虚拟手术在心脏外科手术技能培训中的意义
1虚拟手术在心脏外科手术技能培训中的意义【关键词】 虚拟手术初出茅庐的医学院新生，必须积累了足够的实践经验才能成为一个技艺高超的心脏外科医生，除了解剖尸体，就只能在病人身上进行若干次的临床磨炼。而由医疗教学引发的医患矛盾近年来越来越突出，医学生临床实践的机会日益受限成为阻碍我国医学教学领域培养合格临床医师的最大原因1 。现代科学技术的发展越来越体现出多门学科的交叉和渗透，信息技术和生命科学技术的结合所形成的虚拟手术(virtual surgery)技术，为心脏外科医师的临床培训提供了更有前景的手段2 。虚拟手术的目的是利用各种医学影像数据，采用虚拟现实技术，在计算机中建立一个模拟环境，医生借助虚拟环境中的信息进行手术计划制订、手术演练、手术教学、手术技能训练、术中引导手术、术后康复等工作。1 心脏外科手术训练中的局限性和不足以往的心脏外科教学教具不具有仿真的效果，缺乏互动性，与现代的医学教育需求相差甚远。国内的医学院课堂里的教学主要还是老师写黑板的方式、印刷图片和录像作为主要辅助教学手段。虽然计算机的应用正在兴起，但由于相关医学教育软件不足限制了它的应用3 。心脏外科操作讲究的是精密和技术，而目前大多数年轻的临床医师没有足够的操作经2验，无法达到高级住院医师的要求。同时，在考核外科医师手术技能的时候，缺乏一个量化和客观的标准。目前，还是依靠一些主观标准建立起来的记分系统来评价年轻医生的能力。实施中初级医师考核的个性化评价时，为了使评价结果可信就需要许多考官，把许多专家集中起来看操作录像或到手术室去考察当然可以，但这样太费人力和时间。2 虚拟手术在心脏疾病中的应用现状当前虚拟现实技术正从工业、娱乐业向医学教育和临床科研领域渗透。医学中许多难以描述、难以教学的现象和概念运用计算机，通过虚拟现实手段表现出来。这样完全交互的手术工作台不仅用于临床，还可广泛地应用于教学中，帮助老师讲解手术过程、技术难点、注意事项以及错误方法及后果，学生可以边学边操作。虚拟环境反复运用，当学生熟练掌握虚拟手术过程后，可用于实际人体操作4 。运用这个方法可缩短医师成为外科能手的时间。据统计，在颅面外科中，将花 20 年或更多的时间培养一个熟练外科医生，如果这个时间缩短一半，那将为社会培养更多熟练的外科医生。心脏外科虚拟手术的关键是一颗计算机模拟的人的心脏。 “虚拟心脏”就是利用多种计算机模型来描述单个心脏细胞、几百万个心脏细胞和整个心脏器官混合在一起的电化学活动，并描述心脏血液的抽运过程，用以诊断和治疗心脏病以及测试心脏病药。近几年由于计算3机性能成指数增长，以及在用数学方法表达复杂心脏实际运行方面获得了极大的进步，使这种“虚拟心脏”的构想逐步变为现实。目前，科学家已能使有的“虚拟心脏” “患”上动脉阻滞、心力衰竭及心律异常等疾病。国际上最先进的模拟技术已经可以使医学生在极为真实的情景下对模拟真人施行心脏搭桥手术以及经皮冠状动脉介入治疗等高难度的手术5 。3 虚拟手术的特点决定了在心脏外科应用的可行性虚拟手术与传统的教学手段相比，具备精确性、仿真性、安全性、交互性等不可比拟的优势，并且以往培训外科医师费用极为高昂，且实验对象成本昂贵，这些都使虚拟手术应用在心脏外科培训中变成可能6，7 。3.1 精确性 虚拟手术系统能使医生依靠术前获得的医学影像信息，进而在计算机上模拟出病灶部位的三维结构，最后利用VR(Virtual Reality)手段虚拟手术的逼真场景8 ，使医生能够在计算机建立的虚拟的环境中设计手术过程，进刀的部位、角度，提高手术的成功率，这对于选择最佳手术路径、减小手术损伤、减少对临近组织损害、提高操作定位精度、执行复杂外科手术和提高手术成功率等具有十分重要的意义。3.2 仿真性 虚拟手术不仅能提供病人身体的三维图像，还能模4拟出逼真的触感，使医生觉得自己仿佛是在给真正的病人动手术，可以让医生们先进行术前彩排。手术教学训练中 80%的手术失误是人为因素引起的，所以手术训练极其重要。虚拟手术系统把立体视景镜、超级电脑和巨型屏幕影像结合起来，可为操作者提供一个栩栩如生极具真实感和沉浸感的训练环境，能够制造很好的临场感，甚至能够获得在实际手术中的手感。医生可不必再进行尸体解剖来学习或是掌握相关的知识，而是在模拟真人进行训练。模拟真人(数字化三维人体)从外形到内在组织结构，各项生理指标都是与真人一样的，它的心率、呼吸、血压、心电、体温、心输出量、动脉压、血氧饱和度等生命体征会随着不同病情而表现出不同的状况并显示出来。医生在使用它时，感觉就像是真的在给病人动手术，手术器械切入肌肉组织、碰到骨头等触感都非常逼真。目前我校已成功建立了男、女数字化可视人体，这为下一步的临床培训应用提供了可能9 。3.3 交互性 在虚拟手术过程中，系统还能监测医生的动作，精确采集各种数据，计算机还能够给出一次手术练习的评价。如评价手术水平的高低、下刀部位是否准确、所施压力是否适当、是否对健康组织造成了不恰当的损害等。这种综合模拟系统可以让医学生和医生进行有效的反复实践操作练习，还可以让他们见识到在日常工作中难以见到的病例。虚拟手术使得手术培训的时间大为缩短，同时减少了对实验对象的需求。远程医疗也能够使手术室中的外科5医生实时地获得远程专家的交互式会诊，交互工具可以使顾问医生把靶点投影于患者身上来帮助指导主刀外科医生的操作，或通过遥控帮助操纵仪器。这样使专家们技能的发挥不受空间距离的限制。3.4 安全性 心脏外科医务人员常暴露在放射线下操作，采用虚拟临场技术可以使医生免受射线的侵害。同时，心脏手术一直被认为是很困难的，主要因为心脏内部极为复杂的解剖结构及其生理和病理变异。在模拟真人上进行手术，不存在治疗失误的危险性，如果治疗错误，它就会病危甚至是死亡，但通过电脑又可以让它复活，再次进行其他病例的诊断与治疗，不会发生严重的意外，这可以有效地防止临床医疗事故和医疗纠纷的发生。虚拟手术可在没有实施手术的情况下预计在实际手术中可能出现的复杂和险要情况，例如当设定的手术层面对心内重要血管、瓣膜或传导束等有损伤危险时可相应调整修改，通过不同手术方案的模拟比较各种方案的优劣，制订合理的个体化手术方案，并事先采取必要的防范措施。该系统可有助于完整地保留心脏的重要结构的完整性，最大限度减少术后并发症发生率，提高手术成功率。虚拟人体供使用者可任意使用，而不用担心有医学、经济和伦理方面的问题。3.5 可协作性 传统的手术中，外科医师是在自己的大脑中进行术前的手术模拟，以确定手术方案，但这种手术方案质量的高低，往往依赖于外科医师个体的临床经验与技能，手术组其他成员却很难共享这种手术方案的构思信息。用虚拟手术代替外科医师进行手6术方案的三维构思，不仅对合理、定量地制定手术方案、选择最佳手术路径、减小手术损伤和提高手术成功率等具有十分重要的意义，且信息可供手术组每位成员共享10 。3.6 可评价性 心脏外科是一项特殊专业，需要一套可信的、确切的评价医生手术技能的方法。在外科实验室内对医师进行考核较在手术室里要容易一些，尽管医生在模拟的情况下与手术室内实地进行手术的表现会有区别，但如果考核安排的尽量与实际手术环境相接近，还是可以满足考核的可行、可信和确切的基本要求。4 未来展望虚拟手术系统建立的研究是目前世界上比较先进的领域，是世界各国医疗工作者们都比较关注的问题。由于虚拟手术系统可为操作者提供一个极具真实感和沉浸感的训练环境和临场实战感，所以训练过程与真实情况几乎一致。未来的虚拟手术将向逐步软件化方向发展，未来的虚拟手术软件可能会像一张普通的游戏光盘一样，便于使用操作3 。虽然虚拟手术系统目前尚未完善，特别是“虚拟心脏”的研发仍有很长的路要走，人类心脏拥有近 10亿个心细胞，当今最高速的计算机也不能实时跟踪这么多细胞的行为。尽管目前已能模拟 10 min 时间的心跳，但尚不能模拟心脏疾病的自然进程心脏细胞如何逐渐地从正常细胞演变成患病细胞，再进而变成衰竭细胞。因此，还需进一步搜集模拟虚拟人体的病理数据，并结合患者的个体化特点研发更多实用性强的心脏手术虚拟7系统，这极可能会给外科手术训练带来深刻的变革。参考文献1 Gallagher AG,Cates CU.Virtual reality training for the operating room and cardiac catheterisation laboratory.Lancet,2004,364(9444):1538-1540.2 Marescaux J,Rubino F.Telesurgery,telementoring,virtual surgery,and telerobotics.Curr Urol Rep,2003,4(2):109-113.3 Ramovic I,Masic T,Smajilagic A,et al.Use of new computer technologies in surgical education- virtual surgery.Med Arh,2004,58(1 Suppl 2):103-104.4 Mantovani F,Castelnuovo G,Gaggioli A,et al.Virtual reality training for health-care professionals.Cyberpsychol Behav,2003,6(4):389-395.5 Wierzbicki M,Drangova M,Guiraudon G,et al.Validation of dynamic heart models obtained using non-.linear registration for virtual reality training,planning,and guidance of minimally 8invasive cardiac surgeries.Med Image Anal,2004,8(3):387-401.6 Arnold P,Farrell MJ.Can virtual reality be used to measure and train surgical skills?Ergonomics,2002,45(5):362-379.7 Rose FD,Attree EA,Brooks BM,et al.Training in virtual environments:transfer to real world tasks and equivalence to real task training.Ergonomics,2000,43(4):494-511.8 Sorensen TS,Pedersen EM,Hansen OK,et al.Visualization of morphological details in congenitally malformed hearts:virtual three-.dimensional reconstruction from magnetic resonance imaging.Cardiol Young,2003,13(5):451-460.9 Boehm DH,Arnold MB,Detter C,et al.Incorporating robotics into an open-.heart program.Surg Clin North Am,2003,83(6):1369-1380.10 Suzuki S,Suzuki N,Hattori A,et al.Present and future developments of the virtual surgery and tele-virtual surgery system.Nippon Rinsho,2004,62(4):
