[Surgical Education in the Digital Age - Virtual Reality, Augmented Reality and Robotics in the Medical School].

BACKGROUND: The digital transformation of healthcare is changing the medical profession. Augmented/Virtual Reality (AR/VR) and robotics are being increasingly used in different clinical contexts and require supporting education and training, which must begin within the medical school. There is currently a large discrepancy between the high demand and the number of scientifically proven concepts. The aim of this thesis was the conceptual design and structured evaluation of a newly developed learning/teaching concept for the digital transformation of medicine, with a special focus on the influence of surgical teaching.
METHODS: Thirty-five students participated in three courses of the blended learning curriculum "Medicine in the digital age". The 4th module of this course deals with virtual reality, augmented reality and robotics in surgery. It is divided into the following course parts: (1) immersive surgery simulation of a laparoscopic cholecystectomy, (2) liver surgery planning using AR/VR, (3) basic skills on the VR simulator for robotic surgery, (4) collaborative surgery planning in virtual space and (5) expert discussion. After completing the overall curriculum, a qualitative and quantitative evaluation of the course concept was carried out by means of semi-structured interviews and standardised pre-/post-evaluation questionnaires.
RESULTS: In the qualitative evaluation procedure of the interviews, 79 text statements were assigned to four main categories. The largest share (35%) was taken up by statements on the "expert discussion", which the students consider to be an elementary part of the course concept. In addition, the students perceived the course as a horizon-widening "learning experience" (29% of the statements) with high "practical relevance" (27%). The quantitative student evaluation shows a positive development in the three sub-competences knowledge, skills and attitude.
CONCLUSION: Surgical teaching can be profitably used to develop digital skills. The speed of the change process of digital transformation in the surgical specialty must be considered. Curricular adaptation should be anchored in the course concept. The Author(s). This is an open access article published by Thieme under the terms of the Creative Commons Attribution-NonDerivative-NonCommercial License, permitting copying and reproduction so long as the original work is given appropriate credit. Contents may not be used for commecial purposes, or adapted, remixed, transformed or built upon. (https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

Einleitung

Die Digitalisierung der Gesellschaft und Wirtschaft hat die Medizin und damit die Chirurgie erreicht. Vor allem in der operativen Medizin gewinnt der Einsatz von Virtual und Augmented Reality (VR/AR) zunehmend an Bedeutung. Durch den Einsatz kommerziell verfügbarer VR-Simulatoren können Operationen simuliert und praktisch operative Fertigkeiten trainiert werden. Dadurch werden Lernkurven für videoendoskopisch und robotisch assistierte Operationen verkürzt und Leistungsniveaus kontrolliert 1 . Ferner ist ein präoperatives Warm-up möglich 2 . Eine Weiterentwicklung der herkömmlichen VR-Simulatoren durch eine Kombination mit einer VR-Brille erhöht die Immersion der Simulation, sodass der Anwender zunehmend in eine virtuelle Operationsumgebung eintauchen kann 3 ,  4 ,  5 . Auch intraoperativ werden die neuen Technologien eingesetzt. So werden präoperative Schnittbildgebungen nach 3-dimensionaler Rekonstruktion während einer Operation zur Navigation eingesetzt 6 . Die AR-Technologien werden es ermöglichen, patientenspezifische 3-D-Rekonstruktionen auf das jeweilige reale Organ oder Körperteil zu projizieren, um die Orientierung während der Eingriffe weiter zu optimieren 7 ,  8 .

Dabei ist die frühzeitige Berücksichtigung im Rahmen der Aus- und Weiterbildung essenziell 9 ,  10 . Aufgewachsen als erste Generation der „Digital Natives“ bewegen sich heutige Studierende jedoch weiterhin auf der „Consumer Ebene“ 11 . Allein der dauernde Kontakt mit digitalen Medien qualifiziert den chirurgischen Nachwuchs nicht, sich relevante digitale berufsspezifische Handlungskompetenzen anzueignen. Die Integration digitaler Kompetenzen in die Medizinerausbildung gewinnt vor diesem Hintergrund zunehmend an Bedeutung, jedoch adressiert weder der Nationale Kompetenzbasierte Lernzielkatalog (NKLM) aus dem Jahr 2015 noch der Masterplan Medizinstudium 2020 die Aspekte der digitalen Transformation 12 ,  13 .

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit soll nun dargestellt werden, wie es innerhalb eines neu aufgesetzten Curriculums „Medizin im digitalen Zeitalter“ gelingen kann, die Entwicklungen im Bereich der „Virtual Reality, Augmented Reality und Robotik“ von chirurgischer Seite verantwortungsbewusst einzubringen. Modular werden die Lehrmethodik und der damit verbundene Lehrerfolg erstmals strukturiert evaluiert.

Material und Methoden

Seit dem Sommersemester 2017 wird an der Universitätsmedizin Mainz, beruhend auf der evidenzbasierten Systematik nach Kern, das modulare Blended-Learning-Curriculum „Medizin im digitalen Zeitalter angeboten“ 14 ,  15 ( Abb. 1 ).

Abb. 1

 Einbettung des Modul 4 „VR, AR & Robotik“ als Teil Blended-Learning-Curriculum „Medizin im digitalen Zeitalter“. Foto: Peter Pulkowski

Studierende

An den ersten 3 ausgewerteten Kursen haben 35 Studierende (24 männlich; 11 weiblich) der Medizin des 7. – 9. Fachsemesters teilgenommen.

Lehrende

Das Modul 4 wurde von 4 chirurgischen Dozierenden betreut (3 männlich, 1 weiblich).

Equipment

Der Kurs fand in den Räumlichkeiten der „Rudolf Frey Lernklinik“ der Universitätsmedizin Mainz statt. Die digitale Simulationstechnik (Hard- und aktuelle Software) wurde von der chirurgischen Klinik zur Verfügung gestellt ( Tab. 1 ).

Tab. 1  Technische Geräte und Anwendungen im „Modul 4: Virtual Reality, Augmented Reality und computerassistierte Chirurgie“ des Curriculums „Medizin im digitalen Zeitalter“.

VR-Laparoskopiesimulator	LapSim, Surgical Science (Göteborg, Sweden)	immersiver Operationssaal Allgemeinchirurgie (in Kombination mit VR-Brille)
VR-Robotiksimulator	Mimic dV-Trainer, Mimic Technologies Inc. (Seattle, WA, United States)	Basisfertigkeiten für robotische Chirurgie
VR-Brille	VIVE, HTC (Seattle, WA, United States)VIVE Pro, HTC (Seattle, WA, United States)	immersiver Operationssaal Allgemeinchirurgie (in Kombination mit VR-Simulator) OP-Planung Viszeralchirurgie (einzeln und kollaborativ)
AR-Brille	HoloLens, Microsoft (Redmond, WA, United States)	OP-Planung Leberchirurgie

Vorbereitung

In Analogie zu den Modulen 1 – 3 und 5 konnten sich die Studierenden auf das Modul 4 anhand eines E-Books vorbereiten 14 ,  16 . Für die Kurskommunikation in den E-Learning-Phasen kam das digitale Kommunikationstool (SLACK) zum Einsatz.

Impulsvortrag

Ein multimedialer Impulsvortrag mit klinischem Fallbeispiel führt in die Thematik VR, AR und Robotik ein ( Video 1 ). Aktueller Stand der Forschung und Zukunftsvisionen werden vermittelt. Im Anschluss werden Lernziele und Erwartungen formuliert. Im Dialog mit den Dozierenden werden Fragen direkt beantwortet sowie auf das Lernen durch Erfahrung verwiesen und ggf. bereits Themen für das Interview formuliert.

Dozierende als Lernbegleiter

Im Kursverlauf nehmen alle 4 Dozierenden die Rolle des Lernbegleiters ein, die insbesondere in Zusammenhang mit dem Lehr-/Lernkonzept des problemorientierten Lernens, bekannt ist 17 . In diesem Setting stehen die Studierenden im Mittelpunkt. Ziel ist die aktive und konstruktive Auseinandersetzung mit den Inhalten des Moduls 4, die anhand relevanter chirurgischer Beispiele vermittelt werden. Die Chirurgen fördern, moderieren und dosieren den Lernprozess und fungieren über den gesamten Zeitraum als Unterstützer einer selbstverantwortlichen Auseinandersetzung.

Lernen durch Erfahrung

Die praxisbezogene Interaktion umfasst verschieden VR-/AR-Technologien ( Tab. 1 ) und bietet die Grundlage für die Kollaboration und Diskussion. Hier wird auf ein Lernen durch Erfahren gesetzt. Die Studierenden durchlaufen in 2er-Gruppen zunächst die neu entwickelte hochimmersive VR-Simulation einer minimalinvasiven Cholezystektomie. Dabei wird an einem Simulator die virtuelle Operation auf einem Monitor simuliert. Zusätzlich tauchen die Studierenden mithilfe einer VR-Brille in einen virtuellen Operationssaal ein 5 . Im Anschluss wird mithilfe eines VR- sowie eines AR-Headsets die Operation eines Lebertumors geplant. An einer 3. Station erproben die Teilnehmenden erste eigene Basisfertigkeiten am VR-Simulator für robotische Chirurgie ( Abb. 2 ). Fakultativ kann mit 2 VR-Brillen im Team am virtuellen Lebermodell studiert, aktiv gearbeitet und strategisch geplant werden ( Video 2 ).

Abb. 2

 Übung zur Gefäßdissektion am virtuellen Simulator für robotische Chirurge (Mimic dV-Trainer, Mimic Technologies Inc, Seattle, USA). Foto: Peter Pulkowski

Experteninterview

Das Experteninterview bietet den Studierenden die Möglichkeit, in 2er- oder 3er-Gruppen jeweils 20 min einen in der Thematik erfahrenen Viszeralchirurgen zu befragen. Die Fragen wurden im Vorfeld von den Studierenden erarbeitet und über SLACK ausgetauscht.

Evaluation

Die Evaluation erfolgte qualitativ in Form semistrukturierter Interviews und quantitativ anhand standardisierter Prä-post-Evaluationsfragebögen. Die quantitative deskriptive Evaluation wurde getrennt für die Teilkompetenzen „Wissen“, „Fertigkeiten“ und „Haltung“ anhand einer 7-stufigen Likert-Skala durchgeführt. Die Erhebung der qualitativen Evaluation erfolgte anhand eines teilstrukturierten Leitfadens. Hierbei wurden alle Teilnehmenden nach Abschluss des Gesamtcurriculums zu ihren subjektiven Erfahrungen von Projektmitarbeitern interviewt. Die Interviews umfassen ca. 45 min Sprechzeit pro Interview und bieten detaillierte Aussagen aus der Studierendenperspektive. Die „Qualitative Inhaltsanalyse nach Philipp Mayring“ wurde zur Analyse und Auswertung der im Rahmen der Evaluation erhobenen und transkribierten Interviews genutzt 18 ,  19 . Dabei werden die Aussagen schrittweise in spezifische Kategorien eingeteilt ( Tab. 2 ). Durch Beachtung der Sinnzusammenhänge, Wertungen und Relevanzen wurde der für das Modul 4 spezifische Textanteil bestimmt ( Abb. 3 ). Die quantitative Evaluation zum subjektiven Lernerfolg wurde für die Teilkompetenzen „Wissen“ und „Fertigkeiten“ in Form einer Vorher-nachher-Selbsteinstufung mit einer 7-stufigen Likert-Skala (1 = sehr gering bis 7 = sehr hoch) vorgenommen. Zusätzlich wurde die Einschätzung der persönlichen „Haltung“ (1 = sehr negativ, 4 = neutral, 7 = sehr positiv) abgefragt.

Tab. 2  Kategorientabelle „Virtual Reality, Augmented Reality und Robotik“ zur qualitativen Analyse der semistrukturierten Interviews.

Lernerlebnis	erstmaliger Kontakt mit AR/VR und robotischer Chirurgie Beschreibung der Lernerfolge in Verhältnis setzen zu „regulärer“ Lehre
Praxisbezug	immersive realitätsnahe Erfahrung Skills-Training Theorie-Praxis-Reflexion
Expertengespräch	direkter Austausch mit Experten als Rollenmodell Festigung der Praxiserfahrung im Dialog empfundene Wertschätzung
Digital Literacy	Ausformulierung einer persönlichen Haltung Selbstreflexion/Reflexion des ärztlichen Berufsbildes Bezug zur gesellschaftlichen Ebene

Abb. 3

 Ergebnisse der qualitativen Evaluation anhand semistrukturierter Interviews. Anteile der 4 Kategorien mit exemplarischen Zitaten der Studierenden

Ergebnisse

Qualitative Evaluation anhand semistrukturierter Interviews

Die Evaluation in Form der semistrukturierten Interviews zeigt die hohe Akzeptanz des Kurskonzepts. Die Studierenden betonen dabei die empfundene Wertschätzung und Motivation durch die intensive und kreative Zusammenarbeit untereinander und mit den Chirurgen. Besonders die Möglichkeit der praktisch-operativen Interaktion und Verdeutlichung von medizinischen Versorgungskonzepten wurden dabei positiv bewertet.

Im Auswertungsverfahren der Interviews wurden 79 Textaussagen der Kategorie „Virtual Reality, Augmented Reality und Robotik“ zugeordnet ( Abb. 2 ). Davon fallen 29% in die Kategorie „Lernerlebnis“. Diese Kategorie beschreibt den erstmaligen Kontakt der Studierenden mit hochdigitalisierter Medizintechnik. Die Befragten sprechen von einem horizonterweiternden Erlebnis. Hier schließt sich auch die Kategorie „praktische Handlungserfahrung“ mit 27% der Aussagen an. Diese Kategorie umfasst die tatsächlichen Lernerfolge, vor allem durch das praktische Ausprobieren der Technik sowie die in Gespräch und Diskussion angestoßene Reflexion. Das „Expertengespräch“, eine für sich stehende Kategorie, wurde durch die Studierenden als elementarer Teil des Kurskonzepts gewertet. Die Möglichkeit des direkten Austauschs mit einem in der computerassistierten Chirurgie erfahrenen Operateur trägt dazu bei, die erlebte Praxiserfahrung zu festigen. Die Studierenden betonen hierbei den Austausch über professionelles chirurgisches Handeln mit einem Rollenmodell als seltene Möglichkeit im Studium und schätzen diese als sehr positiv ein. Dies führt zu hohem Lernerfolg und zu einer nachhaltigen differenzierten Haltung gegenüber VR/AR und Robotik. 35% der getroffenen Aussagen können dieser Kategorie zugeordnet werden. Sowohl die beschriebene Möglichkeit zum Gespräch als auch die Möglichkeit, an und mit neuer Simulatortechnik zu üben, wird von den Studierenden sehr positiv aufgefasst und mit empfundener Wertschätzung sowie hoher intrinsischer Motivation verbunden. Die Kategorie „Digital Literacy“ beschreibt mit 9% der Aussagen eine ganzheitliche Auseinandersetzung mit den digitalen Fertigkeiten hinsichtlich eines kritischen, planvollen und kontextspezifischen Umgangs mit zur Verfügung stehenden Daten 20 . Verbesserungsvorschläge der Studierenden betreffen vor allem den zeitlichen Rahmen. Die Teilnehmenden erachten es als sinnvoll, längere Unterrichtseinheiten zu planen, um mehr Zeit für Diskussionen, Expertengespräche und Praxisübungen zu schaffen. Des Weiteren äußern einige Teilnehmende den Wunsch, dass die „hands-on“-Anteile weiter erhöht werden, bspw. um die Planungssoftware detaillierter austesten zu können.

Quantitative Prä-post-Evaluation

Die Prä-post-Evaluation zeigt eine positive Selbsteinschätzung des Lernerfolgs in den Teilkompetenzen Wissen (vorher: 3,08 ± 1,44; nachher: 6,08 ± 0,67) und Fertigkeiten (vorher: 2,00 ± 1,41; nachher 4,75 ± 1,54). Die Haltung der Teilnehmenden wurde vom neutralen in den positiven Bereich (vorher: 4,08 ± 1,68; nachher 5,83 ± 1,03) verschoben ( Abb. 4 ).

Abb. 4

 Ergebnisse des quantitativen Prä-post-Vergleichs der Bereiche „Wissen“, „Fertigkeiten“ und „Haltung“ (1 = sehr gering, 4 = neutral, 7 = sehr hoch) und „Haltung“ (1 = sehr negativ, 4 = neutral, 7 = sehr positiv) zu Virtual Reality, Augmented Reality und Robotik.

Diskussion

Im Gesundheitssektor werden VR- und AR-Technologien in der Prävention, der Rehabilitation (psychologische Therapie), im Produktmarketing und in der Unternehmenspräsentation eingesetzt. Der Chirurg und Militärpilot R. Satava hat schon 1993 die immense Bedeutung der Simulation für die zukünftige chirurgische Ausbildung, die Schulung und das Training erkannt 21 . Im Jahr 2016 sieht das Hochschulforum Digitalisierung VR und AR als Schlüsseltechnologien, welche die Weiterentwicklung der Hochschulbildung beeinflussen. Der Reifegrad für den Durchbruch sei erreicht 22 . Mit der vorliegenden Arbeit wollen wir einen Beitrag leisten, um dieses Postulat im Rahmen eines Unterrichtskonzepts des Medizinstudiums strukturiert zu evaluieren.

35 Studierende der Humanmedizin experimentieren im Modul 4 des standardisierten Curriculums „Medizin im digitalen Zeitalter“ und erweitern ihr Verständnis für Anatomie, Topografie, Simulation, Navigation und computerassistierte Chirurgie. Eindrucksvoll wird von einem Viertel der Studierenden betont, dass kontextuelle Lernerlebnisse möglich sind. Dies ist ein zunehmend wichtiger Aspekt, weil Studierende sehr frühzeitig vom Fach Chirurgie überzeugt werden müssen 23 . Nach Umfrageergebnissen verfügen nur etwa 30% der deutschen Universitätskliniken über Simulatoren zur VR-Simulation und es ist weitgehend unklar, ob sie in der studentischen Lehre curricular eingesetzt werden 24 . Das vorliegend beschriebene curriculare Skills-Training in der virtuellen Realität wird mit seinem unmittelbaren Praxisbezug in 29% der Interviews positiv herausgestellt. Die aktuelle Literaturanalyse belegt den Nutzten von VR- und Box-Trainern zur Verbesserung der Aus- und Weiterbildung und stellt hier eine Überlegenheit gegenüber reinen Videotrainern (oder auch „dry laboratory simulation“) fest 24 ,  25 ,  26 .

Verglichen mit traditioneller Lehre oder Blended Learning verbessern AR- und VR-Simulationsszenarien den Wissensstand und die kognitiven Fähigkeiten der Teilnehmer in höherem Maße 27 . Dass die beschriebene modulare chirurgische Ausbildung das digitale Profil der Medizinstudierenden verstärkt, kann nun mit der sehr guten qualitativen Evaluation sowie dem subjektiven Lernerfolg anhand der quantitativen Evaluation gezeigt werden. Eine klare Limitation besteht zum jetzigen Zeitpunkt hinsichtlich des hohen Aufwands aufgrund der technischen Ausstattung und personalintensiven Umsetzung aufgrund der praktischen Anteile.

Die Digitalisierung der Chirurgie und der gesamten Medizin ist ein fundamentaler Wandlungsprozess, dessen Einfluss auf das zukünftige Berufsbild des Arztes noch nicht abgeschätzt werden kann. Jedoch steht fest, dass eine begleitende Ausbildung erforderlich ist 14 . Unbedingt müssen in Zukunft Szenarien, die mehr oder weniger differenziert vom Ersatz des chirurgischen Berufs durch künstliche Intelligenz und Robotik ausgehen, von den Studierenden hinterfragt, aber vor allem aus der Praxiserfahrung heraus mit Experten analog diskutiert werden. Durch diesen Dialog und in Kombination mit den Handlungserfahrungen aus der VR/AR wird ein weiterer Schwerpunkt des Curriculums „Medizin im digitalen Zeitalter“ gestärkt – die Vermittlung einer Haltung.

Die Reflexion der Haltung gegenüber neuen digitalen Technologien und Medien (VR/AR) und dem weiten Themenkomplex des digitalen Wandels (Künstliche Intelligenz, Datenschutz, Ethik) spielt eine wichtige Rolle. Dieser Aspekt wird nach den vorliegenden Ergebnissen zu einem zentralen Lernmoment. Die Studierenden können sich mit der Aktualität und Realität der technischen Entwicklungen inklusive progressiver Expertisen auseinandersetzen 28 ,  29 . Sie bekommen so einen neuen Zugang zur Materie. Der chirurgische Lehrer nimmt dabei die Rolle des Lernbegleiters ein. Durch den Erfahrungsaustausch in der Peergroup sowie mit Experten wird eine reflexive Auseinandersetzung mit der digitalen Thematik gefördert. Das praktische Eingreifen der Studierenden in das Geschehen bietet die Möglichkeit, Lernende aktiv in die Ausbildung einzubinden und Wissensinhalte virtuell im entsprechenden situativen und sozialen Kontext zu erleben. In weiterentwickelten Konzepten zur kollaborativen Zusammenarbeit über Distanzen können mithilfe der gewonnen Erfahrung aus der direkten Interaktion mit den Studierenden neue Lehransätze exploriert werden (Video 2). Dabei ist die Kombination von quantitativer und qualitativer Evaluation nach iterativem Prinzip Voraussetzung, um agil und genau die Bedürfnisse sowohl der Studierenden als auch der Dozierenden an die Rahmenbedingungen anzupassen.

Hinsichtlich der qualitativen Evaluationsmethode lässt sich festhalten, dass sich diese insbesondere für Kurskonzepte eignet, die problemzentriertes Lernen in den Vordergrund stellen, da die Interviews auch den (kritischen) Austausch, die Positionierung und das Einordnen der Lehreinheiten in den individuellen Erfahrungskontext ermöglichen. Ihre Grenzen findet die Methode in der intersubjektiven Vergleichbarkeit bzw. der objektiven Messung von Lernfortschritten. Des Weiteren ist zu beachten, dass die Studierenden sich im Rahmen der Wahlpflichtwoche bewusst für die Teilnahme am Kurskonzept entscheiden und so davon ausgegangen werden kann, dass zumindest ein gewisses Interesse an der Thematik schon vorab bestanden hat.

Zusammenfassend wird ein sehr zeitgemäßes, VR- und AR-basiertes, modulares Lehr-Lern-Setting vorgestellt. Die positiven Veränderungen in der Kompetenzbeurteilung – Wissen, Fertigkeiten und Haltung – spiegeln dabei die bisherigen und neu erworbenen Erfahrungen der studentischen Kursteilnehmer wider. Bei der Entwicklung derartiger Curricula muss die enorme Geschwindigkeit des digitalen Veränderungsprozesses berücksichtigt und eine agile iterative Anpassung vorgenommen werden 30 ,  31 ,  32 . Die Integration dieser „chirurgisch“ vermittelten digitalen Kompetenzen in das Curriculum des Medizinstudiums ist somit nicht nur eine aktuelle, sondern auch eine fortwährende Herausforderung.