虛擬手術(shù)實(shí)驗(yàn)在醫(yī)學(xué)教學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用

邱　峰　張際平　高　巖

【摘要】為解決臨床醫(yī)學(xué)學(xué)生培訓(xùn)問題,我院構(gòu)建了虛擬手術(shù)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng),它與真實(shí)手術(shù)相結(jié)合共同構(gòu)成了較完整的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系,滿足了醫(yī)學(xué)教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的需要。系統(tǒng)的交互性和快速響應(yīng)提高了教學(xué)效率和教師的教學(xué)科研能力,也有利于學(xué)生能動(dòng)性的發(fā)揮。

【關(guān)鍵詞】虛擬手術(shù);網(wǎng)絡(luò)教學(xué);認(rèn)知反饋

【中圖分類號(hào)】G40-057 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【論文編號(hào)】1009—8097(2009)07—0127—03

前言

虛擬手術(shù)是集醫(yī)學(xué)、生物力學(xué)、機(jī)械學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺、數(shù)學(xué)分析等諸多學(xué)科為一體的新型交叉研究領(lǐng)域,目的是使用計(jì)算機(jī)技術(shù)來模擬、指導(dǎo)醫(yī)學(xué)手術(shù)所涉及的各種過程。它在時(shí)間段上包括術(shù)前、術(shù)中、術(shù)后,在實(shí)現(xiàn)的目的上有手術(shù)計(jì)劃制定、手術(shù)演習(xí)、手術(shù)教學(xué)、手術(shù)技能訓(xùn)練,術(shù)中引導(dǎo)手術(shù)、術(shù)后康復(fù)等。

在傳統(tǒng)手術(shù)教學(xué)中,主刀醫(yī)生是在自己的大腦中進(jìn)行術(shù)前的手術(shù)模擬,以確定手術(shù)方案。作為結(jié)果,手術(shù)方案質(zhì)量的高低,只能依賴于醫(yī)生個(gè)體的外科臨床經(jīng)驗(yàn)與技能,很難被手術(shù)小組的其它成員及臨床醫(yī)學(xué)學(xué)生所共享。虛擬手術(shù)則利用各種醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù),進(jìn)行三維重建,在虛擬空間中實(shí)現(xiàn)三維手術(shù)模擬,以制訂出較為完善的手術(shù)方案,且可供手術(shù)全體醫(yī)生每一位成員共享[1],并應(yīng)用于醫(yī)學(xué)類院校醫(yī)學(xué)教學(xué)當(dāng)中。

臨床醫(yī)生的培訓(xùn)是一項(xiàng)投資大、時(shí)間長(zhǎng)、且具有一定風(fēng)險(xiǎn)性的工作,在病人身上練習(xí)手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)大且不可重復(fù),在標(biāo)本上練習(xí)則存在數(shù)量有限、成本昂貴的缺點(diǎn)。新疆石河子大學(xué)醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院構(gòu)建了三維虛擬手術(shù)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng),較好的解決了手術(shù)實(shí)驗(yàn)解剖教學(xué)的問題,使臨床醫(yī)生可以在虛擬手術(shù)環(huán)境中,對(duì)計(jì)算機(jī)生成的人體器官反復(fù)進(jìn)行手術(shù)模擬,研究手術(shù)方案,練習(xí)協(xié)同手術(shù)。該系統(tǒng)快速提升了對(duì)醫(yī)學(xué)院的學(xué)生及低年資醫(yī)生的培養(yǎng)水準(zhǔn),極大的縮短了醫(yī)生培訓(xùn)周期,具有極高的實(shí)用價(jià)值。

一 虛擬手術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的體系架構(gòu)

我院是全國(guó)綜合性“三級(jí)甲等醫(yī)院”,擁有美國(guó)分會(huì)GE Hispeed NX/i多層螺旋CT、美國(guó)綜合GE Signa T核磁共振儀(MRI)等高精尖診斷治療儀器,為有效的利用現(xiàn)有醫(yī)療影像,結(jié)合影像特點(diǎn),構(gòu)建了本院的三維虛擬手術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),醫(yī)生可以方便快捷的將三維手術(shù)模擬和手術(shù)計(jì)劃的資料輸入到臨床教學(xué)系統(tǒng)中,進(jìn)行多媒體課件的制作及科研課題的學(xué)術(shù)交流等。圖1為三維虛擬手術(shù)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)架構(gòu)圖。

虛擬手術(shù)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)采用分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),可同時(shí)支持100個(gè)以上不同權(quán)限用戶并發(fā)操作,能夠?qū)T,MR,3D超聲及其它醫(yī)療設(shè)備獲得的DICOM (醫(yī)學(xué)數(shù)字影像通訊)3.0文件或影像重建為多種影像格式(slice影像,MPR影像,曲面影像等等)。它支持3D醫(yī)學(xué)模型的創(chuàng)建、存儲(chǔ)、編輯、手術(shù)計(jì)劃、手術(shù)模擬等功能,并可以方便的為網(wǎng)絡(luò)中的師生提供觀摩和實(shí)驗(yàn)操作。

Fig.1 Virtual Surgery network teaching system framework

二 系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)利用醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù),重建三維模型,通過三維手術(shù)交互操作來幫助醫(yī)生及醫(yī)學(xué)院校學(xué)生在計(jì)算機(jī)上模擬手術(shù)的過程、預(yù)測(cè)手術(shù)的效果,最終選擇合理的手術(shù)方案。并可輔助觀察者對(duì)靶區(qū)和周圍組織進(jìn)行分析和顯示,可以準(zhǔn)確地在確定靶區(qū)體的空間位置、大小、幾何形狀以及與周圍生物組織之間的空間關(guān)系。它包括如下功能:

(1) 容積重建(VR):提供交互式的操作方式,醫(yī)生可以自由的添加和去除各種組織,動(dòng)態(tài)調(diào)整各種組織的透明度。

(2) 快速表面重建(SSD):依據(jù)所用的數(shù)據(jù)不同,根據(jù)組織的密度或組織的信號(hào)差別和空間位置,定義不同的重建目標(biāo),重建后的各個(gè)對(duì)象可以任意的組合、旋轉(zhuǎn)、平移、切割等。

(3) 任意平面(曲面)重組(MPR,CPR):將多個(gè)連續(xù)的平面斷層圖像組成三維模型,再將模型沿冠狀面、矢狀面或者任意斜面甚至曲面斷開,并形成新的斷層圖像。

(4) 虛擬內(nèi)窺鏡(Endoscopy):使用先進(jìn)的分割、重建、顯示和自動(dòng)路徑規(guī)劃算法,使用醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù),生成器官的3D內(nèi)表面模型,模擬視頻內(nèi)窺鏡的功能。

(5) 最大(小)密度投影(MIP):類似X線透視的效果,可以任意的選擇角度進(jìn)行觀看,模擬出三維的效果。

(6) 手術(shù)模擬(Surgery):手術(shù)模擬是在SSD的功能基礎(chǔ)上,可以讓醫(yī)生方便的對(duì)各種組織進(jìn)行切割和組合,完整的實(shí)現(xiàn)手術(shù)過程的展示,過程中會(huì)給出精準(zhǔn)的手術(shù)數(shù)據(jù)。

(7) 測(cè)量(Measure):系統(tǒng)提供方便的測(cè)量功能,可以測(cè)量距離、面積、容積和角度等。對(duì)于容積,系統(tǒng)會(huì)根據(jù)目標(biāo)自動(dòng)計(jì)算,也可以手工選取的面積進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)的容積計(jì)算。

系統(tǒng)同時(shí)提供師生在線交互功能,學(xué)生在觀摩手術(shù)實(shí)驗(yàn)的同時(shí),能夠自行反復(fù)進(jìn)行虛擬手術(shù)入路模擬,研究手術(shù)方案,練習(xí)協(xié)同手術(shù),并將結(jié)果動(dòng)態(tài)保存,反饋給老師,以便于教師根據(jù)學(xué)生情況提供不同指導(dǎo),增強(qiáng)教學(xué)互動(dòng)性,提高臨床教學(xué)效果。

三 虛擬實(shí)驗(yàn)中的師生

1 虛擬手術(shù)實(shí)驗(yàn)中的學(xué)生

虛擬手術(shù)實(shí)驗(yàn)中的學(xué)生是虛擬實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的主體,根據(jù)手術(shù)的相關(guān)要求,選擇手術(shù)器械、設(shè)計(jì)模擬手術(shù)方案、進(jìn)行虛擬手術(shù)實(shí)驗(yàn)操作,觀察每一步手術(shù)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象、環(huán)節(jié),分析實(shí)驗(yàn)過程數(shù)據(jù),得出虛擬手術(shù)結(jié)果,確定真實(shí)手術(shù)的方案,并能做出手術(shù)評(píng)估,從而培養(yǎng)了醫(yī)學(xué)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。在虛擬手術(shù)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中,影響學(xué)生實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的因素是多方面的,有內(nèi)部的和外部的因素、認(rèn)知的和非認(rèn)知的因素[2]。外部因素有:系統(tǒng)的真實(shí)還原性、穩(wěn)定性、反饋環(huán)節(jié)、探索空間、教學(xué)組織形式等;內(nèi)部因素有:學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)、學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、自我監(jiān)控等。

在虛擬手術(shù)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中,學(xué)生在自己的認(rèn)知結(jié)構(gòu)和對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容理解的基礎(chǔ)上,明確手術(shù)實(shí)驗(yàn)的要求,設(shè)計(jì)模擬手術(shù)實(shí)驗(yàn)的方案,選擇變量參數(shù),實(shí)現(xiàn)自我調(diào)節(jié)和管理;系統(tǒng)則根據(jù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)過程予以反饋,并根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整手術(shù)實(shí)驗(yàn)的任務(wù),以便使學(xué)生更有效地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)過程中的行為結(jié)果借助外部反饋返回到認(rèn)知系統(tǒng)中,以便學(xué)生調(diào)整實(shí)驗(yàn)參數(shù),重新生成手術(shù)實(shí)驗(yàn)方案,通過這些過程的多次反復(fù),最終獲得與實(shí)驗(yàn)要求相匹配的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

虛擬手術(shù)實(shí)驗(yàn)成功與否,一方面取決于學(xué)生的認(rèn)知活動(dòng),同時(shí)也取決于虛擬手術(shù)實(shí)驗(yàn)所提供的環(huán)境。這樣有助于學(xué)生對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境持有正確的認(rèn)識(shí),有助于學(xué)生重視虛擬手術(shù)實(shí)驗(yàn)中的體驗(yàn)和手術(shù)過程,有助于促進(jìn)虛擬手術(shù)與真實(shí)手術(shù)情境遷移的有效發(fā)生[3]。

2 虛擬手術(shù)實(shí)驗(yàn)中的教師

本網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)的使用可以讓教師從儀器設(shè)備的準(zhǔn)備、設(shè)備的使用指導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)演示等環(huán)節(jié)中解放出來。然而虛擬的手術(shù)并不能完全代替真實(shí)的手術(shù),如果學(xué)生在虛擬手術(shù)實(shí)驗(yàn)中學(xué)習(xí)和經(jīng)歷的東西不能與實(shí)踐相聯(lián)系,就有可能將虛擬與真實(shí)之間的差距拉大。因此,教師要發(fā)揮的一個(gè)重要作用是提高學(xué)生對(duì)支持這些虛擬手術(shù)實(shí)驗(yàn)的概念、技術(shù)和原則意識(shí),從而對(duì)自己所處的每個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)都有一個(gè)較直觀的了解,在虛擬手術(shù)實(shí)驗(yàn)中,教師是組織者、指導(dǎo)者、幫助者、促進(jìn)者。

在虛擬手術(shù)實(shí)驗(yàn)中,教師要幫助學(xué)生明確使用虛擬手術(shù)實(shí)驗(yàn)的目的,及在真實(shí)手術(shù)過程中應(yīng)注重的關(guān)注點(diǎn),以使學(xué)生在活動(dòng)過程中進(jìn)行有效的計(jì)劃、觀察和調(diào)控。同時(shí)教師可以針對(duì)學(xué)生的實(shí)際水平提出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)要求,因材施教[4]。

虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的使用,是在訓(xùn)練學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)理論、基本方法、基本技能的基礎(chǔ)上,培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐與創(chuàng)新能力。學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)與觀察獲取的感性認(rèn)識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能,通過探索與總結(jié)獲得科學(xué)知識(shí),通過應(yīng)用與延伸使知識(shí)得到鞏固和深化。教師應(yīng)善于引導(dǎo)學(xué)生綜合應(yīng)用所掌握的知識(shí)進(jìn)行必要的分析、類推或計(jì)算論證,以培養(yǎng)醫(yī)學(xué)類學(xué)生解決實(shí)際問題的能力,延伸學(xué)生在知識(shí)與技能的深度和廣度上的探索能力。

四 虛擬手術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的相關(guān)結(jié)論

虛擬手術(shù)實(shí)驗(yàn)與真實(shí)手術(shù)相結(jié)合共同構(gòu)成了較完整的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系,在一定程度上滿足了醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的需要;虛擬手術(shù)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的應(yīng)用,提高了教學(xué)效率和教師的教學(xué)科研能力,促進(jìn)教師業(yè)務(wù)知識(shí)的更新,使得醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段和教學(xué)內(nèi)容豐富多樣;在虛擬手術(shù)實(shí)驗(yàn)中學(xué)生獨(dú)立自主思考、主動(dòng)參與的程度較高,有利于學(xué)生能動(dòng)性的發(fā)揮;同時(shí)虛擬手術(shù)實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用,使原來枯燥無味的手術(shù)解剖課程變得生動(dòng)形象,激發(fā)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣、拓寬了實(shí)驗(yàn)方法和設(shè)計(jì)思路,提高了知識(shí)的應(yīng)用能力,為今后的醫(yī)療工作的創(chuàng)新能力的形成奠定了一定的基礎(chǔ)。

此外,三維虛擬手術(shù)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用,使虛擬手術(shù)實(shí)驗(yàn)輔助醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué),打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的束縛,很大程度上減少了實(shí)驗(yàn)設(shè)備和空間,節(jié)約了資金,改善了實(shí)驗(yàn)條件;虛擬手術(shù)與真實(shí)手術(shù)的有機(jī)結(jié)合,能有效的克服真實(shí)手術(shù)過程中盲目操作的現(xiàn)象,為真實(shí)的手術(shù)工作提供了良好的輔助工具。同時(shí)虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有良好的可重現(xiàn)性及可逆性,允許學(xué)生對(duì)同一手術(shù)進(jìn)行重復(fù)不同操作,增強(qiáng)了臨床手術(shù)實(shí)際應(yīng)用能力 [5]。

針對(duì)醫(yī)學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的諸多問題,我院引入三維虛擬手術(shù)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng),根據(jù)病人的放射影像資料的二維片,比如CT、核磁共振等成像設(shè)備采集來的信息源,通過網(wǎng)絡(luò)中心服務(wù)器的智能處理,真實(shí)的還原成三維動(dòng)態(tài)的醫(yī)學(xué)影像資料,讓臨床醫(yī)學(xué)系的學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)做虛擬手術(shù)實(shí)驗(yàn),模擬各種復(fù)雜的切割手術(shù),嘗試解決臨床醫(yī)學(xué)診療過程中遇到的真實(shí)的各種問題[6]。系統(tǒng)的交互性和快速響應(yīng)足以保持學(xué)習(xí)者的興趣,替代真實(shí)的醫(yī)療實(shí)驗(yàn)環(huán)境,同時(shí)可以為真正的實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備,是真實(shí)實(shí)驗(yàn)的有力支持。

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