Dextroscope虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在乳腺疾病臨床教學(xué)中的應(yīng)用

劉寶胤,駱成玉,張 鍵,羅 雯,韓春姿

(首都醫(yī)科大學(xué)附屬?gòu)?fù)興醫(yī)院普外科,北京 100038)

Dextroscope虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在乳腺疾病臨床教學(xué)中的應(yīng)用

劉寶胤,駱成玉,張 鍵,羅 雯,韓春姿

(首都醫(yī)科大學(xué)附屬?gòu)?fù)興醫(yī)院普外科,北京 100038)

根據(jù)乳腺疾病的臨床特點(diǎn),用 Dextroscope工作站制作虛擬現(xiàn)實(shí)模型并應(yīng)用于乳腺疾病的臨床教學(xué)中,能明顯提高教學(xué)效率,同時(shí)可以緩解學(xué)生實(shí)習(xí)難的矛盾。

虛擬現(xiàn)實(shí);乳腺疾病;臨床教學(xué)

乳腺疾病的臨床教學(xué)是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的科目,但乳腺是一個(gè)敏感區(qū)域,以往的教學(xué)模式多以看為主,特別是乳腺手術(shù)術(shù)野較小,學(xué)生所處的位置角度及觀看人數(shù)都受到限制,不能達(dá)到從手術(shù)設(shè)計(jì)到手術(shù)過(guò)程都直接參與的目的,學(xué)習(xí)的自主性得不到充分發(fā)揮。隨著計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)的不斷完善以及虛似人研究的不斷發(fā)展,三維重建技術(shù)在教學(xué)與科研中得到廣泛應(yīng)用[1-4]。Dextroscope工作站是一種新的創(chuàng)建和拾取三維模型的工具,它應(yīng)用的是一種將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) (virtual reality,VR)與實(shí)時(shí)體積測(cè)量和三維透視相結(jié)合的醫(yī)學(xué)成像軟件,Dextroscope會(huì)對(duì)來(lái)自于計(jì)算機(jī)射線斷層攝影 (CT)、核磁共振成像(MR I)和B超的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,然后可以創(chuàng)造出一種具有較高真實(shí)感的虛擬環(huán)境[5-6]。我們利用Dextroscope系統(tǒng)制作出了典型的乳腺疾病模型,學(xué)生可以在臨床實(shí)習(xí)時(shí)應(yīng)用乳腺疾病模型進(jìn)行一系列的實(shí)踐操作,以彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)的不足。

1 乳腺疾病模型的制作

Dextroscope系統(tǒng)是由新加坡Volume Interactions公司開(kāi)發(fā)的醫(yī)學(xué)成像軟件,在制作疾病模型之前先采集各類(lèi)病人影像資料?？蓪?D ICOM3、TIFF或7.5 I

mage等多種格式的 CT、MRI、DSA數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為 Radio Dexter的原始格式,處理加工后導(dǎo)入 Dextroscope VR環(huán)境,形成三維立體圖形。透過(guò)立體眼鏡并將雙手伸到反射鏡后面在虛擬操作平臺(tái)上工作,可使操作者體會(huì)真實(shí)環(huán)境、測(cè)量病變范圍并模擬手術(shù)操作。

我們利用Dextroscope系統(tǒng)制作出了乳腺增生癥、漿細(xì)胞性乳腺炎、乳腺纖維腺瘤、乳腺癌等乳腺疾病的虛擬模型,下面簡(jiǎn)要介紹乳腺腫瘤模型的制作。

乳腺M(fèi)RI資料采用美國(guó) GE公司生產(chǎn)的 1.5T MRI系統(tǒng)采集,用乳腺專(zhuān)用線圈進(jìn)行雙乳掃描,病人取俯臥位。雙乳軸面,層厚 5 mm,層距 1 mm,脂肪抑制T2W I(TR4300 ms,TE90.6 ms),T1W I(TR500 ms,TE 10.8 ms);動(dòng)態(tài)增強(qiáng)前、后行 3D LAVA(TR3.9 ms,TE 1.8ms,帶寬 62.5 KHz)掃描。將 D ICOM3格式乳腺M(fèi)RI資料數(shù)據(jù)導(dǎo)入 Dextroscope工作站被轉(zhuǎn)換為 Radio Dexter原始格式 (8-bit)。加載數(shù)據(jù)到 Radiodexter后通過(guò)預(yù)處理排除圖像干擾,優(yōu)化圖像后,導(dǎo)入 Dextroscope VR環(huán)境進(jìn)行可視化操作。圖 1所示為經(jīng)乳腺M(fèi)R I導(dǎo)入工作站制作出來(lái)的乳腺立體模型,調(diào)整透明度后可見(jiàn)左乳腫瘤。

圖1 左乳腺帶瘤立體模型

2 虛擬模型在乳腺疾病臨床教學(xué)中的應(yīng)用

乳腺外科教學(xué)工作中以女性為主,臨床診療和操作部分常涉及病人的敏感部位和隱私,很多病人不愿過(guò)多的人參與診療。目前,病人及家屬的自我保護(hù)意識(shí)增強(qiáng),特別是在手術(shù)操作方面醫(yī)學(xué)生更沒(méi)有直接參與的特權(quán),使得臨床教學(xué)受到影響。

為配合乳腺臨床教學(xué),根據(jù)教學(xué)大綱要求掌握的典型病種,我們通過(guò)真實(shí)資料在 Dextroscope系統(tǒng)上制作出虛擬三維乳腺模型,利用 Dextroscope系統(tǒng)每位學(xué)生都可充當(dāng)主治醫(yī)師的角色,學(xué)生在模型上熟練基本的診療性操作,有一定基礎(chǔ)后再進(jìn)行臨床真實(shí)的檢查和操作,能使他們?cè)趯?shí)習(xí)中更有信心。

學(xué)生通過(guò)虛擬三維模型的旋轉(zhuǎn)、調(diào)整透明度、強(qiáng)化病變部分及著色,可觀察到乳腺整體輪廓外形、乳腺內(nèi)部血流分布情況、病變部分與整體乳腺的關(guān)系,通過(guò)虛擬提示筆在矢狀面、冠狀面、水平面上的縱深移動(dòng)可詳細(xì)體會(huì)乳腺內(nèi)部情況。

圖2 設(shè)計(jì)病變切除范圍示意圖

學(xué)生可去除多余影像信息,保留病變側(cè)乳腺圖像,通過(guò)對(duì)病變部位的觀察設(shè)計(jì)手術(shù)方案,按照病變部位尋找最佳手術(shù)入路及手術(shù)范圍。圖2所示根據(jù)瘤體部位設(shè)計(jì)乳腺區(qū)段切除范圍。圖 3所示利用虛擬提示筆進(jìn)行手術(shù)入路的演示,并對(duì)病變進(jìn)行精確測(cè)量。前期同學(xué)可通過(guò)虛擬工具進(jìn)入立體圖像中自主進(jìn)行手術(shù)操作,之后帶教教師根據(jù)操作后結(jié)果修復(fù)錯(cuò)誤,演示正確步驟,復(fù)原模型后其他學(xué)生可繼續(xù)進(jìn)行自主操作。

圖3 設(shè)計(jì)手術(shù)入路及測(cè)量瘤體大小示意圖

目前,用該系統(tǒng)對(duì)學(xué)生進(jìn)行虛擬訓(xùn)練,能夠促進(jìn)醫(yī)學(xué)生臨床技能的提高,是對(duì)乳腺外科臨床教學(xué)的有利補(bǔ)充。但該系統(tǒng)不能完全代替真實(shí)環(huán)境,學(xué)生還需要更多地結(jié)合實(shí)際進(jìn)行臨床教學(xué)。

3 教學(xué)效果

3.1 豐富教學(xué)資料,提高教學(xué)效率

我們?cè)谄綍r(shí)臨床工作中應(yīng)注意積累典型病例資料,制成虛擬現(xiàn)實(shí)模型,既減少了對(duì)乳腺病人的干擾,又解決了見(jiàn)習(xí)難的矛盾。Dextroscope虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng),可以讓學(xué)生通過(guò)圖像配準(zhǔn)融合,獲得一個(gè)細(xì)節(jié)豐富的三維立體圖形。可以單獨(dú)提取病變部位,對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)化結(jié)構(gòu)和著色,再放回原位,與周?chē)Y(jié)構(gòu)形成鮮明對(duì)比,更直接地了解乳腺疾病,優(yōu)化課堂教學(xué)結(jié)構(gòu),提高課堂教學(xué)效率。

3.2 激發(fā)學(xué)習(xí)興趣,參與臨床實(shí)踐

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),改變以往舊的教學(xué)模式,充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)、學(xué)生的主體作用。Dextroscope系統(tǒng)制作出來(lái)的現(xiàn)實(shí)重現(xiàn),學(xué)生通過(guò) Dextroscope系統(tǒng)運(yùn)用VR技術(shù)親自充當(dāng)術(shù)者進(jìn)行真實(shí)模擬操作,測(cè)量病變周?chē)臻g距離、模擬活檢針穿刺及正確尋找手術(shù)入路,并可進(jìn)入模型內(nèi)部進(jìn)行縱深操作,突破三維,達(dá)到“四維”階段,這是以往學(xué)生不能體會(huì)到的。所有操作動(dòng)作均可被記錄和反復(fù)回放,使學(xué)生從單調(diào)的課本文字中解脫出來(lái),學(xué)習(xí)興趣得到很大提高。同時(shí),病例的虛擬現(xiàn)實(shí)模型可供學(xué)生反復(fù)操作和修改。

3.3 提高學(xué)習(xí)效率,增強(qiáng)綜合能力

教師借助 Dextroscope系統(tǒng),與學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)交流,能節(jié)省大量的“紙上談兵”時(shí)間,以便教師能抽出更多時(shí)間對(duì)典型病例進(jìn)行分析,講授更多學(xué)生感興趣的問(wèn)題,提高學(xué)生單位時(shí)間內(nèi)獲取的信息量,增加學(xué)生接觸實(shí)際問(wèn)題的機(jī)會(huì),提高解決實(shí)際問(wèn)題的綜合能力。

3.4 強(qiáng)化學(xué)習(xí)記憶,理論結(jié)合實(shí)際

學(xué)生可以從不同的角度和層次去觀察乳腺的三維形態(tài)結(jié)構(gòu),將一些難以想象的空間結(jié)構(gòu)、難以理解的毗鄰關(guān)系可視化,對(duì)手術(shù)操作過(guò)程實(shí)現(xiàn)了方便、生動(dòng)、形象地模擬。通過(guò)在我校 2006級(jí)五年制臨床專(zhuān)業(yè)外科學(xué)乳腺疾病教學(xué)中使用,學(xué)生普遍反映 Dextroscope系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)模型方位感、層次感強(qiáng),大大降低了學(xué)習(xí)的難度,提高了學(xué)習(xí)效率。

3.5 提高主觀能動(dòng)性,培養(yǎng)創(chuàng)新素質(zhì)

通過(guò)學(xué)生自己動(dòng)手操作,在虛擬現(xiàn)實(shí)中不斷探索,主動(dòng)發(fā)現(xiàn)乳腺疾病特點(diǎn),制定手術(shù)方案,討論并加以實(shí)施,不斷吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),在教師的引導(dǎo)下提升自己的臨床實(shí)踐技能。

3.6 提高教師專(zhuān)業(yè)素質(zhì)

通過(guò)對(duì) Dextroscope系統(tǒng)的應(yīng)用和對(duì)現(xiàn)實(shí)的虛擬重建,使教師得到一次對(duì)先進(jìn)計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)和專(zhuān)業(yè)知識(shí)進(jìn)行深入鉆研的機(jī)會(huì)。利用開(kāi)發(fā)平臺(tái),結(jié)合教學(xué)目標(biāo),對(duì)教學(xué)內(nèi)容精心設(shè)計(jì)并認(rèn)真組織實(shí)施,既可提高普外科教師專(zhuān)業(yè)素質(zhì),又有利于疾病模型制作和應(yīng)用的進(jìn)一步完善,形成良性循環(huán),推動(dòng)教學(xué)改革的深入發(fā)展。

4 Dextroscope系統(tǒng)應(yīng)用于教學(xué)的局限

①Dextroscope系統(tǒng)受屏幕大小、示蹤設(shè)備及 VR眼鏡數(shù)量的影響,使參與實(shí)施操作和觀摩的學(xué)生數(shù)量會(huì)有所限制;②Dextroscope系統(tǒng)操作需要經(jīng)短期培訓(xùn),新的教師在操作上會(huì)遇到一些技術(shù)上問(wèn)題;③因Dextroscope系統(tǒng)剛應(yīng)用于臨床教學(xué),所制作的病例模型不全面,數(shù)量及典型性上有所欠缺;④乳腺M(fèi)R I圖像的清晰度、斷層間距、制作者的計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)用水平?jīng)Q定了病例模型的完善程度;⑤長(zhǎng)時(shí)間注視屏幕會(huì)讓學(xué)生感到視覺(jué)疲勞。

總之,Dextroscope系統(tǒng)在乳腺疾病教學(xué)中的應(yīng)用,有助于處理好臨床教學(xué)需要與病人隱私權(quán)保護(hù)之間的矛盾。熟練應(yīng)用虛擬乳腺疾病模型進(jìn)行操作提高了學(xué)生的自信心,學(xué)生反饋較好。但病例的選定和模型的設(shè)計(jì)仍需要該專(zhuān)業(yè)教師反復(fù)推敲,這需要我們?cè)诮窈蠼虒W(xué)中進(jìn)行不斷的完善和改進(jìn)。

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Application of Dextroscope virtual reality system in clin ical teaching of breast diseases

L iu Baoyin,Luo Chengyu,Zhang Jian,LuoW en,Han Chunzi
(Depar tm ent of General Surgery,Fuxing Hospital of CapitalM edical University,Beijing100038,China)

According to the clinical characteristics of breast diseases,we apply Dextroscope virtual reality system in clinical teaching of breast diseases. It can obviously improve the efficiency of education and relieve students’difficulty in finding practice opportunities.

virtual reality;breast disease;clinical teaching

G642.0

A

1004-5287(2011)01-0044-03

2010-09-25

劉寶胤 (1978-),男,北京人,碩士,主治醫(yī)師,主要研究方向:乳腺疾病、胃腸、微創(chuàng)手術(shù)。