腹腔镜阑尾切除术虚拟仿真实验平台的开发与应用研究.pdf

第3 7卷第5期2 0 2 3年1 0月 中 国 医 学 教 育 技 术 CH I NA ME D I C A LE DU C AT I ONT E CHNO L OG YV o l.3 7N o.5O c t.2 0 2 3基金项目:全国医学专业学位研究生教育指导委员会研究课题重点项目(A-Y X C 2 0 2 0 0 2 0 2-0 5);教育部产学合作协同育人项目(2 0 1 9 0 1 0 9 0 0 0 2);南昌大学校级教改课题(N C U J G L X-1 9-1 3 1);江西省虚拟仿真实验教学一流本科课程(2 0 2 1)和南昌大学第四批校级示范性虚拟仿真实验教学项目。收稿日期:2 0 2 3-0 3-2 5作者简介:肖焘(1 9 8 3-),男,南昌人,副主任医师,博士,研究方向为信息技术与外科学技能教学改革研究。腹腔镜阑尾切除术虚拟仿真实验平台的开发与应用研究肖 焘1,2,3,金紫薇2,揭志刚1,2南昌大学:1.第一附属医院;2.第一临床医学院,南昌3 3 0 0 0 6;3.东京大学医学部附属病院,日本 东京1 1 3-8 6 5 5【摘要】随着三维重建、虚拟现实等新兴信息技术的发展,通过构建三维虚拟仿真实验平台积极探索外科手术技能教学改革的必要性日渐凸显。虚拟仿真实验平台能够高度还原外科手术技能过程,学员可通过逼真的三维实验场景实践虚拟技能实验过程,且平台即使在虚拟仿真实验室外也能随时在线实践(二维场景),进而实现对传统外科教学模式的创新。文章以腹腔镜阑尾切除术虚拟仿真实验平台的构建为例,详细介绍了如何开发这类适用外科手术技能教学的虚拟仿真实验平台,并示范如何在外科专业型硕士研究生的临床技能教学中有效应用这类平台以改善教学效能。【关键词】外科技能教学改革;三维重建;虚拟现实技术;虚拟仿真实验课程【中图分类号】G 4 3 4【文献标志码】A【文章编号】1 0 0 4-5 2 8 7(2 0 2 3)0 5-0 5 4 4-0 5【D O I】1 0.1 3 5 6 6/j.c n k i.c m e t.c n 6 1-1 3 1 7/g 4.2 0 2 3 0 5 0 0 9D e s i g na n da p p l i c a t i o no f v i r t u a l s i m u l a t i o ne x p e r i m e n tp l a t f o r mo fL a p a r o s c o p i cA p p e n d e c t o m yX I A OT a o1,2,3,J I NZ i w e i2,J I EZ h i g a n g1,2N a n c h a n gU n i v e r s i t y:1.T h eF i r s tA f f i l i a t e dH o s p i t a l;2.F i r s t C l i n i c a lM e d i c a lC o l l e g e,N a n c h a n g3 3 0 0 0 6,C h i n a;3.T h eU n i v e r s i t yo fT o k y oH o s p i t a l,T o k y o1 1 3-8 6 5 5,J a p a n【A b s t r a c t】W i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h r e e-d i m e n s i o n a lr e c o n s t r u c t i o n,v i r t u a lr e a l i t y,a n do t h e re m e r g i n gi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g i e s,i ti si n c r e a s i n g l yn e c e s s a r yt oa c t i v e l ye x p l o r et h er e f o r m o f s u r g i c a l s k i l lt e a c h i n g b y c o n s t r u c t i n g a t h r e e-d i m e n s i o n a l v i r t u a l s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t a lp l a t f o r m.T h ev i r t u a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n t a lp l a t f o r m c a nh i g h l ys i m u l a t et h es u r g i c a l p r o c e s s,t h es t u d e n t sc a np r a c t i c et h es u r g i c a lp r o c e s s i nt h er e a l i s t i ct h r e e-d i m e n s i o n a le x p e r i m e n t s c e n e,a n dt h ep l a t f o r mi sa v a i l a b l eo n l i n ea sat w o-d i m e n s i o n a lm o d e la ta n yt i m ee v e no u t s i d e t h es i m u l a t e d l a b o r a t o r yt or e a l i z e t h e i n n o v a t i o no f t h e t r a d i t i o n a l s u r g i c a l t e a c h i n gm o d e.T a k i n gt h ec o n s t r u c t i o no fav i r t u a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n t a lp l a t f o r mf o rL a p a r o s c o p i cA p p e n d e c t o m ya sa ne x a m p l e,t h i sp a p e r i n t r o d u c e s i nd e t a i lh o wt od e v e l o pt h i sk i n do fv i r t u a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n t a lp l a t f o r ms u i t a b l ef o rt e a c h i n gs u r g i c a ls k i l l s,a n dd e m o n s t r a t e sh o wt oe f f e c t i v e l ya p p l yt h i sk i n do fp l a t f o r mt o i m p r o v e t e a c h i n ge f f i c i e n c y i nc l i n i c a l s k i l l s t e a c h i n gf o rg r a d u a t es t u d e n t s f o rp r o f e s s i o n a lm a s t e rd e g r e eo fS u r g e r y.【K e yw o r d s】s u r g i c a ls k i l l t e a c h i n gr e f o r m;t h r e e-d i m e n s i o n a lr e c o n s t r u c t i o n;v i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g y;v i r t u a l s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t c o u r s e 近年来,随着新兴信息技术的快速发展,使得虚拟仿真技术开始应用于高等教育的实验教学1。截至2 0 2 1年9月,国家级虚拟仿真实验项目中医学相关项目达3 6 6个2。由此可见,虚拟仿真技术在医学教育中被广泛应用。在外科技能教学中,虚拟仿真实验教学平台能让信息与实验资源的共享程度达到最大化,具有强大的交互能力并支持多方协作,极大地改善了临床手术教学中所面临的问题3-6。笔 第3 7卷第5期 肖 焘等.腹腔镜阑尾切除术虚拟仿真实验平台的开发与应用研究者所在团队在既往三维重建技术研究的技术累积下7,基于虚拟现实技术开发了一个腹腔镜阑尾切除术虚拟仿真实验平台,并用于外科专业型硕士的技能教学。通过该虚拟实验平台,学员可以手控三维重建虚拟模型自主学习相关外科解剖知识和手术操作步骤,再通过游戏化的教学过程逼真体验虚拟手术,从而让学员将枯燥的理论知识和抽象的技能操作通过虚仿教学过程内化并掌握,实现与后续临床实践的有效衔接,进而提升外科临床技能教学的效率与质量。1 腹腔镜阑尾切除术虚拟仿真教学系统腹腔镜 阑 尾 切 除 术 虚 拟 仿 真 软 件 系 统 采 用U n i t y 3 D引擎开发,旨在以虚代实、以虚补实、以虚拓实、虚实结合8该系统逻辑上采用M a n a g e ro fM a n a g e r s架构设计,将音频模块、模型模块、动作模块、交互模块、答题模块等在空间上独立,各模块相互之间是一种弱耦合的逻辑关系,方便维护与扩展;渲染部分采用UR P渲染技术,在保证效果的前提下尽可能降低性能要求。虚拟手术场景参考某真实医院手术科室,布设仪器、手术台、治疗车等,真实还原腹腔镜阑尾切除术手术场景。场景中的模型用具是对真实模型仪器拍照及测量,通过3 D sM a x软件1 1建模,再运用P h o t o s h o p,B o d y P a i n t3 D,S u b s t a n c eP a i n t e r等工具制作贴图完成。整个设计开发过程采用了3 D sM a x,M a y a,P h o t o s h o p,B o d y P a i n t3 D,S u b s t a n c eP a i n t e r,Z B r u s h,U n i t y 3 D,V i s u a lS t u d i o等工具。该腹腔镜阑尾切除术虚拟仿真软件系统对于计算机软硬件配置要求如下:C P U为I n t e lC o r ei 5-9 4 0 0同级别及以上;主板为B 3 6 0同级别及以上;内存为8 G BD D R 4同级别及以上;显卡为NV I D I AG T X1 0 5 04 G B同级别及以上;硬盘为1 2 8 G B固态硬盘+5 0 0 G B机械硬盘,S AT A;系统为W i n d o w s1 0专业版1 8 0 3及以上。交互硬件包括鼠标和键盘等,运行模式为独立模式。腹腔镜阑尾切除术虚拟仿真软件系统技术实现模式如图1所示。图1 腹腔镜阑尾切除术虚拟仿真实验软件技术实现模式2 实验设计2.1 实验整体设计思路从虚实结合的角度出发,以打破传统的灌输式教学、提升学生的实践能力为目标,以三维重建与虚拟现实等先进信息技术为依托,构建一个涵盖实操、互动、评价、在线答疑的教学一体化虚拟仿真实验平台,提升学生的临床思维与临床技能。2.2 实验教学方法设计在整个虚拟仿真实验过程中,学生通过交互性的虚拟仿真手术操作、案例分析、操作视频、在线答疑等方式进行学习,不受时间、地点限制。通过腹腔545 中 国 医 学 教 育 技 术第3 7卷第5期镜阑尾切除术的训练与学习,学生可掌握基本的腹腔镜手术操作技能,从而在包括腹腔镜阑尾切除术在内的各类腹腔镜手术中熟练运用。实验教学方法设计如图2所示。图2 腹腔镜阑尾切除术虚拟仿真实验教学方法设计2.3 实验考核设计操作考核 学生完成操作后,平台根据操作过程中的正确与否进行评分,此评分作为判断学生掌握情况的重要指标之一。理论考核 学生撰写实验报告,重点阐述操作过程中遇到的问题,并进行随堂测验,这些作为平时成绩的重要补充部分。3 实验实现3.1 实验概述教师通过虚拟仿真实验教学软件系统,向学生展示三维重建后的正常人体三维解剖结构与临床病例三维重建解剖图像,并同时告知需要掌握的重要知识点(如图3 a所示)。教师利用虚拟仿真教学软件演示手术过程,并通过软件的虚拟手术操作功能对各组织器官进行模拟大体解剖,逐层展示各组织器官的名称、位置、结构及与病变组织器官的位置关系,详细讲述普外科手术常规手术入路、操作平面、操作技巧等(如图3 b所示)。教师授课完成后,讲解虚拟仿真教学软件的基本功能和操作要点,随后学员开始在虚拟仿真实验室利用虚拟仿真教学软件系统完成虚拟手术技能实践。实践完成后设置小组讨论,并布置课后作业。授课结束后,教师在虚拟实验教学平台上对学生进行问卷调查,主要从提高学习积极性、学习效率、自主学习能力、培养临床思维等方面进行调查。所有课程完成后组织考试,包括理论知识和手术操作实践考核。图3 腹腔镜阑尾切除术虚拟仿真实验概述示意图3.2 实验过程描述学生登录该虚拟仿真实验项目后,即可开始进行腹腔镜阑尾切除术的手术操作。主界面展示了腹腔镜阑尾切除术的概述(如图4所示)、适应证与禁忌证、案例与手术用物准备。阅读完相关基础知识后,就进入了手术操作模块,学生根据系统提示选择相应的手术器械完成手术操作。内容包含消毒、穿手术衣、戴手套、铺巾等最基本的手术技能操作,645 第3 7卷第5期 肖 焘等.腹腔镜阑尾切除术虚拟仿真实验平台的开发与应用研究腹腔镜的术前准备如建立气腹、建立观察孔和操作孔、组装腹腔镜并对白调焦,最后进入阑尾切除操作。阑尾切除操作步骤如下:点击“过程”正式进入操作步骤,摆好患者体位后,在患者的腹部选择正确的三孔法穿刺点;贴电极片,消毒,穿手术衣戴手套,铺巾;建立气腹;建立观察孔和操作孔,开始探查腹腔寻找阑尾;找到病变阑尾后,游离阑尾系膜并裸化阑尾动脉,结扎离断阑尾动脉,游离裸化阑尾根部并结扎,离断阑尾后取出阑尾,擦净周围盆腔积液;再依次探查腹腔,确认无误后,撤气腹,缝合,贴纱布,手术结束。图4 腹腔镜阑尾切除术虚拟仿真软件主界面3.3 实验考核要点学生完成操作后,系统根据操作的正确与否进行打分,赋分模型的内容包括穿刺点的位置选择、消毒范围、铺巾的顺序、腹腔探查的顺序、游离阑尾动脉、游离阑尾系膜、取出阑尾等操作是否正确。教师根据学生的分数判断学生对知识点的掌握情况并进行针对性的教学。学生根据自己的掌握情况,可重复进行学习。学习完成后,填写问卷,可对该平台提出建议并进行评价。实验内容与考核要点如表1所示。表1 腹腔镜阑尾切除术操作考核要点内 容考核要点1.选择正确的穿刺点A孔:脐孔下缘。B孔:脐与右髂前上棘连线中外1/3处。C孔:脐与耻骨联合中点左侧旁开2c m。2.消毒范围消毒范围:上至剑突,下至大腿上三分之一,两侧至腋中线。消毒3遍,每次消毒范围较前次范围小0.51.0c m。3.腹腔探查与寻找阑尾 使用B孔、C孔的无创抓钳配合拨动提起检查。按照肝脏、胆囊、胃、脾脏、横结肠脾曲、降结肠、乙状结肠、直肠、膀胱、升结肠、横结肠肝曲、小肠及网膜,寻找阑尾。4.游离阑尾系膜并裸化阑尾动2脉选择电凝钩,移动到C孔上方,伸进C孔内,用鼠标移动控制电凝钩凝断阑尾系膜,退出电凝钩。选择分离钳,移动到C孔上方,伸进C孔内找到阑尾,鼠标点击前端闭合状态,松开鼠标钳端打开剥离阑尾周边组织,重复数次,至全部分离完成,暴露动脉(有明显的跳动),再同法剥离动脉周围的组织。5.离断阑尾选择H e m l o c k夹,移动到C孔上方,伸进C孔内,对着阑尾根部完全夹住然后再松开,再在距离第一个夹0.3c m处,同法再夹钛夹,退出施夹钳,选择电凝钩同法进入C孔内,在两个结扎夹中间凝断阑尾。6.取出阑尾选择无创抓钳,C孔处出现一向上的箭头,拖动箭头实时退出,选择推结器夹着标本袋,移动到C孔上方,伸进C孔内,向上拉动箭头实时退出推结器,选择无创抓钳同法伸进B孔内抓住标本袋袋口下边缘,C孔抓钳抓住阑尾标本断端送入标本袋内。点击两长线向上拉,将装着阑尾的标本袋至C孔套管内取出腹腔。7.再次探查腹腔再次伸进无创抓钳,B、C孔的两个抓钳配合拨动提起检查,按照肝脏、胆囊、胃、脾脏、横结肠脾曲、降结肠、乙状结肠、直肠、膀胱、升结肠、横结肠肝曲、小肠及网膜顺序,寻找腹腔内无活动性出血或其他异常。8.关腹选择缝针、持针钳,持针钳夹在缝针的1/3处,再选择组织镊,都移动到切口上方,针尖对着切口正中位置旁开0.5c m处进针,从皮层穿到腹膜层,在从腹膜层穿到皮层,缝合切口,接着缝合其他2个切口,最后腹部贴好无菌纱布。745 中 国 医 学 教 育 技 术第3 7卷第5期4 结束语该项目以南昌大学第四批校级示范性虚拟仿真实验教学项目为基础,先后通过南昌大学校级教改课题(N C U J G L X-1 9-1 3 1)、教育部产学合作协同育人项目(2 0 1 9 0 1 0 9 0 0 0 2)及中国医药学研究生在线教育教学研究重点课题(A-Y X C 2 0 2 0 0 2 0 2-0 5)等项目的理论研究,随后在福建水立方三维数字科技有限公司的技术支持下,经2年时间顺利完成,并取得计算机软著权1项(国家版权局登记号:2 0 2 2 S R 1 1 1 9 4 4 0)。基于上述虚拟仿真实验平台设计的虚拟仿真实验课程 腹腔镜阑尾切除术技能训练虚拟仿真教学,在2 0 2 1年被评为江西省虚拟仿真实验教学一流本科课程。目前,该项课程正面向全省医学院校应用推广,以期实现更大社会效益。教育部关于2 0 1 72 0 2 0年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知 指出,虚拟仿真实验教学项目的研发要以完成教学要求和内容为目标,综合应用多媒体、大数据、三维建模、人工智能、人机交互、传感器、超级计算、虚拟现实、增强现实、云计算等网络化、数字化、智能化技术手段,提高实验教学项目的吸引力和教学有效度9。由此可见,虚拟仿真实验教学在医学教育中必将发挥不可估量的作用,将成为未来医学教育发展的趋势1 0-1 2。该研究团队设计开发的腹腔镜阑尾切除术虚拟仿真实验平台是顺应时代发展的产物,推动了外科技能教学模式改革。该虚拟仿真实验平台虽不能完全替代传统的手术技能教学,但极大地克服了传统教学模式的弊端,有利于培养专业技能过硬、高素质高水平的医学人才。基于医学虚拟仿真技能教学中“虚实结合,虚实互补”的原则1 3,该团队将始终把对学生的实践与创新能力的培养放在首位,不断地完善虚拟仿真教学平台的功能,增加更多种类的外科手术技能教学模块,为医学技能实验教学改革提供有益探索。参考文献1 高文曦.虚拟仿真实验教学项目应用研究J.软件导刊,2 0 2 2,2 1(9):1 8 4-1 8 9.2 刘树义,屈肖肖,王志浩,等.虚拟仿真实验教学平台在外科基本技能教学中的应用J.科技风,2 0 2 2(2 8):7 1-7 3.3 陈振宙,马卫华,王广,等.虚拟仿真实验教学平台在普外教学中的应用J.中国继续医学教育,2 0 2 2,1 4(6):9 3-9 7.4 孟庆辉,贾晨,肖鹏,等.医学虚拟仿真实验教学平台在普通外科学教学中的应用J.中华医学教育探索 杂志,2 0 2 0,1 9(9):1 0 5 7-1 0 6 0.5 蒲军,唐华,全真,等.虚拟现实技术应用于外科学研究生手术技能培训效果与评价J.中华医学教育探索杂志,2 0 2 0,1 9(8):9 4 1-9 4 4.6 刘琼,张韦深,付裕,等.医学虚拟仿真实验教学平台建设的探索J.高校医学教学研究(电子版),2 0 1 6,6(2):1 7-2 0.7 金紫薇,肖焘.三维重建技术在胃肠疾病中的应用进展J.上海医学,2 0 2 1,4 4(1):4 8-5 2.8 刘红,李哲旭,朱晓红,等.医学超声检查技术虚拟仿真实验教学平台建设J.中国现代教育装备,2 0 2 2(5):5 6-5 8.9 教育部办公厅.关于2 0 1 72 0 2 0年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知(教高厅2 0 1 7 号)Z.2 0 1 7.1 0 杨洁如,许丽芳,李熠,等.临床专业学位研究生虚拟仿真教学的 思 考 和 建 议 J.科 教 文 汇(中 旬 刊),2 0 1 7(1 2):7 1-7 2.1 1 朱海源,刘刚,易涛,等.虚拟仿真教学对医学专业学位研究生整合临床实践能力培养的探索J.科学咨询(教育科研),2 0 2 1(1):2 6-2 7.1 2 徐娜,杨宇峰,滕飞.临床技能虚拟仿真实验教学中心建设J.医学信息,2 0 1 9,3 2(1 3):1-3.1 3 姜姗,林燕,闫永红,等.基于虚拟仿真技术构建虚实结合的实 践 教 学 体 系 J.中 国 中 医 药 现 代 远 程 教 育,2 0 1 7,1 5(2 1):2 0-2 2.845