別于培訓(xùn)期的第1周、第3周、第2個(gè)月在模擬人上進(jìn)行理論和臨床操作考核，由專家組成員進(jìn)行考核評(píng)分，并記錄學(xué)生操作出錯(cuò)次數(shù)及質(zhì)量，膝關(guān)節(jié)鏡操作考核評(píng)分見圖4。

圖4 膝關(guān)節(jié)鏡操作考核評(píng)分

1.3.2 教學(xué)效果反饋

主觀評(píng)價(jià)采用自制問卷調(diào)查表調(diào)查，內(nèi)容包含：學(xué)習(xí)主動(dòng)性、感興趣度、課程滿意度、三維空間感和虛擬交互性，學(xué)生對(duì)各項(xiàng)內(nèi)容自主從1～10分評(píng)判教學(xué)效果。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

數(shù)據(jù)采用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行分析。計(jì)數(shù)資料的兩組比較采用卡方檢驗(yàn)，組間比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，數(shù)據(jù)用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，不符合正態(tài)檢驗(yàn)和方差齊性的樣本用非參數(shù)檢驗(yàn)，數(shù)據(jù)用平均數(shù)（最小數(shù)-最大數(shù)）M（min-max）表示。P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 臨床效果主觀評(píng)價(jià)結(jié)果比較

根據(jù)問卷主觀調(diào)研，應(yīng)用VR教學(xué)組的學(xué)習(xí)主動(dòng)性、感興趣度、課程滿意度、三維空間感和虛擬交互性方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)組（P＜0.001），所以VR教學(xué)組的滿意度和感興趣度優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)組，見表1。

表1 臨床教學(xué)效果主觀評(píng)價(jià)（±s，分）

表1 臨床教學(xué)效果主觀評(píng)價(jià)（±s，分）

組別VR組對(duì)照組t值P值例數(shù)30 30學(xué)習(xí)主動(dòng)性8.87±1.08 4.67±1.27 13.506＜0.001感興趣度8.90±1.01 4.97±1.40 12.252＜0.001課程滿意度8.47±1.12 5.30±1.35 9.750＜0.001三維空間感8.53±1.02 5.07±1.44 10.584＜0.001虛擬交互性8.17±1.16 4.83±1.24 10.582＜0.001

2.2 客觀考核結(jié)果比較

VR教學(xué)組的每次操作考試平均成績(jī)均高于傳統(tǒng)教學(xué)組，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），但是VR組和對(duì)照組在理論成績(jī)上相差不大，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），見表2。

表2 VR組和對(duì)照組成績(jī)比較（±s，分）

表2 VR組和對(duì)照組成績(jī)比較（±s，分）

組別VR組對(duì)照組t值P值例數(shù)30 30操作成績(jī)第1周93.87±2.58 89.07±2.74 6.865＜0.001第3周91.97±1.85 84.87±2.96 11.699＜0.001第2個(gè)月90.97±2.43 82.47±7.21 6.020＜0.001理論成績(jī)第1周80.53±9.75 79.9±11.69 0.295 0.769第3周80.97±9.10 80.13±11.78 0.302 0.764第2個(gè)月83.00±8.75 80.50±11.61 0.926 0.358

2.3 不同學(xué)歷人員參與研究對(duì)結(jié)果影響

VR組中本科3人，碩士27人，傳統(tǒng)教學(xué)組中本科2人，碩士28人，卡方檢驗(yàn)χ2為0.218，P＝0.64＞0.05,該研究中不同學(xué)歷人員參與研究對(duì)結(jié)果影響沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

3 討論

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的新興技術(shù)，混合了人機(jī)界面、圖形、傳感器技術(shù)、高端計(jì)算等現(xiàn)代科技，其可生成全方位、多感官的認(rèn)知環(huán)境，學(xué)生可以通過(guò)一定的輸入輸出設(shè)備直接與其進(jìn)行交互操作，從而可以得到身臨其境的感覺[5-6]。如今虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)成功應(yīng)用于工程、建筑設(shè)計(jì)、飛行員和軍事訓(xùn)練中，同樣地，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)目前在醫(yī)學(xué)教育方面已經(jīng)開始有初步嘗試[7-9]，如穿刺教學(xué)、骨折教學(xué)、交互式三維可視化的醫(yī)學(xué)圖像遠(yuǎn)程指導(dǎo)等。Bernardo[10]將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用神經(jīng)外科手術(shù)教學(xué)，使得繁雜的神經(jīng)解剖結(jié)構(gòu)一目了然的呈現(xiàn)，教學(xué)效果顯著。解放軍總醫(yī)院張家墅等[11]基于多模態(tài)導(dǎo)航的虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)探討在顱內(nèi)病變穿刺手術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)能夠解決腦功能區(qū)定位和可視化問題。與傳統(tǒng)教學(xué)方式相比，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)改變了傳統(tǒng)活檢手術(shù)的教學(xué)方式，使得年輕醫(yī)師可以在術(shù)前模擬進(jìn)行手術(shù)操作，提高學(xué)習(xí)者的積極性，加深和強(qiáng)化記憶，同時(shí)可以變傳統(tǒng)解剖影像為多模態(tài)成像，便于術(shù)者直觀講解和學(xué)習(xí)者形象記憶，以往冗繁的語(yǔ)言難以闡明的神經(jīng)解剖結(jié)構(gòu)，虛擬現(xiàn)實(shí)能夠一目了然地展示出來(lái)，達(dá)到事半功倍的教學(xué)效果[11]。山西中醫(yī)學(xué)院賀金亮等[12]通過(guò)3Ds Max軟件，借助計(jì)算機(jī)建立骨折三維動(dòng)畫模型并應(yīng)用于課堂教學(xué)，研究其教學(xué)效果并評(píng)價(jià)授課滿意度，結(jié)果三維動(dòng)畫技術(shù)應(yīng)用于骨傷科教學(xué)簡(jiǎn)明有趣、直觀全面，改進(jìn)了教學(xué)效果，提升了課堂授課滿意度。

膝關(guān)節(jié)鏡實(shí)踐教學(xué)是骨科教學(xué)的重要組成部分，初學(xué)者接觸到生澀的課本知識(shí)，缺乏臨床實(shí)踐的鍛煉，缺乏三維空間立體感，理解不深，掌握就達(dá)不到效果。關(guān)節(jié)鏡手術(shù)相較于傳統(tǒng)的開放式手術(shù)，還需要醫(yī)生具備更好的雙手協(xié)調(diào)能力及操作經(jīng)驗(yàn)。既往常規(guī)采用尸體、動(dòng)物標(biāo)本練習(xí)或在患者身上實(shí)習(xí)的教學(xué)模式，具有不可重復(fù)、風(fēng)險(xiǎn)大、成本高、涉及倫理道德問題和訓(xùn)練過(guò)程不可控等缺點(diǎn)。利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，可以彌補(bǔ)這些方面的不足。在虛擬環(huán)境中，學(xué)生可以在虛擬的人身上進(jìn)行解剖的全過(guò)程及手術(shù)技能操作。此外，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)人體膝關(guān)節(jié)仿真系統(tǒng)，可以多角度、全方位地展示人體膝關(guān)節(jié)靜止?fàn)顟B(tài)下、多種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下膝關(guān)節(jié)的相對(duì)位置、相對(duì)間隙的變化等[2]。不過(guò)，關(guān)節(jié)鏡手術(shù)技術(shù)要求高，掌握膝關(guān)節(jié)鏡的基本技術(shù)是循序漸進(jìn)的過(guò)程，應(yīng)始終堅(jiān)持理論與技術(shù)并重的原則，結(jié)合現(xiàn)代科技技術(shù)VR，才能實(shí)現(xiàn)較好的效果。

目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在骨科手術(shù)教學(xué)的應(yīng)用打破了目前存在的傳統(tǒng)教學(xué)模式的局限性，使學(xué)習(xí)者在系統(tǒng)中獲得近似于真實(shí)的操作體會(huì)，節(jié)約大量的試驗(yàn)設(shè)備、樣本等，并且可以重復(fù)操作訓(xùn)練、教學(xué)、測(cè)試、分析以及進(jìn)行研究。從這方面來(lái)說(shuō)，可以有效解決教學(xué)資源緊缺的問題。除此之外，膝關(guān)節(jié)鏡虛擬教學(xué)系統(tǒng)，可以充分地利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)軟件和硬件資源具有病癥體驗(yàn)教學(xué)模塊，可模擬臨床不同的病癥，使學(xué)習(xí)者高效完成疾病學(xué)習(xí)及實(shí)踐模擬，提高教學(xué)效果[13-14]。因此，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行膝關(guān)節(jié)鏡實(shí)踐教學(xué)是一個(gè)非常有效的教學(xué)手段。

本研究結(jié)果顯示，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅有助于提高學(xué)生對(duì)骨科臨床實(shí)習(xí)的興趣，提高學(xué)生的三維空間感，還提高了骨科臨床教學(xué)質(zhì)量，但因目前缺乏觸覺和力反饋，單純VR教學(xué)不如傳統(tǒng)的膝關(guān)節(jié)鏡標(biāo)本教學(xué)手感好，只能讓學(xué)生體驗(yàn)關(guān)節(jié)鏡手術(shù)流程[15]。VR教學(xué)組的三次操作考核操作成績(jī)分別為（93.87±2.58）分、（91.97±1.85）分、（90.97±2.43）分，均高于傳統(tǒng)教學(xué)組（89.07±2.74）分、（84.87±2.96）分、（82.47±7.21）分，組間比較差異，有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。調(diào)查問卷結(jié)果：VR教學(xué)組（8.90±1.01）對(duì)此次學(xué)習(xí)更感興趣，其課程滿意度（8.47±1.12）分、三維空間感（8.53±1.02）分和虛擬交互性（8.17±1.16）分優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)組，組間比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），但兩組理論成績(jī)結(jié)果表明VR對(duì)關(guān)節(jié)鏡理論知識(shí)掌握度相差不大（P＞0.05），差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

本研究證實(shí)了VR教學(xué)較傳統(tǒng)教學(xué)方式更能提高教學(xué)效果，有助于提高學(xué)生對(duì)骨科臨床實(shí)習(xí)的興趣，拓展學(xué)習(xí)的多維度空間，增強(qiáng)三維空間想象力，與傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)教育較為枯燥單調(diào)的知識(shí)記憶相比，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在骨科教學(xué)中增加了學(xué)習(xí)的興趣。但虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)確實(shí)對(duì)增加骨科理論知識(shí)有限，然而知識(shí)的理解和掌握始終是教學(xué)中最重要的部分[16]，教學(xué)形式的新穎有趣、更好的交互性和三維呈現(xiàn)只是為教學(xué)質(zhì)量服務(wù)。因此虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以取代一部分培訓(xùn)機(jī)會(huì)，節(jié)省培訓(xùn)資源，尚不能顛覆現(xiàn)有的醫(yī)療培訓(xùn)體系[17-18]。

本隨機(jī)對(duì)照研究也存在一定局限性。首先，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的評(píng)估中，不能評(píng)估手的靈巧性或關(guān)節(jié)鏡技術(shù)，因此不能得出因?yàn)闇y(cè)試的分?jǐn)?shù)高，就意味著手術(shù)者的手術(shù)技能有所提高，該技術(shù)只能讓學(xué)生熟悉關(guān)節(jié)鏡手術(shù)相關(guān)步驟，做到心中有數(shù)。另外，教學(xué)評(píng)估問卷量表的評(píng)分是主觀的，評(píng)分多少受多種因素影響。第三，本研究樣本量較小，需要進(jìn)行更大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)研究，以增強(qiáng)目前結(jié)果的可信度。

骨科手術(shù)微創(chuàng)化是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)骨科醫(yī)師的精細(xì)操作和手眼協(xié)調(diào)能力要求越來(lái)越高，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為年輕醫(yī)生模擬手術(shù)操作，增強(qiáng)三維空間想象力，可更好幫助年輕醫(yī)生掌握專業(yè)技能，解決傳統(tǒng)教學(xué)的局限性，增強(qiáng)實(shí)踐性，縮短學(xué)習(xí)曲線，是未來(lái)醫(yī)學(xué)培訓(xùn)及考核的重要組成部分，也是提升教育質(zhì)量的重要手段[19]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也要通過(guò)5G技術(shù)革新，減少畫面延遲對(duì)眼睛的不適，多角色遠(yuǎn)程互動(dòng)，添加力反饋，以及萬(wàn)物互聯(lián)，讓體驗(yàn)者真正作為數(shù)字人參與虛擬世界中[20]。