虚拟现实VR

基于虚拟现实技术的医学教育模式在骨科教学实践中的作用与反思

作者:侯阳,上海长征医院脊柱外科

传统的医学教育模式要求住院医师在上级医师的指导下参与患者的诊断和治疗。 在这个过程中,住院医生不断积累和提高自己的知识储备和手术技能。 对于资深医师来说,很难在保证手术顺利进行的同时对住院医师进行指导,影响了临床带教质量,增加了患者的手术风险。 另一方面,随着骨科手术技术的发展和各类内固定器械的不断出现,居民需要比以往花费更多的时间来学习和掌握这些新技术。 由于骨科手术种类多样化、解剖结构复杂、手术视野狭窄,初学者很难在短时间内掌握,学习曲线较长。

为了降低患者的手术风险,增加年轻医生的实习机会,过去的骨科教学实践主要通过尸体标本手术完成手术训练。 然而,目前用于骨科手术培训的尸体资源相对匮乏,而年轻骨科医师队伍不断壮大,两者之间的矛盾日益凸显。 虚拟现实技术的出现有望从根本上解决传统医学教育模式的弊端。 虚拟现实技术利用各种医学影像数据在计算机中建立虚拟的手术环境。 借助先进的计算机技术,用户可以获得沉浸感(视觉、力等)、真实感和实时交互,并且可以改变虚拟物体的状态。 。 医生可以利用虚拟现实技术平台进行手术方案制定、手术训练、手术教学以及医生手术技能的考核和考核。 虚拟现实技术越来越多地应用于医学教育领域,对推动医学人才培养和技术进步发挥着重要作用。 笔者回顾了虚拟现实技术在骨科领域临床应用的研究报告,评价其在骨科医生临床教学和手术培训中的作用。 报告如下。

虚拟现实技术的优点

虚拟现实技术平台可以为用户提供类似于实际手术操作的真实体验,克服了以往骨科教学中生动医疗实践机会少的问题。 同时,可以避免使用动物或昂贵的尸体标本进行实验,因此无需担心伦理问题。 医生可以通过虚拟现实技术平台在短时间内掌握外科手术技能。 他们可以在术前根据虚拟手术环境中患者的情况制定相关手术方案,完成虚拟手术并评估手术效果。 如果发现缺陷,可以立即纠正手术,然后重复手术,直到获得满意的手术结果,从而可以对特定的虚拟患者进行重复手术,这在现实中显然是不可能的。 虚拟现实技术平台对于训练外科医生的操作技能、减少对患者的伤害、提高复杂手术的成功率有着非常重要的作用。 在临床实践中,虚拟现实技术平台还可以集成触觉反馈功能。 用户在骨组织钻孔、椎弓根螺钉置入、解剖部位暴露等操作过程中可以获得与实际手术类似的触觉体验。 通过与系统交互实时交互决定操作是否正确。 最后,医生不需要任何老师在虚拟现实技术平台上进行培训。 基于系统友好的人机交互界面和预设的训练程序即可完成手术训练。 同时,系统还可以根据每个科目的表现进行评估。 科学、严谨地评价其学习效果。

虚拟现实技术在骨科教学领域的应用

选择性全髋关节置换术和表面置换术 Madan 等人。 设计了2个全髋关节置换和表面置换的交互程序,包括关节脱位模型、扩孔、髋臼杯置换、假体放置和固定,可根据需要为虚拟患者设置不同的年龄、体重和身高; 用户可以在15分钟内了解并熟悉相关手术操作,并可以随时将程序下载到移动设备上进行学习,并可以通过操作的每一步来学习和掌握关节置换手术流程。 迪克等人。 报道了术前髋关节置换模拟器。 该系统可以从患者的CT扫描中收集有限元数据来构建手术模型。 操作者可以根据患者关节的生物力学特点,选择合适尺寸和弹性模量的假体。 优化手术。 迪吉奥亚等人。 推出全髋关节置换导航系统(HipNav)。 HipNav可以采集患者的CT或MRI影像数据,通过系统内置的术前三维重建模拟软件,精确构建骨盆内髋臼的各个部位。 HipNav 的模拟动态髋关节模型工具可预测股骨的运动范围和假体的最佳放置位置。 同时,Hip-Nav的力反馈功能可以帮助用户选择最适合患者的假肢。

Assassi 等人开发的髋骨模拟器。 配备光学跟踪系统,与患者MRI扫描相结合重建的髋关节模型可以更好地反映关节软组织和软骨的病理变化。 泰勒等人。 推出了可用于髋关节置换翻修的模拟器。 实验表明,它可以准确计算骨水泥的填充量,减少皮质骨穿透和股骨发生,优化假体放置,减少植骨量。 他们和其他人使用髋关节置换模拟器 (Virtops) 来制定手术计划并进行操作练习。 该系统可以通过特制眼镜为用户提供三维视野; Virtops主要用于人工半骨盆假体置换的虚拟仿真。 此外,它还可以用于切除手术,为患者设计合适的假体。

髋部骨折内固定 Tsai 等。 推出了具有力反馈功能的股骨粗隆间骨折内固定模拟器。 通过计算钻孔的力和力矩,操作者可以获得类似于真实手术的触感。 万基普拉姆等人。 测试了钻井模拟器的临床效果。 通过系统构建的股骨头骨折模型,用户可以准确地进行钻孔操作,发现不同资历的外科医生钻孔精度存在显着差异。

HOOT系统可以模拟髋关节内固定过程中的钻孔和动态髋螺钉(DHS)内固定过程中的导丝放置。 DHS内固定的关键是穿过股骨外侧皮质钻孔,向上准确进入股骨头。 BoneDocDHS模拟器可以通过搭建的髋部骨折钉板内固定模型来评估外科医生的手术水平,能够真实反映外科医生的操作技能。 考核指标包括锁定螺钉的位置、导丝的放置和手术时间。 约翰斯等人。 推出髋部骨折透视辅助导航训练模拟器,可准确评价不同级别外科医生的临床操作水平; 该系统没有使用力反馈装置,而是直接使用手术钻和导丝,这样可以更真实地反映钻头的力、振动和声音。 系统内置的无线电磁运动跟踪系统可以捕捉钻头开启后的电磁信号,使钻头的运动与模拟器上的虚拟图像显示同步。 操作者可以根据显示屏上的实时透视图像来修正操作; 临床试验证实,该系统能够客观反映骨科医生的手术水平,适用于骨科医生股骨近端骨折手术的培训和考核。

膝关节手术膝关节镜手术训练器(KAST)具有力反馈功能,可以让医生真实感受关节镜的每一步,判断关节软骨和韧带是否受损。 KAST的核心组件是一对GeomagicTouchX触觉设备、2个显示器和一套人体可视化软件。 麦卡锡等人。 成功研发出一款名为SKATS的高性价比模拟器,通过骨组织的被动力反馈,可以有效区分操作者是专家还是新手。 SAM 是一款商用膝关节镜模拟器。 它可以很好地模拟手术器械的操作,并通过自己的一对Geomagic Touch设备产生触觉反馈。 用户可以在 SAM 显示屏上清楚地看到系统生成的图像。 包含手术器械的虚拟现实内窥镜图像。 在一项测试 SAM 有效性的研究中,系统准确评估了参与试验的 26 名受试者在四种不同手术评估中的表现,并准确区分了受试者的临床水平。 Simendo是另一款已商品化的膝关节镜模拟器,不仅可以评估外科医生的操作水平,还可以用于全膝关节置换和半月板探查的基础训练。

脊柱外科椎弓根螺钉技术可以提供三柱固定,广泛应用于脊柱外科。 但螺钉位置的偏差可能会造成脊髓神经损伤,因此风险较高,初学者难以掌握。 奇塔莱等人。 利用同步教学与技术部件相结合的模拟器构建经皮腰椎椎弓根螺钉内固定模型,并用于住院医师培训。 结果显示,受试者的椎弓根螺钉进入点选择和螺钉置入的准确率显着提高。 加斯科等人。 比较了接受虚拟现实模拟器训练和传统教学法训练的两组学生腰椎椎弓根螺钉穿透率、穿透距离、螺钉插入角度的差异,发现前者可以显着改善腰椎。 椎弓根螺钉置入的准确性显着降低了螺钉穿透皮质的发生率,并显着缩短了椎弓根螺钉技术的学习曲线。 克莱因等人。 开发了专门用于椎弓根螺钉置入训练的模拟软件。 该软件使用患者 CT 扫描数据进行三维重建并在重建模型上进行训练。 它使外科医生能够掌握螺钉置入的基本技术并进行培训。 复杂病例中椎弓根螺钉置入的反复训练可提高手术安全性。 何建荣等. 利用BioMxsf虚拟手术系统对8个上颈椎标本的64排CT扫描数据进行重建,测量螺钉的插入位置并确定倾斜角度,最后根据测量的位置插入螺钉。 术后对8例标本进行MSCT扫描显示,置入的螺钉完全位于侧块内,未损伤邻近组织。

Bichlmeier 等人报道了一种用于虚拟腰椎椎弓根螺钉放置的手术虚拟现实平台,使用头戴式显示器、两套运动捕捉系统和配备传感器的仪器。 在盒子里进行手术,外科医生可以通过头戴式显示器看到三维重建的虚拟模型图像。 戈特沙克等人。 采用双盲随机对照研究分析VR技术对颈椎侧块螺钉内固定的效果。 结果表明,虚拟现实技术的应用显着提高了受试者螺钉置入的准确性。

阿部等人。 报道了一种增强现实导航系统,可用于显示经皮椎体成形术(PVP)的指甲轨迹。 操作者可以通过配备跟踪摄像头的头戴式显示器清楚地观察穿刺针的进入点和指甲轨迹的方向。 位置; 5例增强现实导航系统辅助的PVP手术均取得满意效果,未发现椎弓根穿刺或骨水泥渗漏。 伍彻尔等人。 利用虚拟现实技术研究骨科医生的精神状态对PVP临床效果的影响。 结果表明两者之间存在显着的相关性,也证实了虚拟现实模拟器的可靠性。 法伯等人。 推出腰椎穿刺模拟器。 通过系统的力反馈功能,操作者可以及时调整穿刺针的角度和深度。 测试结果表明,模拟器显着提高了腰椎穿刺的成功率。

其他骨科手术 Sourin 等人。 开发了虚拟现实骨科手术模拟器,利用系统自带的软件,可以让医生练习骨折固定并制定手术计划,而无需使用昂贵的人造骨头; 系统软件可在普通计算机上使用。 加载后,可以虚拟模拟手术操作,内置物体和手术器械,虚拟输入输出设备可以为用户提供真实的手术环境和沉浸感; 此外,该系统软件还可以虚拟模拟多种骨科疾病的手术,包括股骨手术。 骨骺滑脱、骶髂关节疾病、踝关节融合术、距下关节融合术。 西默曼等人。 开发了专门用于规划骨盆和髋臼手术的程序,并已应用于临床。 Tsai等人开发的交互式虚拟现实骨科手术模拟器。 允许外科医生在各种虚拟解剖结构上练习手术器械操作。 该系统可以模拟各种骨组织、假体和骨植入物的生成,还可以模拟各种复杂的手术,如关节置换术、矫正或开放截骨术、骨折切开复位和截肢术; 临床研究表明,该系统对于提高骨科医生的手术技能有显着效果,可用于术前计划的制定、手术培训和考核。

虚拟现实技术目前存在的问题

目前虚拟现实技术在骨科领域的应用还存在以下问题:①人体骨组织结构表面布满肌肉、韧带和血管组织,很多虚拟现实技术平台只能进行形态学建模。 实现简单骨骼结构的三维重建。 ②虚拟现实技术平台目前无法模拟操作物体的气味。 嗅觉作为人类的主要感官,能够影响外科医生的精神状态和手术操作。 实现该功能将有助于增强虚拟环境的真实性。 ③目前虚拟现实技术平台主要针对模拟手术对象的视觉图像。 骨科手术需要使用多种器械。 同时,骨组织与其邻近的肌肉、软组织、韧带的生物力学特性存在较大差异。 这为骨科医生的术中操作提供了不同的触觉感受,也可以帮助外科医生判断手术的每一步是否安全有效。 因此,虚拟现实技术平台是否具有触觉反馈功能对于评价其临床实用性具有重要意义。 指数。 ④虚拟现实技术平台的计算机处理速度直接影响物理模型三维重建的保真度和系统实时响应的速度。 因此,需要尽可能提高虚拟现实技术平台的计算机处理速度,以实现更加真实的虚拟手术模拟。

虚拟现实技术在骨科领域的发展前景

未来理想的骨科虚拟现实技术平台应该能够集成视觉、触觉、听觉、味觉反馈功能,以创建全面、更加真实的虚拟手术环境。 随着技术的进步和患者对医疗服务水平的要求越来越高,微创骨科手术是未来的发展趋势。 因此,虚拟现实技术应瞄准骨科手术发展的前沿和热点,与外科技术的更新保持同步。 更好地满足临床医生的需求。 骨科手术通常需要使用各种类型的内固定器械和内置件。 初学者往往需要经过长时间的熟悉和练习才能熟练运用。 虚拟现实技术如何准确模拟这些仪器的特性和操作,让年轻医生更有效地掌握它们? 短时间内掌握其使用方法对于促进外科技术的推广应用非常重要。

目前,虚拟现实技术平台已经可以利用患者的影像数据构建针对患者的虚拟手术模型,并据此制定手术方案并进行手术演练。 但无法实现超声图像的实时显示,CT在患者图像的实时显示方面无法与前者相比。 解决实时图像拼接的技术瓶颈有望解决这一问题。 此外,未来发展的虚拟现实技术平台可以精确设定虚拟手术的每一步,在虚拟环境中再现骨科专家的手术技巧。 操作者可以通过与系统实时交互反应,及时调整自己不规则的操作,可以达到事半功倍的效果,而不必等到每次手术练习结束才进行总结调整。 未来,虚拟现实技术还可以与3D打印技术相结合。 术前骨科医生可以利用患者特定的虚拟重建模型来确定适合患者的最佳植入物,然后利用3D打印技术进行制造,从而实现精准的骨科手术。 ,大大减少相关手术并发症。

总之,未来虚拟现实技术的不断完善和发展,完全可以满足骨科手术技术推广和传承的需要,避免传统学徒式教学方式的弊端。 虚拟现实技术平台可以显着提高手术的成功率,同时节省医疗成本,降低患者风险。 虚拟现实技术的广泛应用也将有助于节省骨科医生的时间和成本,让临床医生更多地关注如何更好地改进现有手术流程以改善患者预后,同时促进学科的技术创新和发展。 虚拟现实技术可以为临床医生提供更加真实的手术体验,更好地促进骨科技术的进步,造福广大患者。

资料来源:中华骨与关节损伤杂志,2018年3月,第33卷第3期

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