33、虚拟现实在骨科手术培训中的应用研究

虚拟现实在骨科手术培训中的应用研究

1. 引言

虚拟现实（VR）技术在提升外科手术技能方面展现出显著优势。然而，骨科手术领域的模拟器和三维（3D）学习发展相对滞后。过去二十年，关于骨科模拟器能否提升实践能力的研究有限，且对其有效性的验证研究更少。目前，大多数骨科实习医生和资深医生难以获取模拟器或VR沉浸式视频资源，模拟教学多依赖自主参与的课程。传统手术视频虽能提供手术特写，但缺乏对学习手术操作至关重要的真实视野。

随着基于能力的医学教育理念的兴起，以及对初级医生工作时间的限制，VR技术为实习医生提供了安全的实践和技能观察环境。如今，借助360°相机可获取VR沉浸式视频，使手术过程能在手术室中以广阔视野呈现，还可叠加辅助相机的详细视野，增强关键操作的清晰度。这种技术通过标准VR头显和实习医生的手机即可使用。

本研究旨在探索VR培训对骨科医生的有效性，并确定手术培训VR应用的用户需求，以优化手术VR培训的实施。

2. 文献综述

2.1 VR在医学和外科手术培训中的应用

腹腔镜手术技术要求高，需要特定的心理运动能力和技能，与传统培训所需技能不同，且在手术室中难以掌握。这些技能包括触觉反馈改变、眼手协调差异、二维图像到三维工作区域的转换以及支点效应等。掌握这些技能学习曲线长，传统培训效率低、耗时久，还可能给患者带来安全隐患。

因此，在手术室之外学习技术和非技术技能已成为外科手术培训的重要组成部分。目前的培训方法包括实体箱式训练和视频训练，而近年来，VR培训和VR模拟训练也受到关注。

VR模拟训练器能数字化重现腹腔镜手术过程和环境，与二维视频相比，它能提供更全面的视觉概览，让实习医生有更真实的手术室体验。研究表明，VR模拟训练可提高外科实习医生的技术技能。VR模拟器能在无监督的受控环境中提供基本技能培训，所获技能可转移到手术室操作中。此外，它还能产生客观的性能指标，为实习医生提供实时反馈，是早期外科实习医生获取腹腔镜手术技术技能的安全、伦理且可重复的选择。

已有研究对VR培训与传统培训方法的效果进行了比较。例如，Gurusamy等人的研究发现，接受VR培训的住院医生手术速度更快，且效果至少与视频训练相当。Alaker等人的元分析表明，VR模拟训练比视频训练更有效，与箱式训练效果相当。Nagendran等人发现，VR培训可平均缩短手术时间十分钟，并提高腹腔镜经验有限的实习医生的手术表现。不过，目前尚不清楚手术时间缩短和手术表现提升对患者和医疗资助者在改善手术结果或降低成本方面的影响，因此需要更多设计良好、低偏差和随机误差的研究来评估VR培训对临床结果的影响。

2.2 VR用户体验

有效的VR培训项目需在真实手术室环境中具备可接受性、有效性、可靠性和可重复性。VR系统设计的关键要素之一是营造逼真的沉浸感，这是VR技术的客观体现。通过高分辨率显示设备和头戴式显示器（HMD），可优化图形图像的解读，增强对虚拟环境的理解。此外，添加听觉和触觉等其他感官线索可进一步增强沉浸感，更先进的VR技术能带来更强的临场感。

虚拟环境设计的另一个重要元素是交互性，它允许用户进行导航操作，可通过手部跟踪设备、运动耦合HMD和运动跟踪紧身衣等实现。VR的高度可视化和交互性有助于理解复杂的3D结构和进行视觉空间任务训练。因此，近十年来，开发基于VR的外科教育和培训应用的兴趣不断增加。对于外科实习医生而言，开发使用更实惠头显（如Google Cardboard和Google Daydream）的低成本VR手术应用至关重要，因为桌面VR应用所需的昂贵HMD和高配置计算机可能超出他们的承受范围。鉴于VR体验在外科手术培训中的应用日益广泛，需要构建一个有效的VR解决方案框架，本研究旨在确定手术培训VR应用的特定用户需求、可用性和设计因素，作为构建该框架的初步阶段。

3. 研究方法

3.1 研究设计

试点研究是探索新干预措施或创新应用的必要步骤。本研究与VR内容提供商Mativision合作，录制了肩锁关节镜手术视频，并将其开发成VR移动应用。干预所需的观看技术包括插入VR头显的手机用于观看手术培训视频，以及装有Sensor Play应用的另一部手机用于测量陀螺仪数据，插入头显的手机由参与者自行提供。

为评估VR用于手术培训的有效性，本初步研究采用多模态方法收集数据，包括在体验VR时测量头部运动、进行问卷调查和一对一访谈。访谈由上肢顾问于2018年6月进行，时长15 - 25分钟，其中包括5分钟观看视频和10 - 20分钟完成调查及进一步讨论。

3.2 研究流程

以下是本研究的数据收集流程：

graph LR
    A[体验VR并测量头部运动] --> B[进行问卷调查]
    B --> C[一对一访谈]

3.3 研究因素分析

影响外科医生接受VR头显作为教育工具的关键成功因素如下表所示：
| 因素 | 描述 |
| ---- | ---- |
| 绩效期望 | 强调软件的实用性，设计能为外科医生带来直接益处的软件，如改进手术流程 |
| 社会影响 | 考虑外科医生的心理因素，增加同行使用VR的驱动力，可能影响外科医生的行为，提高他们使用新技术的意愿 |
| 努力期望 | 系统必须易于使用，让外科医生相信使用VRH模拟器（如HTC Vive）无需付出过多努力，这对确保他们认识到使用该技术的优势至关重要 |

本研究也存在一定局限性，样本仅为自愿参与的骨科医生，VR硬件上展示的软件仅专注于膝关节置换手术，这可能影响研究结果的普遍性。不过，本研究为UTAUT研究和医疗设备行业做出了有益贡献，是首个针对全球外科医生将VRH用作手术训练模拟器的研究。未来可针对护士对HTC Vive的接受度进行研究，也可探索其他专业群体。此外，可在相同研究环境下，进一步研究UTAUT的调节效应和实际使用情况，待HTC Vive模拟器融入组织后，即可对实际使用情况进行考察。

4. 研究结果

4.1 VR应用设计的优势

VR应用设计为外科实习医生提供了详细的图像和丰富的信息，使他们能够在远程虚拟培训中实现理论与实践的结合。例如，在肩锁关节镜手术的VR培训中，实习医生可以通过高分辨率的图像清晰地观察手术的每一个细节，同时结合相关的文字和语音说明，更好地理解手术的步骤和技巧。

4.2 存在的问题及建议

尽管VR应用具有一定优势，但仍有一些方面需要改进，具体如下：
| 改进方面 | 问题描述 | 建议 |
| ---- | ---- | ---- |
| 视频质量 | 视频可能存在分辨率不高、画面卡顿等问题，影响用户体验 | 采用更高分辨率的拍摄设备，优化视频编码和传输技术，确保视频流畅播放 |
| 可用性 | 操作界面可能不够简洁明了，导致用户在使用过程中遇到困难 | 设计简洁直观的操作界面，提供清晰的操作指南和提示，降低用户的学习成本 |
| 用户体验 | 缺乏足够的交互性和个性化设置，无法满足不同用户的需求 | 增加交互功能，如手势识别、语音控制等，同时提供个性化的学习路径和设置选项 |

4.3 教育影响

研究结果表明，VR应用具有积极的教育影响，但还需要更多的证据来支持。例如，在本次研究中，部分实习医生表示通过VR培训，他们对手术操作的理解和掌握程度有了明显提高，但由于样本数量有限，还不能得出普遍适用的结论。

5. 结论与展望

5.1 结论

本研究通过对VR在骨科手术培训中的应用进行探索，得出以下结论：
- VR技术在骨科手术培训中具有巨大的潜力，能够为实习医生提供更真实、更有效的培训环境。
- VR应用设计需要注重视频质量、可用性和用户体验，以提高用户的接受度和满意度。
- 虽然目前的研究结果显示VR应用具有积极的教育影响，但还需要进一步的研究来验证其有效性和可靠性。

5.2 展望

未来的研究可以从以下几个方面展开：
- 扩大研究样本 ：增加参与研究的骨科医生和实习医生的数量，提高研究结果的普遍性和可靠性。
- 探索不同专业群体 ：除了骨科医生，还可以研究VR技术在其他外科专业（如神经外科、心血管外科等）以及护理领域的应用。
- 研究UTAUT调节效应和实际使用情况 ：深入研究UTAUT模型中的调节效应，以及VR技术在实际临床环境中的使用情况，为其推广和应用提供更有力的支持。
- 优化VR应用设计 ：根据用户反馈和研究结果，不断优化VR应用的设计，提高其性能和功能。

graph LR
    A[扩大研究样本] --> B[探索不同专业群体]
    A --> C[研究UTAUT调节效应和实际使用情况]
    A --> D[优化VR应用设计]

总之，虚拟现实技术在骨科手术培训中的应用前景广阔，但仍需要不断地研究和改进，以更好地满足外科教育和培训的需求。