增强现实教学在眼科专业型硕士生显微手术培训中的应用

樊宁 申晓丽 司姣 马大卉

摘要增强现实（Augmented Reality， AR）技术作为一种新兴的教学手段，给临床专业型硕士研究生创造了全新的学习条件、开辟了新的学习途径和方法，提高了眼科显微手术操作的学习效率，同时保障了患者的医疗安全。眼科手术模拟器应用AR技术、以高度仿真的模拟人眼来代替真实患者的病眼，再现疾病特点，给临床硕士生提供了一个无风险、可反复训练的白内障和玻璃体手术的技能操作平台。学习过程由浅入深，可个性化选择某种操作技术，从简单的眼内操作，到撕囊、水分离、超声乳化、玻璃体切除、视网膜光凝、剥除内界膜等手术步骤，可提供仿真度高、且能反复双手练习的手术场景，并且系统自动分析操作技术评分，使专业型硕士生的眼科显微操作培训规范化、标准化，拓展了眼科技能教学的发展空间，为医学教育和教学改革提供了全新的思路，具有很大的应用价值，势在必行。

关键词 增强现实 眼科 手术模拟器 教学

中图分类号：G643文献标识码：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.25.020

Application of Augmented Reality Teaching in Microsurgery Training for Clinical Ophthalmology Postgraduates

FAN Ning， SHEN Xiaoli， SI Jiao，MA Dahui

（[1]Shenzhen Eye Hospital， Shenzhen， Guangdong 518040；

[2]Shenzhen Eye Hospital Affiliated to Jinan University， Shenzhen， Guangdong 518040）

AbstractAugmented Reality （AR） as an emerging teaching method， creates a brand-new learning condition for young ophthalmologists， especially clinical master’s students. It not only improves the learning efficiency but also further guarantees the medical safety of patients. Ophthalmic surgery simulator uses AR technology and simulates human eyes instead of real patients to reproduce disease features， providing a risk-free and repeatable training platform for learners to practice cataract and vitreous surgery skills. From simple to complex， the learner can freely choose certain technical surgerysteps to practice repeatedly， suchas capsulorhexis， waterseparation， ultrasonic emulsification， vitrectomy and internal limiting membrane peeling etc. High simulation training could make ophthalmic microscopic training of the clinical master students more normalized and standardized， which expands the development space of ophthalmology teaching and provides a new way of thinking for medical education and teaching reform. It has great application value and is the direction of future practice.

Keywordsaugmented reality； Ophthalmology； surgical simulator； teaching

近年來，眼科显微手术模拟教学开始应用于临床年轻医生以及研究生的培养，已取得一定的效果。但与传统教学方法相比，显微手术模拟教学使学生的显微手术基本技能学习效率和掌握程度明显提高。眼科手术模拟教学具有教学过程标准、评估考核规范、由浅入深、可无限次反复训练等优点。尤其针对刚进入临床的专业型硕士研究生，虽然具备一定理论基础，但显微技术操作基础薄弱、临床动手机会不多的情况，眼科手术模拟器应用AR技术以仿真模拟人眼代替真实患者的病眼，他们提供了一个无风险、可反复训练的白内障和玻璃体手术技能操作平台。这种沉浸式的逼真训练环境，提高了学习的主动性和兴趣，同时保障了患者的医疗安全，也促进了临床技能教学内容和教学方法的改革。

1眼科显微手术培训的必要性

根据中国眼健康白皮书2020年数据统计，我国目前有4.48万名眼科医生，相当于每5万人中仅有1.6名眼科医生。[1]而在边远地区尤其是具有显微手术技术的眼科医生缺乏的现象更为严重。

许多眼科疾病需要手术治疗，而大多数手术需要在显微镜下操作。眼科显微手术技术具有精确度高、操作复杂、学习曲线长等特点。[2]眼科显微手术培训是眼科住院医师规范化培训和研究生培养必不可少的部分，也是培养和考核的重要教学内容。既对学生进行规范、系统的显微手术基本技能培训，也为他们以后的临床工作开展打下扎实的基础。同时结合理论教学、动物眼操作及临床实践，能使学生更快掌握正确的显微手术基本方法和常用技巧，融会贯通，尽快成长为优秀的眼科医生。

2眼科医生显微手术技能培养的困境

眼科临床专业型硕士研究生中不少是应届本科生，本身显微镜下手术操作基础薄弱，常规临床实践的学习方式，需要若干次观摩手术、观看手术录像、循序渐进的分步骤练习，往往需要较长时间才能达到可以独立完成手术的水平。并且由于每个学生的学习机会和条件不同，学习效率和效果差异大。目前眼科手术医生显微技能培养工作所面临的困难包括：

眼科手术多为表面麻醉或局部麻醉下操作，带教困难：术中患者意识清醒，能听到操作过程的任何声响，带教教师在手术中既要保障手术顺利进行，又要为学生带教，提供实践机会，在实施过程中有较大难度。

显微操作的复杂性：眼科手术大多需要在显微镜下完成，对手术者的心理素质和术中手的稳定性有较高的要求。作为初学者，显微操作最常见的问题就是手和脚与眼的配合不协调，容易手忙脚乱。另外，与非显微镜操作相比，显微镜操作最大的问题就是显微镜下所看到的物体是“虚像”，物体之间的距离、位置、空间高度都有差别，在显微镜下操作并不容易。

初学者的心理压力：临床手术在真实患者身体上操作，作为学生，虽然老师在身边，但难免感到压力，而且术中会发生各种手术并发症，直接影响学生的手术操作信心，产生手术恐惧症，导致手术操作学习曲线长，提升速度慢。

猪眼与人眼的不同：Wet Lab是近年来推出的一种全新眼科实践教学模式。猪眼的大小与人眼接近，价格比较便宜，而且可以通过各种方式模拟出白内障，是常用的Wet Lab手术模拟眼。猪眼的角膜、巩膜、晶体前囊膜、晶体后囊膜，都要比人眼组织的厚度增加数倍，模拟手术操作时，手感与人眼会有很大不同。比如，猪眼在白内障手术练习中，后囊距离较远、囊膜也较人眼厚很多，因此后囊破裂的机会要远远低于人眼。在猪眼上的安全动作，对于人眼手术来说可能是危险的。

因此，利用手术模拟器辅助临床教学，高度真实模拟手术操作过程，通过反复模拟训练，可以不断改进手术操作中遇到的问题，使手术操作准确规范，提高学习效率，从而缩短学习曲线。

3手术模拟器的教学特点

VRmagic眼科手术模拟器，将虚拟现实技术（virtualreality， VR）应用于医学教育领域，研究开发的手术模拟系统基于物理传感模型，高度真实地模拟眼部解剖结构，与组织进行实时的动态交互。手术培训系统包含白内障手术训练系统和玻璃体视网膜手术训练系统。白内障模块内含20种以上的白内障操作，包含撕囊、劈核、灌注/抽吸、人工晶状体植入等白内障超声乳化的各个步骤，还含有合并晶状体悬韧带松弛、全白晶状体核的撕囊、标准张力环植入等特殊、复杂白内障情况的处理。玻璃体视网膜模块整合了非接触式倒像广角镜，辅以巩膜顶压、光纤亮度调节等助手功能，课程包含双手配合、导光光纤的使用、视网膜光凝训练等眼底手术基本的步骤，还含有人造玻璃体后脱离、内界膜剥除、视网膜前膜剥除、视网膜脱离等复杂病例处理的操作练习。

研究表明，经过眼科手术模拟系统培训的眼科医生在超乳手术中使用的超声能量更小，手术时间缩短。英国皇家眼科学院10年跟踪研究了1400例手术，发现经过VRmagic眼科手术模拟系统训练后的眼科医生在真实手术过程中并发症减少40%。[3-4]

使用手术模拟器进行眼科专业型硕士研究生显微手术操作培训的优点包括：

3.1显微手术技能操作培训标准、考核规范

眼科手术模拟器对每个手术步骤，都有规范的手术操作要求。学生按照每个步骤的规范化的手术操作进行训练，手术模拟器在每个手术步骤完成后可为操作者即时反馈评估信息，以便学生能够系统地提高手术操作水平。考核评估内容包含了与器械使用和手术效率相关的各种参数及评分。通过分析学生每次的培训结果和评分，汇总后可以了解每个学生的学习曲线，有助于个性化因材施教。

3.2提供高仿真、无风险、由浅入深、可反复训练的平台

眼科手术模拟器提供了沉浸式的逼真训练环境，没有面对真实患者的醫疗风险，在全球一些大学及综合医院的教学实践中被认为是一种高效的培训方式。[5]培训课程提供了大量高仿真模拟病例及训练模块，再现疾病特点，学生可以从基本技能开始、独立且重复完成各项手术步骤，帮助学生练习处理复杂的手术操作并无限次重复训练。

Pokroy等的研究结果表明，在VRmagic手术模拟器上训练过的住院医师在进入真实的手术环境时，显著缩短了白内障手术的学习曲线。[6]McCannel和Ferris等研究者也做了类似研究，发现接受过VRmagic眼科手术模拟系统培训的手术医生在白内障手术时发生术中并发症（如后囊破裂或连续环形撕囊失败）的概率低于没有接受过VRmagic眼科手术模拟器培训的医生。[3，7]

手术模拟器在我国的应用实践也有一些文献报道。多项研究证实，手术医师在白内障手术模拟器培训中获得的经验可以有效地提高手术技术的精确度和灵活性。既往研究发现接受过白内障手术模拟器的训练者可以有效缩短学习曲线，尤其对相对不擅长手术的住院医师有更多的益处。[8-9]具体表现为手术中超声乳化时间更短、所用能量更小，以及术中并发症更少。

3.3与WetLab和临床实践学习相结合，缩短显微操作学习曲线

对于眼科专业型硕士研究生，建议采取以下流程进行显微操作培训：[10]（1）首先完成眼科学理论课程学习，包括眼球的解剖和组织学、生理学、了解常见眼病的病因病理、临床表现特征及诊疗原则。（2）同时轮转眼科门急诊、功能检查室、门诊治疗室和手术室，使同学们了解眼科医疗常规、掌握无菌观念，熟悉眼科常规检查、熟悉了解眼科显微手术步骤。（3）在对眼科显微手术有了一定的感性认识和理论学习基础上，可在眼科显微手术模拟器系统进行显微镜下的基本操作训练，掌握显微镜下的操作技巧、培养立体感，学会控制器械的位置和稳定性。通过反复练习，通过手术模拟器系统评分考核合格之后可以进入动物眼的Wet Lab教学和临床显微手术的实践学习。（4）在手术实验室的显微镜下，利用动物眼球进行显微镜下的基本操作训练。比如角膜、巩膜和结膜切口的缝合、小梁和虹膜组织的切除，以及白内障手术角巩膜切口制作、撕囊、水分离、超声乳化等显微操作技术，进一步掌握精细操作技巧、提高三维立体视觉及触觉反应。（5）学生在掌握了一定的眼科显微手术操作技巧基础上，再回到手术模拟器上进行白内障超声乳化手术和玻璃体视网膜手术的专项手术步骤练习。此时结合临床显微手术一助的实践，以及临床手术视频的反复观摩，这种交错学习模式，可以大大缩短从动物眼、手术模拟器到人眼的转换、磨合过程；并且真正做到以学生为主体，注重临床技能培训，临床基本功扎实，并充分保障了患者安全。[11]

眼科手术模拟器和动物手术训练结合，在一定程度上弥补了临床实践机会不足的问题。在学生掌握了一定显微操作基本功和立体感的基础上，结合临床实践和手术视频观摩学习，按上述流程研究生进行培训，对学生的显微手术技巧培训很有帮助。

4手术模拟器在眼科教学的应用前景

眼科手术模拟器以仿真模拟人眼代替真实患者，提供了一个无风险、可反复训练的白内障和玻璃体手术技能操作平台，使学生的眼科显微操作培训规范化、标准化，拓展了眼科教学的发展空间，为医学教育和教学改革提供了全新的思路，具有很大的应用价值，势在必行。

手术模拟器连接有显示屏，可以通过视频会议进行远程教学和在线教学，节省了大量的人力和物力。特别是新冠疫情期间，避免大规模人员聚集，避免人员走动，有利于疫情的防控。

手术模拟器基于计算机系统的评分体系的进一步发展优化，也是今后的研究方向之一。手术模拟器中的机器人导师，可以及时提醒学生错误操作及可能导致并发症发生的不规范动作，从而降低手术并发症的发生机会，对学生的心理素质和学习曲线都有很好的促进作用。另外，模拟器也可以作为手术能力评价的考核工具，评估在不同的培训阶段医师的手术能力。[12]

虽然既往研究发现，眼科手术模拟器对于提高操作者的显微镜下操作的稳定性、缩短学习曲线、减少手术并发症等方面有一定的效果，但仍需更长时间、更大规模的前瞻性研究，了解操作者在转换到真实患者手术过程中可能存在的问题，更好地将眼科手术模拟器与Wet Lab动物眼训练和临床实践教学方式融合交汇。

基金项目名称：广东省高水平临床重点专科（深圳市配套建设经费）资助（No.SZGSP014）

参考文献

[1]中国眼健康白皮书：九成大学生是近视眼[J].环境与生活，2020（06）：6.

[2]杜兆东，胡丽婷，赵桂秋，等.眼科学研究生显微手术技能培训教学探索与实践[J].医学研究生学报，2014，27（12）：1308-1310.

[3]McCannelC A，Reed D C，Goldman D R. OphthalmicSurgery SimulatorTrainingImprovesResidentPerformanceofCapsulorhexisinthe Operating Room[J]. Ophthalmology， 2013， 120（12）： 2456-2461.

[4]Thomsen A S S， Bach-Holm D， Kj rbo H， et al. Operating Room Performance Improves after Proficiency-Based Virtual Reality Cataract Surgery Training[J]. Ophthalmology， 2017， 124（4）： 524-531.

[5]Ahmed T M， Hussain B， Siddiqui M A R. Can simulators be applied to improve cataract surgery training： a systematic review[J]. BMJ Open Ophthalmology， 2020， 5（1）： e000488.

[6]PokroyR，DuE，AlzagaA，etal.Impactofsimulatortrainingonresident cataract surgery[J]. Graefes Arch Clin Exp Ophthalmol， 2013， 251（3）： 777-781.

[7]Ferris J D， Donachie P H， Johnston R L， et al. Royal College of Ophthalmologists’National Ophthalmology Database study of cataract surgery： report 6. The impact of EyeSi virtual reality training on complications ratesofcataract surgeryperformedbyfirst andsecond year trainees[J]. Br J Ophthalmol， 2020， 104（3）： 324-329.

[8]張潇，戴荣平，张美芬.手术模拟器在白内障手术训练中的应用[J].基础医学与临床，2018，38（11）：1661-1664.

[9]吴航，戴惟葭，董莹，等.手术模拟器培训眼科青年医师显微手术技能的观察研究[J].国际眼科杂志，2015，15（07）：1240-1241.

[10]卢艳，刘大川，董莹.医学模拟教学在眼科临床专业硕士研究生培养中的应用[J].中华医学教育探索杂志，2010，09（009）：1243-1245.

[11]徐栩，诸葛晶，陈蔚，等.医学生临床技能培训模式改革的探索与实践——以白内障手术虚拟与现实融合带教模式为例[J].中国高等医学教育2014，000（006）：84-85.

[12]Sikder S， Tuwairqi K， Al-Kahtani E， et al. Surgical simulators in cataract surgery training [J]. Br J Ophthalmol， 2014， 98 （2）： 154-158.