虚拟现实对复杂先天性心脏病手术规划中外科医生心智模型影响的评估

《International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery》：Assessing the impact of virtual reality on surgeons’ mental models of complex congenital heart cases

本文推荐：为探究虚拟现实(VR)对医师复杂病例术前规划认知过程的影响，研究者采用自述式出声思维法结合NASA任务负荷指数(NASA-TLX)，对3名外科医生在VR环境中探索10例复杂先天性心脏病病例的过程进行质性分析。研究发现VR能显著提升医生对病理解剖结构的理解信心(p=0.012)，并通过路径追踪、三维操作等交互模式帮助医生确认二维影像发现、优化手术方案。该研究为VR在术前规划中的认知价值提供了实证依据。

　　

当外科医生面对复杂先天性心脏病手术时，他们需要像侦探一样从二维的CT或MRI影像中重构出患者心脏的三维结构，并在脑海中形成精确的“心理地图”——这被称为心智模型（Mental Model）。然而，这种从二维到三维的转换过程充满挑战，特别是对于心脏这种空间结构复杂的器官。传统术前讨论会上，医生们只能对着二维屏幕展开想象，每个人的心智模型可能因经验、影像质量等因素存在差异。这种认知差异可能直接影响手术方案的精确度和安全性。

为解决这一难题，伊利诺伊大学香槟分校生物工程系的Eliot Bethke团队在《International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery》发表了一项创新研究。他们首次采用自述式出声思维法（Think-aloud Protocol）结合定量分析，深入探究了虚拟现实（VR）技术如何影响外科医生对复杂先天性心脏病病例的心智模型构建过程。

研究团队设计了一种自然观察法：三名经验不同的心脏外科医生（2年、5年和27年经验）在常规二维影像评估后，可自愿使用VR头显设备（HTC Vive 2.0、Oculus Quest 2/3）自主探索10例复杂先天性心脏病的三维模型。这些病例包括肺动脉闭锁（PA）、室间隔缺损（VSD）、主肺侧支动脉（MAPCAS）等多种复杂畸形。关键的是，医生在VR环境中没有预设任务，可以自由使用缩放、旋转、切片等工具探索模型，并随时口述他们的观察和思考。

研究团队开发了一套创新的编码框架（图2），将医生的行为分为三类：三维交互（如模型操作、工具使用）、认知过程（如解剖结构讨论、手术规划）和情感表达。五位编码者通过共识会议对录像进行标注，并使用Fleiss' kappa评估编码者间一致性（多数案例显示中度至高度一致）。

主要技术方法包括：基于Materialise Mimics软件从DICOM影像进行患者特异性三维模型分割；使用Enduvo 1.0 VR平台进行三维可视化；通过自述式出声思维协议记录认知过程；应用NASA-TLX量表评估认知负荷；采用扎根理论进行质性内容分析。

研究结果

决策源于探索序列

分析发现医生的思维过程呈现明显模式：三维模型操作（3D Manipulation）最常引向解剖结构讨论（Anatomy），而确认性陈述（Confirmation）导向心智模型讨论（Mental Model）的频率是反向的两倍。这种不对称性表明医生有目的地使用VR来验证和精细化其术前构想。

三维探索确认解剖理解

医生在VR中表现出高度的空间动态性，频繁进行“路径追踪”（Path Finding）——如沿着肺动脉“行走”至肺部。这种探索常伴随解剖确认，如一位医生感叹：“我立即有了更深的理解...它确实位于三尖瓣下方。”三维操作与解剖讨论的紧密关联（平均每案例20次）凸显了VR在空间理解上的独特价值。

情感指向VR优化机会

积极情绪（如兴奋）多与解剖发现和手术规划相关，而挫败感主要针对工具使用本身。值得注意的是，80%的会话以积极情绪结束，提示VR体验整体受到认可，但界面设计仍有改进空间。

信心掩盖复杂决策

定量数据显示，医生对解剖理解的信心在VR后显著提升（p=0.012），但手术方案信心无显著变化。深入分析发现，VR帮助医生排除了不确定因素（如确认某些室间隔缺损无需处理），但这种认知优化未直接转化为方案信心变化。一位医生解释：“关键是，我能否只闭合一个孔就完成手术？VR帮我确认了其他缺损可能不需要处理。”

讨论与结论

NASA-TLX结果显示VR环境的认知负荷显著低于传统二维会议（p=0.016），表明VR降低了理解复杂解剖的难度。研究表明VR的价值远超手术模拟，它通过三维探索、路径追踪和确认性观察等策略，帮助医生构建更精确的心智模型。值得注意的是，经验丰富的外科医生表现出更强的表达性和探索自由度，提示VR的价值可能随经验水平不同而变化。

本研究突破了传统评估框架，通过细致分析行为序列揭示了VR在认知层面的价值。虽然存在样本量小、自愿参与可能带来的偏差等限制，但为理解沉浸式技术如何影响医疗决策提供了新范式。未来研究可扩展至更多外科专业，探索医生经验、病例类型与VR使用模式的关联，进一步优化术前规划工具的设计与应用。