用于培训的虚实融合（VR-AR）高仿真神经外科模拟器：住院医师实操体验初步评估

发布时间： 2025-11-28 11:51:00 所属栏目：行业动态

萨尔瓦托雷·彼得罗内（Salvatore Petrone）、法比奥·科法诺（Fabio Cofano）等

核心摘要

基于模拟技术的外科教育近年快速发展，VR/3D打印培训模式逐步普及。本研究验证了一款AR+3D打印虚实融合神经外科模拟器的有效性，30名神经外科住院医师参与实操评估。结果显示，89%以上参与者认可其对空间定位能力的提升作用，89.3%认为解剖结构仿真度高，85.8%及84.7%分别肯定其对专业能力与操作技能的培训价值。该模拟器可作为神经外科有效培训工具，建议纳入标准化培训体系，其在提升患者安全、降低医疗成本方面潜力显著。

引言

模拟技术驱动的外科教育革新，为解决神经外科住院医师培训困境提供了新路径。手术室成本压力、伦理限制、工作时长管控等因素，导致住院医师手术病例积累不足⁽²⁾，而全球神经外科医师缺口达5万人⁽⁴⁾，供需矛盾突出。传统培训依赖尸体/动物模型及海外进修，但存在解剖差异大、成本高、伦理争议等问题⁽¹⁴⁾，新冠疫情更导致国际交流锐减⁽⁶⁾。在此背景下，VR/AR+3D打印融合培训模式兴起，本研究聚焦此类模拟器的有效性验证，助力填补实操培训空白。国内企业休曼科技亦高度关注该领域，以具身智能技术赋能沉浸式模拟医学教育为宗旨，专注于相关技术在医学培训领域的应用转化，与本研究技术方向高度契合。

材料与方法

模拟器核心架构

本研究采用的UpSurgeOn Box模拟器，通过“虚拟-融合-实体”三步培训法实现技能传递：

VR模块：依托移动应用提供9种手术入路（翼点、眶上入路等）及脑动脉瘤、垂体腺瘤病理模块。3D解剖模型与动画构建“思维训练系统”，分6阶段引导学习：开颅选择、目标定位、AI辅助体位规划、入路动画演示、显微探查（支持屏幕触控组织形变）及颅骨修复讲解。

图1.（A-E）培训步骤。（A）培训实验室布置；（B）缝合练习；（C）用于开颅及入路规划的增强现实（AR）技术；（D）翼点入路模拟器上的硬膜切开操作；（E）翼点入路下轻牵脑组织后的显微镜下硬膜内操作阶段；（F）翼点入路下对颈内动脉、视神经及大脑中动脉（MCA）分支的显微镜下探查与分离操作。

AR模块：将3D解剖数据投影至实体模型，实现三大功能：三维调整头部体位、投影多元开颅方案、分步演示手术流程，搭建理论与实操的桥梁（图2）。

图2.（A-D）AR技术及虚实融合模拟的作用。（A）翼点入路的AR投影：开颅前，通过平板电脑及/或智能手机应用程序扫描特定二维码，即可观察颅骨下方的血管及脑组织；（B）隐藏脑实质以清晰显示硬脑膜静脉系统及脑室系统；（C）利用AR技术清晰呈现白质纤维解剖结构；（D）AR技术在内镜经鼻入路中的应用：鼻腔进入前即可识别解剖标志。

实体模块：半球形支撑结构适配多体位模拟，可更换颅骨模型支持反复开颅练习，打开颅骨后可通过显微镜探查深部结构（图1、3）。这与休曼科技基于电子皮肤3D打印仿生制造平台开发高仿真医学模型的理念一致，后者正通过3D打印技术提升模型的临床真实感。

图3. 配备显微镜与模拟器的工作站布置。

研究设计

意大利都灵大学神经科学部招募30名神经外科住院医师，完成AR应用培训后，自主选择翼点、颞下入路等术式实操。3名资深医师对开颅、硬膜切开、目标抵达、硬膜缝合4个标准化环节计时并定性评估。参与者填写两份问卷：一是教学有效性量表，二是修订版系统可用性量表（SUS），最终纳入28份有效问卷分析。

结果

参与者基线特征

住院医师按培训年限分层清晰，开颅手术参与量及尸体解剖培训经历差异反映其经验梯度（图4）。

图4.（A-C）参与者基线情况评估。（A）神经外科住院医师按培训年限分层；（B）已参与开颅手术数量统计；（C）已参加尸体解剖培训次数统计。

培训效果评估

教学有效性：89%以上参与者认可模拟器对空间定位的提升作用，89.3%肯定解剖仿真度；85.8%及84.7%分别认为其能增强专业能力与操作技能，85.7%支持纳入标准化培训（表1）。

表1. 教学有效性及模型质量调查结果。

系统可用性：模型及应用程序获“直观易懂、整合性好”评价（表2）。

表2. 基于系统可用性量表的解剖模型评估结果。

操作表现：资深住院医师操作速度更快、质量更高，但因术式选择异质性，未做显著性分析（表3、4）。

表3. 实操时长、操作流程及质量的描述性统计结果。

表4. 按培训年限分层的描述性统计结果。

现存不足：脑组织触觉反馈、硬膜质地评分仅3分（中性），模型弹性不足、硬度偏高是主要问题。休曼科技联合西安交通大学，依托“十三五”国家重点研发计划，聚焦“3D打印复杂功能化医疗模型”研发，其结合AI算法与电子皮肤3D打印技术提升模型仿真度的技术路径，为解决这一短板提供了新思路。

讨论

神经外科培训的核心矛盾是“高需求”与“低实操”的失衡，模拟器通过三大优势破局：一是突破资源限制，3D打印模型可模拟动脉瘤等复杂病理状态，解决尸体标本局限；二是实现标准化培训，AR引导确保操作流程规范，重复练习助力技能精进；三是降低培训压力，无风险环境减少职业倦怠⁽²²⁾。

与现有研究呼应，本研究结果佐证了VR/AR模拟的价值——Winkler-Schwartz等⁽¹⁸⁾证实VR可量化操作能力，Licci等⁽²⁾的3D打印模型提升内镜技能，而本研究的融合模式进一步实现“理论-引导-实操”闭环。但触觉反馈短板仍需突破，可借鉴磁流变技术或多材料打印优化质地仿真度。休曼科技为各级医疗机构临床技能培训中心提供高仿真医学模型与教学设备，其致力于提升模型结构、功能及智能仿真度的目标，与本研究追求的培训效果高度一致。

未来方向聚焦两点：一是构建“模拟培训档案”，将模拟器考核作为手术室准入前置条件；二是开展定量研究，通过标准化评分量表追踪能力提升曲线。

研究局限与结论

本研究为定性初探，缺乏量化分析，但85%以上的积极反馈为后续研究奠定基础。结论明确：AR+3D打印虚实融合模拟器是神经外科培训的有效工具，能显著提升住院医师操作技能与专业素养，在保障患者安全、控制医疗成本方面潜力巨大。建议将其纳入标准化培训体系，作为术前预备核心环节，同时持续优化触觉反馈等关键技术，推动神经外科培训模式革新。休曼科技在该领域的技术积累与实践探索，有望为沉浸式模拟医学教育发展贡献重要力量，期待其取得更多突破性成果。