引言
头颈部区域解剖结构复杂，相关外科手术难度高，这为先进技术的整合提供了广阔空间。其中，虚拟现实（VR）作为一种有效且直观的手术规划工具正在兴起，而三维（3D）建模和打印技术则能让外科医生进行详细、独立的术前规划。这些技术共同增强了对病理学的理解和可视化，改善了可手术性评估，并支持个体化治疗策略。VR能够创建用于探索解剖区域的沉浸式、交互式环境，在诊断、手术规划和培训方面具有宝贵应用。其用途涵盖多个领域，从牙种植学、正颌手术到肿瘤术后下颌骨重建和骨折修复的复杂3D规划，通过预测性规划和术中导航提高了精确度和安全性。此外，VR提供了一个强大的教育平台，允许标准化且灵活的学习体验，受训者可以在可控、可复制的环境中可视化和练习外科手术。同样，3D打印通过开发患者特异性模型和植入物，改变了现代医疗保健，是迈向精准医学的关键一步。在口腔颌面外科中，其最相关的应用包括创伤学、正颌手术和关节重建，其中定制化解决方案提高了手术准确性和临床结果。大量研究强调了这些技术在下颌骨肿瘤切除术后重建中的重要性。在肿瘤外科中，从术前规划到术中执行，手术精度至关重要。这种准确性取决于外科医生对病变及其解剖关系的空间感知能力。虽然传统的计算机断层扫描（CT）提供了必要的诊断数据，但它仅提供二维表示，限制了三维理解。本研究旨在评估VR和3D打印在头颈肿瘤外科中的应用，作为年轻颌面外科住院医师教育和培训体验的一部分。该计划具有教学目的，展示和解释了手术设计和规划中涉及的决策过程。参与者使用VR头显（Meta Quest Pro）规划了下颌骨切除和带腓骨瓣的重建手术，并在3D打印模型上进行了相同操作，最后通过问卷评估体验。从教育角度看，这一试点经验基于Dale经验锥的体验式学习理论，支持使用沉浸式、实践导向的活动来提高理解和技能获取。这种可扩展的方法可能成为未来复杂头颈外科培训项目的典范。
材料与方法
在开始模拟前，参与者接受了关于如何使用VR环境、3D打印切割导板和解剖模型的简短指导，未提供手术步骤的具体理论讨论。完成实践环节后，参与者与专家外科医生进行了复盘，解释和讨论了潜在的手术规划原则。数据收集旨在评估所提出工作流程的可行性、可用性和教育潜力。具体测量了手术时长、肿瘤定位和切除规划的准确性以及截骨导板的正确放置，以估计整体实践性和可用性。
参与者
十二名颌面外科住院医师（十名女性），平均分布在第一、二、三年级的受训者中，参加了一个结合VR手术模拟器和下颌骨恶性肿瘤3D打印解剖模型的手把手教育课程。进入VR环境后，参与者看到一个介绍面板，引导他们完成模拟的不同阶段。随后，在立体光刻模型上复制了VR中的相同手术流程，这些模型包括腓骨、带原位肿瘤的下颌骨以及相应的用于皮瓣插入的切割和复位导板。记录了每位参与者的以下参数：完成练习所需总时间；最佳识别肿瘤的CT轴状面、矢状面和冠状面；定位腓骨远端截骨的CT血管造影截面；所选下颌骨病变的切除平面；以及正确放置和重新放置切割导板和腓骨瓣所需的尝试次数。参与者之前对沉浸式技术的接触有限，仅四人报告有相关经验，其中一半通过娱乐性VR使用，另一半在医疗环境中接触过VR和3D打印。
VR环境
VR模拟器是作为初级住院医师的培训平台开发的，旨在介绍使用游离腓骨瓣进行下颌骨重建所需的核心概念和空间理解。模拟器并非旨在复制完整手术的复杂性，而是专注于肿瘤和重建工作流程中的关键步骤，以适合初学者的结构化、交互式形式呈现。本次教育体验使用了Meta Quest Pro头显，该设备基于高通Snapdragon XR2+平台，每眼分辨率为1080x1920像素。模拟器中的所有交互均通过手部追踪系统进行，允许用户通过自然手势操作和探索虚拟物体，无需使用物理控制器。过程中，一名操作员通过平板电脑查看器对参与者所在环境保持视觉监控。进入VR环境后，用户首先接触到病例的解剖和放射学数据。受肿瘤影响的下颌骨的DICOM文件以2D（轴状面、冠状面、矢状面）和完全可交互的3D模型形式提供。此外，还提供了下肢血管造影CT的DICOM图像，以便评估腓骨及其血管解剖。第一个任务要求参与者在下颌骨3D模型上识别肿瘤边缘并定义合适的截骨平面。确认选择后，系统会生成与专家定义的手术方案的实时比较，使受训者能够评估其决策的准确性，并加深对肿瘤切除规划的理解。下一步，用户与腓骨的虚拟3D模型交互，从三个预定义位置中选择一个用于放置切割导板。虽然这不能反映术中决策的完全灵活性，但固定选项的可用性确保了培训的一致性，并允许对参与者进行标准化评估。所选导板决定了在后续重建阶段如何获取腓骨段。这种沉浸式界面促进了直观交互，但一些参与者报告存在学习曲线，尤其是在需要精确定位的任务中。在模拟的最后部分，用户使用下颌骨切割导板虚拟切除肿瘤，然后使用腓骨段重建缺损。这些骨段被手动放置到下颌骨缺损处，遵循预定的对齐方式，旨在简化任务并确保受训者之间的统一性。这种标准化设置强调了重建规划中涉及的空间推理，同时避免了完全手术真实感的技术障碍。
3D打印
使用Mimics Innovation Suite软件对下颌骨实体瘤的CT和下肢血管造影CT的DICOM数据进行分割。使用Preform软件进行切片和打印准备，模型在Formlabs Form 3B打印机上使用0.4毫米喷嘴尺寸、0.2毫米层厚和透明树脂打印。病例按1:1比例打印。每位参与者直接与3D打印模型互动，遵循下颌骨游离腓骨瓣重建手术模拟的关键步骤。在探索解剖模型后，参与者被要求使用打印的切割和复位导板进行引导下的截骨术，并将腓骨段重新定位到下颌骨缺损内。此外，他们还被指导弯曲定制钛重建板以适应缺损，复制了术中工作流程。重要的是，3D打印任务镜像了参与者先前在VR环境中执行的相同手术阶段，确保了虚拟和物理模拟之间的方法学一致性。记录了每位住院医师的总互动时间，以及正确放置切割导板和腓骨瓣所需的尝试次数。课程结束后，参与者被邀请就他们使用模型和模拟过程的体验提供结构化反馈。
问卷
实验结束后，参与者完成了一份问卷，包括系统可用性量表（SUS）和净推荐值（NPS），用于评估可用性和用户满意度。SUS是一个标准化的10项问卷，提供感知系统可用性的全局度量，得分高于68被认为可接受，高于80表示优秀可用性。NPS量化用户满意度和推荐系统的意愿，范围从–100到+100。根据NPS创建者贝恩公司的标准，得分高于0为良好，高于20为有利，高于50为优秀，高于80为世界级。其计算公式为：NPS = (推荐者数量 - 贬损者数量) / 总受访者数量 × 100，其中推荐者是给出9分或10分的受访者，贬损者是在0-10分的推荐可能性量表上给出0到6分的受访者。使用Kruskal-Wallis检验进行SUS和NPS的组间比较，这是一种非参数方法，由于样本量小，用于确定三组（第一、二、三年）的中位数是否存在差异。为了进一步探索SUS和NPS得分之间的关系，使用Spearman等级相关系数（r）评估相关性。统计学显著性设定为p < 0.05（α）。
结果
在VR中执行手术的平均时间为16.10分钟，而在3D打印模型上为11.50分钟。按培训年份分层时，一年级住院医师平均耗时稍长（18.25分钟），高于二年级（16.40分钟）和三年级（13.60分钟），但差异无统计学显著性。参与者的肿瘤定位存在差异，不同培训年份间观察到不同。三名参与者在同一轴状面正确识别了病变，五名在同一矢状面正确识别，而冠状面则不同。值得注意的是，三年级住院医师更一致地在肿瘤学安全边界内识别了下颌骨切除平面，而一、二年级住院医师表现出更大的变异性。四名参与者准确放置了近端切除平面。腓骨上的切割导板在三次尝试后成功放置，下颌骨上的切割导板在第一次尝试时成功放置。腓骨段在第一次尝试时正确设置在下颌骨重建内。关于可用性评估和满意度，所有参与者的平均SUS得分为74.6，表明良好的可用性。平均NPS得分为67，表明用户满意度高且推荐体验的意愿强。事实上，大多数参与者是推荐者而非贬损者，反映了高于平均水平的接受度，表明对VR系统的强烈积极感知。SUS和NPS得分见表1。不同年份间在SUS或NPS上未观察到显著差异（SUS的p=0.166，NPS的p=0.964）。尽管结果未达到统计学显著性，但观察到从一年级到三年级住院医师的平均SUS得分逐渐增加。相比之下，NPS值在各年间保持相对稳定，表明无论培训阶段如何，满意度水平一致。为了进一步探索SUS和NPS得分之间的关系，进行了Spearman相关性分析。观察到中等程度的正相关（r = 0.425），表明感知到更高可用性的参与者倾向于表达更高的推荐VR系统的意愿。然而，相关性未达到统计学显著性（p = 0.168），可能是由于样本量小。相关性图的视觉检查显示总体上升趋势，与这种中等程度的关系一致，尽管存在一些分散，反映了用户感知和参与度的个体差异。SUS的项目级分析进一步阐明了参与者的看法。陈述“我认为我需要技术支持人员的帮助才能使用这个VR模拟器”得分最低（48分中得12分），表明一些参与者觉得需要协助才能独立操作模拟器，尤其是在一年级住院医师中。相反，评分最高的项目是“我认为我愿意频繁使用这个系统”（48分中得42分），反映了强烈的参与感和持续使用的兴趣。所有其他SUS项目得分在33到41之间，表明对可用性的总体积极看法。特别是，SUS问题“我认为VR模拟器易于使用”得分相对较低（48分中得33分），排名第二低。除了可用性指标，所有参与者在一个Likert量表上将他们对于VR体验的整体满意度评为最高分（5分）。他们也承认将VR和3D打印整合用于肿瘤和重建性颌面外科的教育价值，并确定了在其他亚专业中的潜在应用，包括正颌手术（10名参与者）、美容/畸形手术（3名）和创伤学（7名）。
讨论
本研究探讨了结合使用VR和3D打印解剖模型作为年轻颌面外科住院医师教育工具的潜力，重点关注下颌骨肿瘤重建。结果表明，沉浸式VR辅以物理3D打印导板，提供了一个安全、吸引人且可复制的培训环境，受到了参与者的好评，包括那些之前对数字规划技术接触有限的人。本研究开发的VR环境将根据请求提供，以鼓励复制和进一步研究。Dalgarno和Lee已经确定了使VR成为有效教育工具的几个关键因素，包括表征保真度、控制的即时性和临场感。沉浸感指的是虚拟环境的客观特征，而临场感则结合了这些客观方面和用户在虚拟空间中的主观参与度。因此，一个响应迅速且逼真的VR系统可以再现“身临其境”的感觉，即使在模拟或远程环境中也是如此。计算机辅助设计（CAD）和3D打印技术于1990年代开始用于复杂头颈和颌面病理学的诊断和治疗。文献报道这些技术可以将诊断准确性提高近30%，程序精度提高35%以上，并将手术时间减少约18%。如今，3D打印在重建手术中发挥着关键作用，尤其是在下颌骨重建中。先前的研究已经证明了3D打印用于术前演练、解剖研究和生产患者特异性手术导板的实用性。Zavattero等人也强调了内部3D打印在临床和教育应用中的可行性和成本效益，使得无需仅仅依赖商业供应商即可进行定制化规划。在本研究中，可用性和用户满意度得到积极评价，平均系统可用性量表（SUS）得分为74.6，与良好的可用性一致。高达67的净推荐值（NPS）反映了强烈的用户满意度和推荐体验的意愿，突出了其对于外科培训的感知价值。所有参与者在一个Likert量表上报告了最高满意度（5/5），尽管存在一些操作挑战，仍强化了该平台的教育益处。与先前在医学领域采用VR的研究相比，本研究74.6的平均SUS得分处于早期教育VR系统的预期范围内。Bhat等人设计了一个用于交互式和沉浸式可视化锥形束CT（CBCT）数据的VR框架，以增强对复杂牙科结构的理解和牙科术前规划。他们涉及12名医学专家的评估展示了优异的可用性，SUS得分为87。类似地，Haque等人开发了一个用于支持中风康复手部锻炼的VR游戏化系统，报告患者、亲属和物理治疗师的SUS得分为85。相比之下，Hsiesh等人开发了一个用于上肢康复的沉浸式VR镜像手系统，报告平均SUS得分为56.7，仅被解释为中等可接受的可用性，并强调需要改进用户指导。在此背景下，我们的发现与更广泛的文献吻合良好：整体SUS得分74.6表明良好的可用性，与有效且用户友好的VR应用一致，而三年级住院医师达到了平均SUS 80分，达到了优秀可用性的阈值。尽管培训年份间的统计比较未达到显著性，但观察到从一年级到三年级住院医师的SUS得分逐渐增加，表明更多的临床经验和对数字规划工具的熟悉度可能有助于与VR环境的交互。NPS值在培训年份间保持稳定，表明无论经验如何，满意度水平一致。SUS和NPS之间中等程度但不显著的正相关进一步表明，更高的感知可用性通常与更高的推荐系统意愿相关。这些发现强化了，虽然系统整体受到好评，但增强界面直观性和用户指导可以进一步优化经验较浅用户的可用性。SUS的项目级分析揭示了需要改进和完善的领域。虽然大多数参与者表示希望频繁使用该系统，但一些人表示需要技术支持才能独立操作，尤其是一年级住院医师。相对较低的易用性评分表明界面设计和入门指导需要进一步改进，特别是在手部追踪任务方面，例如在下颌骨和腓骨上放置切割导板。这些发现与先前的研究相呼应，表明直观的交互性对于在VR学习环境中保持沉浸感和最大化教育效益至关重要。除了可用性，参与者认识到VR和3D打印对于肿瘤和重建手术的强大教育价值，但也确定了在正颌手术、创伤学以及美容或畸形手术中的潜在应用，强调了这些技术更广泛的通用性。这种看法与描述VR和3D打印在头颈外科中不断扩大的作用的文献一致，不仅用于术前规划，还用于术中指导、患者沟通和多学科教育。从教学角度看，本研究符合体验式学习原则，该原则强调主动的、动手的体验比被动学习能带来更深入的理解和更长的记忆保留。通过将沉浸式可视化与解剖模型的有形操作相结合，VR和3D打印弥合了理论学习和外科实践之间的差距。Tene等人最近的一篇综述将VR确定为医学教育中的流行工具，强调了改善教育成果的积极趋势，但也强调需要更严格的功效证据。本研究的结果支持这一方向，证明了沉浸式技术在颌面外科培训中的可行性、安全性和高度接受性。然而，必须承认一些局限性。首先，这是一个单中心试点研究，涉及参与者数量有限。最初，招募了颌面外科项目第一和第二年的八名住院医师，随后将队列扩大至包括三年级住院医师，总共十二名参与者。尽管这个数字反映了机构内可用的整个群体，但它不可避免地限制了统计功效和普适性。未来需要包括不同手术经验水平、更大样本量的多中心研究来验证这些发现。其次，未设置对照组。这一选择是故意的，因为本研究的目的不是证明其优于传统教学方法，而是评估VR和3D打印作为补充学习工具的可行性、可用性和感知教育价值。传统的尸体解剖仍然是外科教育的参考标准；然而，其使用受到高成本、伦理考虑和可及性限制的制约。在此背景下，虚拟和3D打印模拟提供了可重复、成本效益高且低风险的替代方案，可以补充而非取代传统培训。第三，本研究主要依赖于可用性和满意度的主观评估。尽管这些数据为了解用户体验提供了宝贵信息，但客观性能指标有限。记录完成手术所需时间作为任务效率的初步指标，但未来的研究应纳入额外的定量测量，例如截骨准确性、边缘识别误差和皮瓣对齐偏差，以更好地评估这些工具的教育和技术影响。另一个重要的局限性涉及模型验证。VR和3D打印模型源自用于实际患者特异性规划的临床CT和CTA数据集，确保了高解剖保真度。然而，并未进行将这些数字和物理模型与术中或尸体解剖数据进行正式比较的验证。未来的研究中，这种验证对于确认尺寸精度和增强对这些教育模拟器的信心至关重要。最后，开发逼真且交互式的VR环境需要临床医生和工程师之间的密切合作。尽管初始阶段耗时且资源密集，但产生的模块是可复制和可扩展的，允许未来以相对较低的增量成本整合到更广泛的培训课程中。总之，这项试点研究支持将VR和3D打印整合到外科教育中，作为增强住院医师学习体验和参与度的一种手段。尽管存在队列小和单中心设计的局限性，参与者报告了高满意度，并认为这些技术是传统培训的宝贵补充。通过进一步的改进、客观验证和多中心合作，沉浸式和3D技术具有巨大潜力，可以提高对复杂手术的准备度、优化手术规划，并最终有助于改善手术结果。
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