（1）实验原理

本实验聚焦于VD教学，基于三维虚拟环境的构建、医学影像数据的可视化、实时人机交互、手术路径规划与评估、操作数据记录和分析等实验原理，设计了“基础理论→手术流程→考核”递进式的实验环节，环节环环相扣，依次递进。

① 三维虚拟环境的构建

通过计算机图形学技术，实现逼真的光影效果、纹理映射和场景渲染，使得医生或学员能够沉浸在虚拟的手术场景中。

② 医学影像数据的可视化

借助医学影像处理技术，将CT、MRI等医学影像数据转换为三维立体模型。在虚拟仿真系统中，学生可以直观地观察脑部解剖结构、病灶位置和血管分布等关键信息。医学影像数据的可视化有助于学生更好地理解手术区域，提高手术的准确性和安全性。

③ 实时人机交互

学生可以在虚拟环境中进行人机交互，VR系统具备高效的数据处理能力和图形渲染能力，能够实时响应学生的操作指令，提高训练效果。

④ 手术路径规划与评估

VR系统可以模拟手术路径，并实时绘制在三维空间中的位置。学生通过阅读病例信息完成手术路径规划。

⑤ 操作数据记录和分析

VR系统能够实时记录学生的操作数据，这些数据可以用于后续的分析和评估，帮助学生发现自己在手术操作中存在的问题和不足，从而制定针对性的改进措施，提高手术技能水平。

学生通过使用脑室引流手术的综合操作虚拟仿真系统，从图文、交互操作中获取以下知识点及技术：

① 根据病史及影像学，选择手术方案和入路。

图1 脑积水影像学图示意

学生可通过鼠标和键盘操作，自由进入到 3D 虚拟的手术室，点开某个患者的病史及影像学，进行影像读片，选择是否需要手术干预。（此点考查脑室引流的适应症、禁忌症。）

② 根据选择的手术方式，选择正确的手术入路。

图2 脑室引流不同穿刺点

学生根据模拟病例的疾病特点，通过鼠标和键盘操作，选择手术入路（本点考察了脑室引流不同穿刺点的适应症）。

③ 根据选择的手术入路，进行头皮定位。

学生根据自己选择的手术入路，在虚拟病人头部进行定位。

④ 正确摆放体位。

学生通过鼠标和键盘操作，选择患者的体位，头部旋转的角度、以及所用物品（如头枕等）。

⑤ 正确打孔及打开硬脑膜。

学生了解电钻，正确使用电钻钻孔，判断硬脑膜位置，用鼠标选择双凝电极硬脑膜止血，选择尖刀片十字打开硬脑膜，然后打开蛛网膜，双凝电极再次凝。

⑥ 根据选择路径，将引流管脑室端轻柔按照一定方向轻柔准确送入大脑，不同的入路长度不同（此点既考察了学生的解剖知识，又考察了手术技巧及灵活性。）

图3 不同穿刺点的穿刺方向

⑦ 根据入颅长度，判断引流通畅与否。

（2）核心要素仿真设计（对系统或对象的仿真模型体现的客观结构、功能及其运动规律的实验场景进行如实描述，限500字以内）

①解剖结构符合临床需求

充分了解解剖位置和脑室穿刺的相对关系：在脑室引流中，一般根据患者病情选择穿刺点，因此，充分了解解剖相对位置就显得尤为重要，本系统通过解剖、影像、临床等多种方式各种角度详细的展示解剖知识，从而增加术者对本技术的了解。基于真实临床影像数据进行三维重新生成可交互可编辑的三维模型，结合计算机三维技术实现结构介绍及手术流程操作模拟。

图4 根据影像三维重新生成可交互的三维模型

②基于真实临床场景

基于VD的特点，通过透视的方式，来展示脑室穿刺管穿刺的完整过程以及固定技巧，配合对应的影像学资料，让术者详细了解进针过程中穿刺管的运动方向和相对位置。

图5 穿刺运动方向及路径显示

③操作流程步骤设计符合临床实际情况

基于真实临床场景进行手术室场景及相关手术器械的构建，实施人机交互。操作流程设计符合临床操作及教学要求，可完整体现手术操作细节及注意要点。

图6 手术室场景

3.5.1具体步骤如下：

3.5.1.1学员从PC端，通过用户名和密码登入MR虚实融合系统。个人账户端可对账户信息进行查询，可查询个人训练及考核记录。

3.5.1.2课程包括两部分：VD的学习（包括讲义和视频学习）和MR虚实融合实训系统。

3.5.1.3 学生完成基本操作知识学习后，进入MR虚实融合实训系统。实训内容包括训练和考核两部分。

3.5.1.4 MR虚实融合实训系统会对每一步操作内容和软件操作方式进行实时提示。在MR虚实融合实训系统中，学生选择操作病例，完成与操作病例的交互性术前沟通。学生通过对应器械模型和操作推车模型，完成用物准备。通过选择题和手动划线的方式，完成患者正确体位和穿刺位点的选择。洗手、穿隔离、戴手套、消毒、铺巾、切开、缝合过程为既定完成动作，不作为知识点及考核点。

3.5.2.1. 术前准备

① 患者评估：详细了解患者的病史、影像学资料（CT、MRI）等，评估颅内病变的位置和性质，确保术前对患者的全面评估。

② 手术规划：根据影像学结果确定穿刺点和穿刺路径。（通过选择题完成，选择正确进行下一步，选择不正确，提示错误，给出指导提示，再次选择，正确进入下一步。）

3.5.2.2 体位

患者的体位对于手术顺利进行至关重要，应由手术医生或经验丰富的助手进行。如果没有理由在患者的左侧进行手术（比如以前的手术或植入物），那么一般更倾向于在右侧进行手术。患者应仰卧，头部可以放在马蹄形头枕中固定，也可以放在凝胶头枕环上。头部转向对侧，通常旋转45°至60°，并向后略微倾斜。（本步骤可以通过选择题完成，对于头部旋转角度可以通过鼠标转动模型调整角度）。

3.5.2.3 术中操作

① 定位准确：头皮定位，根据选择的路径，运用鼠标和键盘进行划线或点点精确定位。

② 穿刺深度控制：儿童则需根据年龄和头颅大小进行调整。过浅或过深的穿刺都会导致失败或并发症。不同的路径穿刺方向需正确。

③ 注意脑组织保护：穿刺过程中应轻柔，尽量避免对脑组织的损伤。穿刺针应保持稳定，避免过度晃动。

④ 引流管的固定：引流管一旦插入，应立即固定好，避免因患者移动或其他操作导致引流管脱出或移位。

3.5.2.4术后处理 通过选择题形式进行互动。

3.5.2.5并发症的预防和处理 （以案例的模拟形式给出，或题目的形式给出）

① 出血：穿刺过程中可能导致脑室或脑组织出血，术中需要密切观察，术后常规进行影像学评估，如有出血需及时处理。

② 感染：术后需严格无菌操作，保持引流管周围皮肤清洁，按照医嘱使用抗生素预防感染。

③ 脑组织损伤：穿刺时需轻柔、精准，避免用力过猛或方向错误，以防造成脑组织损伤。

④ 引流管堵塞或脱落：定期检查引流管通畅情况，如发现堵塞需及时疏通或更换，如引流管脱落需立即重新定位插入。

（1）学生交互性操作步骤，共13步

（2）交互性步骤详细说明

阶段一：理论知识学习

本阶段包括步骤3，以图文、动画、3D模型的形式讲解相关知识点，学生完成知识点学习后，以选择题的形式完成解剖学习、脑积水相关的理论知识和阶段测试。

图7 不同疾病导致的脑积水

阶段二：手术操作流程学习

本阶段包括步骤4-10，学生以虚拟仿真人机交互课程的形式按步骤完成手术操作流程的学习，系统根据步骤进行评分

步骤4：根据病史及影像选择是否手术

学生进入病房环境，根据患儿的病史及影像判断，制定治疗方案，是否需要手术治疗。是否需要脑室引流术。通过选择题完成。

步骤5：选择正确的收入入路

学生选择脑室引流后，通过选择题的形式选择入路。

步骤6：患者体位

1）学生通过选择题选择患者体位，选择正确患者体位状态改变为仰卧位

2）学生选择患者头部，通过滑轨调整头部旋转角度，调整正确患者头偏向一侧

3）学生通过滑轨调整患者头部抬高角度，调整正确患者头部抬高15°～30°。

步骤7：定位穿刺点

学生查看患者病例，查看影像图像，选择标记笔，在患者头部划线，并在穿刺点位置画×。

三角区                                                                                          枕角

图8 定位切口及穿刺点

步骤8：钻孔及打开硬脑膜

学生选择合适的手术器械，颅骨钻孔，至硬脑膜，十字切开硬脑膜，可铜鼓鼠标操作。

步骤9.穿刺入路

1）学生选择引流管脑室端

2）学生通过滑轨调整进针深度（不同路径进针深度不同）

步骤10：脑室穿刺引流

1）学生选择带芯引流管，点击颅骨上的小孔，选择穿刺方向，将引流管置入脑室内。

2）小窗动画展示引流管尖端突破脑室壁进入脑室内

3）学生点击引流管拔出针芯

4）学生通过滑轨调整引流管送入得深度

5）学生选择使用医用镊子，医用镊子固定引流管

6）学生选择丝线，结扎引流管，并固定在头发上

7）检查引流管的位置和通畅情况，确保引流液能够顺利流出。

步骤11：术后处理

1）患者护理：

患者术后需绝对卧床，床头抬高15°~30°，以利于静脉回流、降低颅内压。密切观察患者的生命体征、意识状态、瞳孔变化等，如有异常及时报告医生。

2）引流管护理：

保持引流管通畅，避免打折、脱落、受压。观察引流液的颜色、性质、量，如有异常及时通知医生处理。定期更换引流袋或引流瓶，并记录引流量。

3）并发症预防：

遵医嘱给予患者抗感染治疗，预防颅内感染。

保持患者伤口清洁干燥，避免感染。

步骤12：并发症处理 选择题完成

1）颅内感染：

一旦发现颅内感染征象（如发热、头痛加重、脑脊液混浊等），应立即通知医生处理。医生可能会给予患者抗生素治疗，并加强伤口清洁和护理。

2）引流管堵塞：

如发现引流管无液体流出或引流不畅，应首先检查引流管是否打折、脱落或受压。如排除上述原因后引流管仍不通畅，医生可能会进行冲洗或更换引流管。

3）颅内压增高：

如患者术后出现颅内压增高征象（如头痛加重、呕吐、瞳孔变化等），应立即通知医生处理。医生可能会给予患者降低颅内压的治疗措施，如增加引流速度、给予脱水药物等。

穿刺过程，监护仪显示监测数据。

（1）记录每步实验结果

（2）实验结果与结论要求：

实验操作结束后，系统生成实验报告，内容包括实验名称、学生姓名、学号、操作步骤、操作评分，以及最终得分等内容系统。实验报告对本次操作进行总结，并生成可视化的分析报告，上传至后台进行系统化分析。

①如在实训练习过程中操作错误的，系统会进行实时提示与纠正，并显示正确结果。

②如在实训考核过程中进行错误操作的，则进行扣分并显示正确结果时给予标注及解释。

（3）学生互评模块

设置学生互评模块，学生可查看其他同学的实验报告，并且根据评分表进行评分，在评分完成后可查看自己的评分与系统自动评分的差别，从而更好的掌握手术操作要求。提升实验教学质量。

（4）实训考核完成所有步骤后，进行总体打分，并给予判断明细供学生自行学习巩固。