三維可視化及虛擬手術(shù)在肝臟外科臨床教學(xué)中的應(yīng)用價(jià)值

彭遠(yuǎn)飛， 陸超成， 施杰毅， 史穎弘， 王 征， 王曉穎， 周 儉， 樊 嘉*

1.復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院肝外科，上海 200032 2.復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院普通外科，上海 200032

三維可視化及虛擬手術(shù)在肝臟外科臨床教學(xué)中的應(yīng)用價(jià)值

彭遠(yuǎn)飛1， 陸超成2， 施杰毅1， 史穎弘1， 王 征1， 王曉穎1， 周 儉1， 樊 嘉1*

1.復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院肝外科，上海 200032 2.復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院普通外科，上海 200032

目的探討三維可視化及虛擬手術(shù)在肝臟外科臨床教學(xué)中的應(yīng)用價(jià)值。方法選取復(fù)旦大學(xué)醫(yī)學(xué)院2012級五年制臨床醫(yī)學(xué)本科醫(yī)學(xué)生60名為研究對象，隨機(jī)分為傳統(tǒng)教學(xué)組(n=30)和三維教學(xué)組(n=30)。傳統(tǒng)教學(xué)組采用肝臟解剖/手術(shù)圖譜、肝臟模具及手術(shù)視頻進(jìn)行肝臟臨床解剖及手術(shù)教學(xué)；三維教學(xué)組實(shí)習(xí)生采用肝臟三維可視化模型、虛擬手術(shù)系統(tǒng)及案例對應(yīng)手術(shù)視頻進(jìn)行教學(xué)。學(xué)習(xí)周期為6個(gè)學(xué)時(shí)。學(xué)習(xí)結(jié)束后，對兩組學(xué)生進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化考試考核比較，并調(diào)查學(xué)生對教學(xué)法的評價(jià)。結(jié)果三維教學(xué)組學(xué)生的考試成績?yōu)?95.5±3.1)分，優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)組的(81.0±4.1)分，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.001)；三維教學(xué)組的優(yōu)秀率(93.3%)顯著高于傳統(tǒng)教學(xué)組(40%)，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.001)。問卷調(diào)查結(jié)果顯示，三維教學(xué)組所有學(xué)生均認(rèn)為該教學(xué)法易于掌握，生動(dòng)有趣，能調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)積極性、促進(jìn)知識的掌握和應(yīng)用、提高學(xué)習(xí)效率，并有助于增強(qiáng)自學(xué)能力。結(jié)論基于三維可視化及虛擬手術(shù)的臨床實(shí)習(xí)帶教效果優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)，可有效提高教學(xué)質(zhì)量，值得推廣。

肝臟；解剖；三維可視；虛擬手術(shù)；臨床實(shí)習(xí)；教學(xué)

肝臟是人體最大的實(shí)質(zhì)器官，內(nèi)部管道多，解剖結(jié)構(gòu)密集交錯(cuò)且變異率高，周圍毗鄰器官多、解剖復(fù)雜，一直是臨床教學(xué)的難點(diǎn)[1-2]。與之對應(yīng)的肝臟外科手術(shù)則因肝臟解剖復(fù)雜及手術(shù)種類繁多而教學(xué)難度更大。傳統(tǒng)的肝臟外科教學(xué)方法采用解剖圖譜、肝臟模具講解及尸體標(biāo)本等學(xué)習(xí)，醫(yī)學(xué)生往往感到抽象、難以理解和掌握[1-4]。近年來，三維可視化技術(shù)、虛擬手術(shù)技術(shù)以及高清手術(shù)視頻系統(tǒng)等發(fā)展迅速，為肝臟外科教學(xué)提供了新的方法和手段，為解決肝臟外科教學(xué)中的諸多難題提供了可能。因此，本研究采用最新的三維可視、虛擬手術(shù)技術(shù)及病例對應(yīng)高清手術(shù)視頻等，形成新的肝臟外科教學(xué)系統(tǒng)，開展肝臟臨床解剖及手術(shù)教學(xué)，取得了良好的效果，現(xiàn)總結(jié)報(bào)告如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選取復(fù)旦大學(xué)醫(yī)學(xué)院2012級五年制臨床醫(yī)學(xué)本科實(shí)習(xí)生60名為研究對象，隨機(jī)分為傳統(tǒng)教學(xué)組(n=30)和三維教學(xué)組(n=30)。傳統(tǒng)教學(xué)組(年齡范圍)平均年齡(22.6±1.1)歲，三維教學(xué)組平均年齡(22.8±1.0)歲；兩組男女生比例均為1∶1。兩組學(xué)生在年齡、性別及平時(shí)學(xué)習(xí)成績等方面差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。排除標(biāo)準(zhǔn)：既往有肝臟三維可視化及虛擬手術(shù)應(yīng)用的醫(yī)學(xué)生。

1.2 教學(xué)方法 兩組分別采用不同方法進(jìn)行肝臟臨床解剖及肝臟手術(shù)教學(xué)。傳統(tǒng)教學(xué)組醫(yī)學(xué)生采用傳統(tǒng)的解剖/手術(shù)圖譜、肝臟模具及手術(shù)視頻授課教學(xué)，三維教學(xué)組醫(yī)學(xué)生采用肝臟三維可視化、虛擬手術(shù)及病例對應(yīng)高清手術(shù)視頻實(shí)施教學(xué)。

1.2.1 傳統(tǒng)教學(xué)組 醫(yī)學(xué)生接受基于《系統(tǒng)解剖學(xué)》《局部解剖學(xué)》《外科學(xué)》《Gray’s Anatomy(40版)》《Sabiston Surgery(19版)》及經(jīng)典肝臟外科學(xué)專著綜合形成的教學(xué)用解剖/手術(shù)圖譜進(jìn)行的理論授課。教學(xué)的主要形式為講座形式、PPT講解、肝臟模具傳閱觀摩，結(jié)合觀看肝臟手術(shù)錄像[1-6]。

1.2.2 三維教學(xué)組 醫(yī)學(xué)生接受基于肝臟三維模型、虛擬手術(shù)工作站操作以及病例對應(yīng)肝臟外科手術(shù)視頻進(jìn)行的多媒體教學(xué)。三維可視模型、虛擬手術(shù)及手術(shù)視頻所涉及的健康成人及肝腫瘤病例均取自本中心(復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院肝外科，上海市肝腫瘤臨床醫(yī)學(xué)中心，復(fù)旦大學(xué)肝癌研究所)。教學(xué)過程分兩步：首先由帶教老師使用由三維重建/虛擬手術(shù)軟件(3D+，旭東數(shù)字醫(yī)學(xué)，中國)構(gòu)建的肝臟三維模型，從各個(gè)角度清晰展示肝臟形態(tài)、內(nèi)部管道結(jié)構(gòu)及Couinaud分葉分段，進(jìn)行肝臟解剖的系統(tǒng)講解(圖1)，即肝內(nèi)管道結(jié)構(gòu)、肝臟的Couinaud分葉分段、解剖變異、毗鄰組織，肝腫瘤定位及與周圍管道關(guān)系等。在此基礎(chǔ)上使用虛擬手術(shù)工作站進(jìn)行虛擬肝切除，再結(jié)合與虛擬手術(shù)病例對應(yīng)的高清手術(shù)視頻，系統(tǒng)講解肝臟外科手術(shù)，通過旋轉(zhuǎn)、透明化等操作從不同角度觀察肝斷面走行及需要離斷的肝內(nèi)管道(圖2)。手術(shù)視頻展示病例對應(yīng)的肝臟臨床解剖及手術(shù)過程(圖3)，講解同時(shí)演示說明相關(guān)軟件的操作方法。然后將三維重建模型軟件U盤及手術(shù)視頻光盤(桌面級，可個(gè)人電腦打開)發(fā)給每個(gè)醫(yī)學(xué)生，由醫(yī)學(xué)生自行操作。從不同角度觀察肝臟外觀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、解剖變異等，并通過軟件的透明化、隱藏、選擇等功能分別觀察肝內(nèi)不同管道結(jié)構(gòu)、肝臟分葉分段、不同部位肝腫瘤的定位、腫瘤毗鄰血管等，再于虛擬手術(shù)工作站自行進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃并虛擬肝切除手術(shù)，包括肝左外葉切除、左右半肝、右后葉切除等，繼而觀看病例對應(yīng)的真實(shí)手術(shù)視頻，對照分析學(xué)習(xí)。

1.3 教學(xué)質(zhì)量評價(jià)指標(biāo) 教學(xué)完成后，通過統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化試題考試進(jìn)行教學(xué)效果測試，以問卷調(diào)查進(jìn)行難易程度、滿意度等教學(xué)評價(jià)。(1)標(biāo)準(zhǔn)化試題：采用百分制，考核內(nèi)容包括肝臟形態(tài)、周圍毗鄰臟器組織、管道結(jié)構(gòu)、肝臟的3個(gè)肝門、Couinaud肝臟分葉分段、常見解剖變異及分型、肝腫瘤定位描述、規(guī)則性肝葉切除等?？己朔绞桨ㄩ]卷考試及肝臟3D打印模具操作考試，兩部分各占50分，學(xué)生成績=閉卷考試成績+模型操作考試成績，60分為合格、90分以上優(yōu)秀。(2)問卷調(diào)查：采用問卷調(diào)查的形式了解學(xué)生對各自教學(xué)方法的評價(jià)。問卷調(diào)查表內(nèi)容包括教學(xué)方法是否生動(dòng)有趣，相關(guān)知識是否易于掌握，學(xué)習(xí)主動(dòng)性、積極性，是否提高學(xué)習(xí)效率，教學(xué)方法滿意程度等。

圖1 基于三維可視化技術(shù)構(gòu)建的肝臟教學(xué)模型

圖2 基于虛擬手術(shù)技術(shù)進(jìn)行的肝臟手術(shù)教學(xué)模型

圖3 基于高清手術(shù)視頻進(jìn)行肝臟解剖/手術(shù)教學(xué)截圖

2 結(jié) 果

2.1 標(biāo)準(zhǔn)化試題測評 兩組醫(yī)學(xué)生均100%完成相關(guān)教學(xué)。三維教學(xué)組學(xué)生的考試成績?yōu)?95.5±3.1)分，傳統(tǒng)教學(xué)組為(81.0±4.1)分。三維教學(xué)組顯著高于傳統(tǒng)教學(xué)組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.001)。三維教學(xué)組的優(yōu)秀率為93.3%，高于傳統(tǒng)教學(xué)組(40%)，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.001)。

2.2 問卷調(diào)查評價(jià) 問卷調(diào)查發(fā)放問卷60份，收回60份，回收率100%。結(jié)果(表1)表明：三維教學(xué)組所有學(xué)生(100%)均認(rèn)為該教學(xué)法易于掌握，生動(dòng)有趣，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)積極性，促進(jìn)知識的掌握和應(yīng)用，提高學(xué)習(xí)效率和增強(qiáng)自學(xué)能力。兩組學(xué)生在學(xué)習(xí)難易度評價(jià)、學(xué)習(xí)興趣性、學(xué)習(xí)主動(dòng)性、教學(xué)滿意度等方面比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。采用三維教學(xué)法可明顯降低學(xué)習(xí)難度、提高掌握率，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)積極性。

表 1 兩組醫(yī)學(xué)生對各自教學(xué)方法的教學(xué)效果評價(jià) N=30， n(%)

3 討 論

臨床解剖及手術(shù)教學(xué)是醫(yī)學(xué)生從理論走向?qū)嵺`的關(guān)鍵。而現(xiàn)代外科的高速發(fā)展，精準(zhǔn)外科手術(shù)的實(shí)施對外科教學(xué)也提出了更高的要求。肝臟是人體最為復(fù)雜的臟器之一，其臨床解剖及相關(guān)手術(shù)教學(xué)一直是教學(xué)的難點(diǎn)，醫(yī)學(xué)生普遍反映難以掌握。傳統(tǒng)的肝臟外科教學(xué)方法采用二維圖像解剖圖譜、肝臟模具講解以及尸體標(biāo)本等學(xué)習(xí)[1-6]。解剖圖譜對于醫(yī)學(xué)大部分授課內(nèi)容來說能基本滿足教學(xué)需要，但是對于肝臟這類需要空間想象才能理解的內(nèi)容，僅利用二維圖像，醫(yī)學(xué)生難以清晰地理解其三維結(jié)構(gòu)，學(xué)習(xí)掌握率低。例如，國內(nèi)外普遍采用的Couinaud肝葉肝段劃分法是以肝靜脈、門靜脈及其分支的立體走行來劃分的，是一個(gè)三維的概念，初學(xué)者難以根據(jù)二維解剖圖像通過三維空間想象劃分。教學(xué)模具則交互性差，絕大部分肝臟模具的功能在設(shè)計(jì)的時(shí)候就已經(jīng)固定，且高質(zhì)量的模具成本昂貴。尸體標(biāo)本學(xué)習(xí)則因人體標(biāo)本來源匱乏而不易實(shí)施。肝臟手術(shù)教學(xué)方面，傳統(tǒng)的尸體標(biāo)本教學(xué)及手術(shù)現(xiàn)場觀摩最為常用,但通常難以實(shí)現(xiàn)；臨床手術(shù)雖然最真實(shí)、直觀，但是醫(yī)學(xué)生對肝臟解剖尚不能很好掌握，肝臟手術(shù)又復(fù)雜多樣，往往無從理解。總的來講，傳統(tǒng)教學(xué)方法效率低、效果差，對于無相關(guān)基礎(chǔ)的醫(yī)學(xué)生來說，短期內(nèi)掌握難度很大。

自美國及中國可視人體計(jì)劃啟動(dòng)以來，三維可視化技術(shù)、虛擬手術(shù)技術(shù)以及高清手術(shù)視頻系統(tǒng)等技術(shù)飛速發(fā)展，為肝臟外科臨床教學(xué)提供了新的方法[7-10]。運(yùn)用影像數(shù)據(jù)采集資料建立的肝臟三維重建模型可清晰展示肝臟解剖，直觀掌握肝臟內(nèi)部復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)。肝內(nèi)的不同管道、組織可采用不同的顏色顯示，通過透明化處理及組分隱藏、篩選等操作，可單獨(dú)顯示各組織結(jié)構(gòu)，并可通過進(jìn)行任意角度的旋轉(zhuǎn)、放大、縮小等操作，從各個(gè)角度、多方位顯示肝內(nèi)管道的分支和走行情況，根本性地解決肝臟解剖教學(xué)的管道結(jié)構(gòu)顯示困難等關(guān)鍵問題。在三維可視基礎(chǔ)上建立的虛擬手術(shù)技術(shù)則為手術(shù)教學(xué)提供了前所未有的方法和手段。應(yīng)用虛擬手術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行虛擬肝切除手術(shù)，模擬肝腫瘤的切除過程，可以在透明化設(shè)置等輔助下，清晰暴露腫瘤與毗鄰管道、肝斷面走行及需離斷的相關(guān)管道等，并可反復(fù)進(jìn)行操作，直至醫(yī)學(xué)生確切掌握相關(guān)知識。近年來，高清手術(shù)視頻系統(tǒng)，特別是視頻錄制方便的腹腔鏡手術(shù)在肝臟外科中應(yīng)用日益普及，隨著精準(zhǔn)肝外科手術(shù)的實(shí)施，為手術(shù)教學(xué)提供了大量高質(zhì)量視頻素材。結(jié)合手術(shù)對應(yīng)的術(shù)前三維重建及虛擬手術(shù)操作，可使醫(yī)學(xué)生輕松理解并掌握肝臟手術(shù)的基本知識。

近年來，本中心應(yīng)用三維可視化技術(shù)及虛擬肝臟手術(shù)技術(shù)進(jìn)行術(shù)前準(zhǔn)備，并繼之在手術(shù)時(shí)進(jìn)行相應(yīng)高清手術(shù)錄制，形成了從術(shù)前三維重建、虛擬手術(shù)到手術(shù)視頻的對應(yīng)的完整數(shù)據(jù)資料，為肝臟外科的教學(xué)提供了全新的手段。本研究采用健康人以及臨床實(shí)際工作中的典型病例相關(guān)資料整合形成肝臟外科教學(xué)系統(tǒng)，制作形成桌面級的教學(xué)應(yīng)用素材，開展肝臟臨床解剖及手術(shù)教學(xué)。結(jié)果顯示，本教學(xué)方法較傳統(tǒng)施教方法具有明顯的優(yōu)勢，教學(xué)效果良好。通過肝臟三維解剖模型有助于快速理解、掌握肝臟解剖的基本知識。既往普遍反映難以理解、掌握的肝內(nèi)管道系統(tǒng)、Couinaud肝分葉分段及肝毗鄰結(jié)構(gòu)等內(nèi)容，醫(yī)學(xué)生通過1次授課即掌握。虛擬手術(shù)及對應(yīng)的手術(shù)視頻系統(tǒng)則為肝臟手術(shù)學(xué)習(xí)提供了前所未有的體驗(yàn)，通過虛擬手術(shù)反復(fù)切除及對應(yīng)的手術(shù)視頻的比對學(xué)習(xí)，使學(xué)生迅速掌握肝手術(shù)的基本知識，幫助學(xué)生迅速實(shí)現(xiàn)從基礎(chǔ)學(xué)習(xí)到臨床實(shí)踐的過渡，大大減小教學(xué)培訓(xùn)難度。教學(xué)考核顯示，三維教學(xué)組的成績顯著高于傳統(tǒng)教學(xué)組，優(yōu)秀率顯著高于傳統(tǒng)組(P<0.001)。本研究中肝解剖部分的教學(xué)結(jié)果與新近其他學(xué)者發(fā)表的研究結(jié)果[11]一致。Kong等[11]研究結(jié)果亦表明，三維肝臟解剖教學(xué)優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)。問卷調(diào)查顯示三維教學(xué)反響良好，學(xué)生均反映教學(xué)新穎、肝解剖/手術(shù)相關(guān)知識易于理解、學(xué)習(xí)興趣高、學(xué)習(xí)主動(dòng)積極、學(xué)習(xí)掌握率高，教學(xué)滿意度高。

與傳統(tǒng)的教學(xué)模式相比，本教學(xué)方法有明顯優(yōu)勢，如肝管道結(jié)構(gòu)三維立體顯示、虛擬手術(shù)切除等是傳統(tǒng)的手術(shù)圖譜等教學(xué)手段無法做到的。其使醫(yī)學(xué)生從簡單枯燥的二維平面學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹庇^、快速、輕松地學(xué)習(xí)肝解剖/手術(shù)知識，大大降低了學(xué)習(xí)難度，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣并提高了教學(xué)效率。本方法改變了肝臟外科教學(xué)的方式，為教學(xué)提供了極大的便利，能克服傳統(tǒng)圖譜教學(xué)的不足，亦能大大緩解目前臨床教學(xué)中的解剖尸體來源有限和醫(yī)學(xué)生臨床實(shí)踐不足等問題。本研究制作的教學(xué)系統(tǒng)為桌面級應(yīng)用，制作的教學(xué)內(nèi)容包括三維肝臟模型、手術(shù)視頻等集成于U盤及光盤內(nèi)，能夠在任何一臺個(gè)人電腦打開，操作簡便、人機(jī)交互性好，利于醫(yī)學(xué)生和臨床醫(yī)師自學(xué)掌握。本教學(xué)方法也利于網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，通過建立數(shù)字化肝臟解剖教學(xué)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)平臺，進(jìn)行遠(yuǎn)程解剖教學(xué)互動(dòng)，可以為更大范圍的解剖/手術(shù)教學(xué)應(yīng)用以及公眾健康咨詢提供支持。與采用肝臟三維動(dòng)畫教學(xué)以及中國人可視化來源的三維重建教學(xué)相比，本教學(xué)中教學(xué)素材采用基于臨床真實(shí)典型案例建立，具備從術(shù)前三維重建到手術(shù)的完整的內(nèi)容展示，教材源于臨床、基于臨床，所示內(nèi)容能夠立即應(yīng)用于臨床，能夠有效解決“學(xué)了肝解剖還是搞不懂患者的肝解剖”的常見問題。

綜上所述，三維教學(xué)法用于肝臟外科教學(xué)可以幫助醫(yī)學(xué)生迅速、高效地掌握肝臟臨床解剖及肝臟手術(shù)的基本知識，大大降低學(xué)習(xí)難度，顯著提高肝臟外科教學(xué)質(zhì)量。本教學(xué)方法對于肝臟外科的教學(xué)方便和有效，推薦將該方法用于肝臟外科的教學(xué)及有志于開展肝膽外科的同仁學(xué)習(xí)使用。

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Application value of three-dimensional visualization and virtual surgery system in liver surgery teaching

PENG Yuan-fei1, LU Chao-cheng2, SHI Jie-yi1, SHI Ying-hong1, WANG Zheng1, WANG Xiao-ying1, ZHOU Jian1, FAN Jia1*

1. Department of Liver Surgery, Zhongshan Hospital, Fudan University, Shanghai 200032, China 2. Department of General Surgery, Zhongshan Hospital, Fudan University, Shanghai 200032, China

Objective： To explore the application value of three-dimensional visualization and virtual surgery system in liver surgery teaching.MethodsA total of 60 undergraduate interns from Fudan University School of Medicine, Grade 2012, were randomly divided into traditional teaching group (n=30) and three-dimension teaching group (n=30). The atlas of liver anatomy and liver surgery, liver model and operation video were used for teaching in traditional teaching group; the three-dimension reconstruction of liver model, virtual liver surgery system and operation video corresponding to real case were used for teaching in three-dimension teaching group. Standardized examination was given 6 class hours later and the questionnaire was used to investigate the students’ evaluation for the teaching methods.ResultsThe exam score of three-dimension teaching group (95.5±3.1) was significant higher than that of traditional teaching group (81.0±4.1,P<0.001). The excellence rate in three-dimension teaching group (93.3%) was also significant higher than that in traditional teaching group (40%,P<0.001). According to the questionnaire, the new teaching method was valued by all the students in three-dimension teaching group to be easy, vivid and interesting, which could arouse the learning enthusiasm, promote the mastery, improve the learning efficiency and strengthen the self-study ability.ConclusionsNovel clinical teaching using three-dimensional visualization and virtual surgery system is superior to traditional teaching in liver surgery teaching and is recommended for wide application.

liver; anatomy; three-dimension visualization; virtual surgery; clinical practice; teaching

2017-10-20接受日期2017-11-29

國家自然科學(xué)基金(81572296)，復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院科技創(chuàng)新基金(2015). Supported by National Natural Science Foundation of China (81572296) and Zhongshan Science and Technology Innovation Fund (2015).

彭遠(yuǎn)飛，博士，主治醫(yī)師. E-mail: pengyuanfei@126.com

*通信作者(Corresponding author). Tel: 021-64041990, E-mail: fan.jia@zs-hospital.sh.cn

10.12025/j.issn.1008-6358.2017.20170897

R 197.323.6

A

[本文編輯] 曉 路