Development and evaluation of a virtual reality based total hip arthroplasty surgical training application

기술 요약: 인공관절 전치환술 수술 교육을 위한 가상 현실 기반 애플리케이션의 개발 및 평가

문제 제기
인공관절 전치환술(THA)은 환자의 안전 문제, 감염 위험, 그리고 수술실 내 시야 제한으로 인해 학생들의 직접 참관이 종종 제한되는 복잡하고 위험도가 높은 정형외과적 절차이다. 기존의 온라인 강의나 2D 자료와 같은 전통적인 교육 방식은 수술 기법 숙달에 필요한 몰입형 맥락 기반 학습을 제공하는 데 한계가 있다. 가상 현실(VR)과 360도 영상은 물리적 존재감을 시뮬레이션함으로써 해결책을 제시할 잠재력이 있으나, 특히 수술실 기술 교육이라는 구체적인 맥락에서 표준 온라인 교육과 비교했을 때 이들이 학습 결과에 미치는 부가적인 효과를 실증적으로 평가할 필요가 있다.

연구 방법론
본 연구는 마슈하드 의과대학교의 수술실 전공 학생 36명(5학기 20명, 7학기 16명)을 대상으로 하여, 가산적 구조(additive structure)를 가진 2집단 유사 실험 설계(통제-중재)를 채택하였다. 지역적 상황에 따른 물류적 제약으로 인해 무작위 배정 대신 편의 추출법을 사용하였으나, 중재 전 두 집단 간의 통계적 동질성은 확인되었다.

• 중재 설계:

  • 공통 기초: 두 집단 모두 Skyroom 플랫폼을 통해 파워포인트 강의와 연구자 주도의 설명을 포함한 전통적인 온라인 교육을 받았다.
    g 중재 집단: 온라인 기초 교육 외에도, 이 집단(n=18)은 이맘 레자 병원의 실제 수술실에서 촬영된 360도 영상을 활용한 VR 기반 교육을 추가로 받았다. 영상은 정형외과 의사의 머리에 장착된 Insta360 카메라를 사용하여 촬영되었으며, 인공관절 전치환술 과정을 1인칭 시점으로 제공하였다.
  • VR 애플리케이션 특징: Unity Editor로 개발되고 Adobe Premiere Pro로 처리된 이 애플리케이션은 환자 자세 설정부터 상처 봉합까지 전체 수술 워크플로우를 다루는 15개의 짧은(1~3분) 영상 세그먼트로 구성되었다. 시스템에는 컨트롤러를 이용한 응답이 필요한 인터랙티브 질문, 점수 산정 메커니즘, 경쟁적 분위기 등 게임화 요소가 포함되었다.
  • 통제 집단: 이 집단(n=18)은 전통적인 온라인 교육만을 받았다.

• 데이터 수집 및 분석:

  • 학습은 연구자가 제작하고 타당도가 검증된 20문항의 객관식 테스트(Cronbach's alpha = 0.897)를 통해 사전 테스트와 사후 테스트 방식으로 평가되었다.
  • 통계 분석에는 정규성 검정을 위한 Shapiro-Wilk 검정, 집단 내 비교를 위한 Wilcoxon 부호 순위 검정, 집단 간 사후 테스트 비교를 위한 독립 표본 t-검정, 그리고 학습 진전율 비교를 위한 Mann-Whitney U 검정이 포함되었다. 효과 크기는 Cohen's d를 사용하여 계산되었다.

주요 기여

1. 특화된 VR 커리큘럼 개발: 저자들은 인공관절 전치환술에 특화되어 의사의 관점에서 절차를 포착하고, 이를 이론적 내용 및 인터랙티브 게임화 평가와 통합한 360도 영상 기반의 교육 애플리케이션을 성공적으로 개발하였다.
2. 수술 교육 내 VR의 실증적 검증: 본 연구는 수술실 학생들을 대상으로 VR 강화 교육과 전통적인 온라인 방식 간의 효능을 비교하는 정량적 근거를 제공한다.
3. 학습 형평성 분석: 본 연구는 VR 교육의 효과가 학생들의 학년(5학기 대 7학기) 및 사전 지식 수준에 따라 달라지는지 조사하였다.

결과

• 집단 내 성과: 중재 집단은 사전 테스트 대비 사후 테스트에서 통계적으로 유의미한 향상을 보였으며(Wilcoxon, p < 0.001), 참가자의 88.9%가 점수가 향상되었다. 반면, 통제 집단은 통계적으로 유의미한 향상을 보이지 않았다(p = 0.057).
• 집단 간 비교: 중제 집단은 통제 집단(6.72 ± 3.18)에 비해 유의미하게 높은 평균 사후 테스트 점수(12.83 ± 3.47)를 기록하였다. 이 차이는 매우 큰 효과 크기(d = 1.89, p < 0.001)를 나타냈다.
• 학습 진전: 학습 진전율(점수 차이)은 통제 집단보다 중재 집단에서 유의미하게 높았다(Mann-Whitney, p = 0.004).
• 상관관계 분석: 통제 집단에서는 사전 테스트와 사후 테스트 점수 사이에 유의미한 양의 상관관계가 존재하여(r = 0.613), 초기 지식이 최종 성과를 예측함을 보여주었다. 그러나 중재 집단에서는 이러한 상관관계가 사라졌으며(r = 0.018, p = 0.944), 이는 VR 중재가 기초 지식 수준에 관계없이 학생들에게 균등한 혜택을 줌으로써 학습 격차를 효과적으로 해소했음을 시사한다.
• 학년별 차이: 중재의 효과는 5학기와 7학기 그룹 모두에서 일관되게 나타났으며, 두 학년 간의 진전율에서 유의미한 차이는 없었다.

의의 및 주장
본 논문은 360도 VR 기반 교육을 전통적인 온라인 교육과 통합하는 것이 인공관절 전치환술 수술실 학생들의 학습을 유의미하게 향상시키며, 매우 큰 효과 크기를 입증한다고 결론짓는다. 저자들은 이 방법이 다음과 같은 이유로 특히 가치 있다고 주장한다:

• 수술실에 대한 물리적 접근의 한계를 극복한다.
• 사전 준비 수준이 다른 학생들 사이의 지식 격차를 줄이는 균등한 교육적 혜택을 제공한다.
• 다양한 학년(5학기 및 7학기)에 걸쳐 효과적이다.

본 연구는 360도 영상 VR을 전문적인 수술 교육을 위한 저비용, 고효율의 확장 가능한 보조 도구로 제안한다. 저자들은 편의 추출법을 사용한 비무작위 샘플링, 상대적으로 작은 표본 크기, 장기 기억 유지 데이터의 부재 등을 한계점으로 인정하였다. 또한 현재 연구가 즉각적인 학습 효과를 입증했으나, 향후 연구는 장기적인 지식 유지 및 완전한 상호작용형 VR 시스템과의 비교에 초점을 맞추어야 한다고 제언하였다.