數(shù)字虛擬技術(shù)在肝膽外科臨床教學(xué)中的應(yīng)用研究

曾寧 范應(yīng)方 楊劍 項(xiàng)楠 祝文 白小屏 石磊 方馳華，

一位合格的肝膽外科醫(yī)生需要熟悉掌握肝臟解剖及肝內(nèi)各管道的空間關(guān)系，因此肝膽外科醫(yī)生的培養(yǎng)周期至少需要10年，甚至更長。如何縮短這一周期、用更好的方法培養(yǎng)出合格的肝膽外科醫(yī)生，是教學(xué)醫(yī)院中每位臨床指導(dǎo)教師都需要思考并解決的問題[1-2]。近年來，三維可視化3D技術(shù)在臨床醫(yī)療、教學(xué)上應(yīng)用得越來越廣泛，臨床教學(xué)也隨之不斷優(yōu)化進(jìn)步[3]。為了解決上述問題，本研究將三維可視化3D打印技術(shù)、VR技術(shù)等應(yīng)用在我院研究生的臨床教學(xué)中，隨著教學(xué)的進(jìn)展，教學(xué)效果得到了明顯的提升[4]。

1 資料與方法

1.1 三維重建及3D打印模型的構(gòu)建

收集患者256層螺旋CT（Philips Brilliance，荷蘭）平掃、動脈期、門靜脈期和肝靜脈期薄層CT數(shù)據(jù)，將CT數(shù)據(jù)導(dǎo)入到自主研發(fā)的腹部醫(yī)學(xué)圖像三維可視化軟件系統(tǒng)（medical image three dimensional visualization software，MI-3DVS），利用區(qū)域生長法的原理截取感興趣區(qū)域（ROI），并重建三維模型。具體參數(shù)及方法見文獻(xiàn)[5-7]。

將之前獲取的三維重建模型轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)模板庫（standard template library，STL）文件，并將其導(dǎo)入快速成型軟件ZEditTM3.21（3D systems，US）進(jìn)行處理，最后使用3D系統(tǒng)打印機(jī)Spectrum ZTM 510打印出等比3D模型[8]。

1.2 三維可視化3D打印模型教學(xué)方法

將進(jìn)入臨床實(shí)習(xí)的學(xué)生分組，每組3～5人。教學(xué)前，要求學(xué)生根據(jù)臨床教學(xué)病例所涉及的內(nèi)容進(jìn)行有針對性的預(yù)習(xí)，明確病例所涉及的病理基礎(chǔ)；教學(xué)時，學(xué)生結(jié)合病例的臨床表現(xiàn)，學(xué)習(xí)研究相關(guān)影像學(xué)資料，然后進(jìn)行病例討論[9]。學(xué)生首先針對病史、B超、CT以及MRI進(jìn)行學(xué)習(xí)。學(xué)生通過傳統(tǒng)的MRI和CT顯示的二維影像，針對肝臟腫瘤病例進(jìn)行分析討論。

采取開放式的教學(xué)方法，主要目標(biāo)是令學(xué)生學(xué)會CT及MRI影像的閱讀方法，在學(xué)生對以上病例進(jìn)行深入的討論之后，判斷疾病的性質(zhì)和部位，做出初步診斷。在學(xué)生學(xué)習(xí)完患者病史及CT、MRI影像學(xué)資料后，帶領(lǐng)學(xué)生查看患者三維重建及3D模型[10]。三維可視化3D打印模型可以360°觀察患者肝臟解剖、肝內(nèi)腫瘤位置及腫瘤與肝內(nèi)各管道的關(guān)系，且可以通過透明化、隱藏各管道，讓每個學(xué)生對肝門部、肝內(nèi)解剖進(jìn)行全方位的觀察，讓學(xué)生在腦海形成三維立體概念，加深學(xué)生對肝內(nèi)及肝門部解剖的立體空間關(guān)系的理解[11]。

三維可視化3D打印模型對于學(xué)生更好地學(xué)習(xí)肝膽、腹部外科解剖是非常有利的[12]。對于初學(xué)者而言，腹腔動脈系統(tǒng)、門靜脈系統(tǒng)變異種類多，個體化差異大[13]。教科書上的彩圖和二維影像資料上的信息常常難以理解，學(xué)習(xí)效率低。通過三維可視化模型的學(xué)習(xí)，學(xué)生們可直觀地觀察每一支血管的起源、走形，可定量測量血管的長度及角度，從定性觀察進(jìn)一步定量測量，不僅對提高學(xué)習(xí)效果，研究成果也是很有臨床意義。

1.3 三維可視化3D打印對治療方案的確定

三維可視化3D模型可以清楚直觀地顯示肝門部及肝內(nèi)解剖、肝內(nèi)管道有無變異；可清楚測量腫瘤的大小、腫瘤與肝內(nèi)各管道的關(guān)系。然后通過測量分析，選擇合適的手術(shù)入路，對其進(jìn)行術(shù)前模擬手術(shù)操作，制定出詳盡及個體化的手術(shù)方案。

1.4 三維重建3D打印技術(shù)、術(shù)前虛擬手術(shù)在肝膽外科臨床教學(xué)中的實(shí)施效果

肝門部及肝內(nèi)解剖復(fù)雜抽象，傳統(tǒng)的肝膽外科教學(xué)依靠超聲、CT及MRI影像學(xué)資料，學(xué)生理解相對困難，印象不深刻，在腦海不能形成三維立體概念。我中心結(jié)合應(yīng)用自主研發(fā)的擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的MI-3DVS系統(tǒng)軟件于肝膽胰外科已達(dá)10余年，取得了良好的療效[14]。

結(jié)合我科數(shù)字醫(yī)學(xué)三維可視化優(yōu)勢，打印等比例3D模型，再用3D打印的實(shí)體模型，結(jié)合患者具體的病例，進(jìn)行實(shí)物教學(xué)，更加直觀深入了解肝門部及肝內(nèi)解剖[15]。學(xué)生在進(jìn)行3D打印模型的學(xué)習(xí)后，首先會對患者的影像學(xué)資料有一個初步了解，學(xué)會通過準(zhǔn)確地閱片初步診斷患者的病情，并通過這些影像學(xué)的信息對疾病進(jìn)行分型，最后綜合患者的病史和體征系統(tǒng)地把握整個病例。通過這種方式的教學(xué)，學(xué)生的閱片能力及對相關(guān)疾病的臨床診斷能力都會獲得顯著提高。

由于學(xué)生過去是通過影像學(xué)二維圖像進(jìn)行學(xué)習(xí)，對于復(fù)雜的肝內(nèi)解剖缺乏三維立體的認(rèn)識，本研究通過三維可視化3D打印，打印等比例肝臟實(shí)體，能360度觀察，可清楚地顯示肝內(nèi)解剖特點(diǎn)，尤其是還可以個體化觀察有無血管變異，結(jié)合患者病史、體征，討論疾病的診斷、手術(shù)治療方式和過程及圍手術(shù)期處理。此外，臨床帶教老師還可以此對學(xué)生進(jìn)行手術(shù)方法的訓(xùn)練。借助三維可視化虛擬手術(shù)的技術(shù)，每一個學(xué)生都可以在帶教老師的指導(dǎo)下，通過機(jī)器進(jìn)行術(shù)前的虛擬手術(shù)，帶教老師實(shí)時講解手術(shù)的方法和過程，包括肝門部解剖特點(diǎn)、手術(shù)入路、操作技巧等[16]。通過3D可視化技術(shù)進(jìn)行手術(shù)的培訓(xùn)，學(xué)生對復(fù)雜的肝門部解剖及肝內(nèi)管道有三維立體空間概念，能盡快熟悉掌握以往難以掌握的復(fù)雜知識點(diǎn)，并加以靈活運(yùn)用，教學(xué)效果顯著。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在肝膽外科臨床教學(xué)中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（virtual reality，VR）是指利用計(jì)算機(jī)對現(xiàn)實(shí)場景進(jìn)行三維模擬仿真的虛擬環(huán)境，集成了計(jì)算機(jī)圖形、三維建模仿真技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能、顯示技術(shù)等，可提供使用者關(guān)于各種感官的模擬，進(jìn)行可視化操作與交互[17]。本研究在前期三維可視化3D打印技術(shù)的基礎(chǔ)上，引入虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于肝膽外科的臨床教學(xué)。學(xué)生們在閱讀三維重建虛擬模型和觸摸學(xué)習(xí)3D打印實(shí)體模型后，能有助于理解解剖結(jié)構(gòu)及手術(shù)方案，但對于實(shí)際手術(shù)暴露出來的解剖標(biāo)志還很難準(zhǔn)確把握，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可將術(shù)前三維圖像與實(shí)際手術(shù)暴露切面有效鏈接，使觀摩者可直觀地識別畫面中的解剖。在實(shí)際手術(shù)過程中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，可使教授們結(jié)合自己的理論知識和臨床經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)際手術(shù)創(chuàng)面和屏幕影像圖像的配合下，能將文字知識、圖像、視頻等信息整合到一起，形成一種生動、活潑、積極、有趣的教學(xué)方式，學(xué)習(xí)者可結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)畫面，最大限度地發(fā)揮主動性和積極性與教授們進(jìn)行溝通交流，可達(dá)到一種現(xiàn)學(xué)現(xiàn)會的效果。

3 討論

3.1 三維可視化3D打印對傳統(tǒng)教學(xué)方式的影響

在傳統(tǒng)的肝膽外科研究生臨床教學(xué)中，往往采用帶領(lǐng)學(xué)生查房、病史匯報的教學(xué)模式，再對特定病例進(jìn)行CT、MRI的閱片，并對其進(jìn)行討論、講解說明，常用PPT進(jìn)行輔助教學(xué)，使學(xué)生積累經(jīng)驗(yàn)。借助于患者的影像學(xué)資料，這種教學(xué)模式顯然比課堂教學(xué)更加立體多元，然而學(xué)生的反饋表示，這些資料依然顯得抽象和枯燥，學(xué)習(xí)中很難理解與應(yīng)用，肝臟是一個解剖結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜的器官，肝內(nèi)的各管道和肝門部解剖尤其難以熟悉掌握。在三維可視化3D打印技術(shù)的幫助下，影像學(xué)資料、三維可視化和3D打印實(shí)體模型可以有機(jī)結(jié)合、互為補(bǔ)充，三位一體地幫助學(xué)生的學(xué)習(xí)。通常首先學(xué)習(xí)傳統(tǒng)影像學(xué)資料及三維可視化圖像，再研究3D打印模型，采取漸進(jìn)式的方法，充分啟發(fā)學(xué)生的思維方式，使其能夠迅速學(xué)會閱片，正確地做出診斷，并用模擬手術(shù)的途徑直接地了解手術(shù)過程。學(xué)生的學(xué)習(xí)效率得到極大提升，同時學(xué)習(xí)熱情也會被充分調(diào)動起來[18]。

3.2 三維可視化3D打印對肝膽外科術(shù)前閱片及肝臟解剖的決定作用

肝臟實(shí)質(zhì)大而厚，病灶深淺不一，常常隱匿其中。因此，肝膽外科醫(yī)生在術(shù)前需要反復(fù)閱讀患者的CT及MRI等影像資料，才能做好術(shù)前準(zhǔn)備，保證手術(shù)的成功率。其中，三維CT、MRI等圖像，雖然在計(jì)算機(jī)處理后，以三維立體的形式呈現(xiàn)出來，但始終只是平面上的立體圖像。肝膽外科的研究生面對這些影像學(xué)資料，往往難以形成直觀的認(rèn)識，對其學(xué)習(xí)閱片和手術(shù)造成了困難。而本研究所述的三維可視化3D打印技術(shù)則可以打印出病變的肝臟是實(shí)體，充分立體地顯示病灶，學(xué)生可以任意旋轉(zhuǎn)模型，以任意角度觀察感興趣區(qū)域，反復(fù)研究3D模型與影像資料的關(guān)系，研究肝臟手術(shù)過程，并結(jié)合患者體征，高效地學(xué)習(xí)肝臟腫瘤的閱片、臨床診斷和手術(shù)過程。

3.3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在肝膽外科臨床教學(xué)中的應(yīng)用

肝膽外科研究生可以借助虛擬實(shí)驗(yàn)室，反復(fù)進(jìn)行虛擬的尸體解剖和各種手術(shù)練習(xí)，直至熟練掌握。由于虛擬的手術(shù)練習(xí)不受標(biāo)本資源、配套處理和場地的限制，所以練習(xí)和培訓(xùn)的成本大大降低。目前，很多VR系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)培訓(xùn)、臨床實(shí)習(xí)和科學(xué)研究，仿真程度極高，幾乎可以達(dá)到與真實(shí)標(biāo)本同樣的效果，同時節(jié)省資源，便利而高效，具有不可估量的優(yōu)越性和使用價值。VR預(yù)手術(shù)可以幫助臨床醫(yī)生和醫(yī)學(xué)生更加直觀和感性地觀察目標(biāo)，可任意完成各種交互，并且可通過可視化技術(shù)獲得疾病定性和定量分析的數(shù)據(jù)和工具，診斷、治療和教學(xué)的準(zhǔn)確性與科學(xué)性都會因此獲得極大的提高。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展迅速、應(yīng)用廣泛。孫國城等[19]將基于多模態(tài)功能神經(jīng)導(dǎo)航的虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于神經(jīng)外科的臨床教學(xué)，將抽象的，原本“不可見”的神經(jīng)解剖及功能結(jié)構(gòu)三維可視化，提高了神經(jīng)外科的教學(xué)效率，縮短了青年神經(jīng)外科醫(yī)師的成長時間。吳琛等[20]將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于肝臟外科超聲介入教學(xué)中，達(dá)到了更好的培訓(xùn)效果，提高了培訓(xùn)效率。本研究中在三維可視化及3D打印基礎(chǔ)上，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于肝膽外科的臨床教學(xué)中，也有助于學(xué)生理解復(fù)雜的肝臟解剖結(jié)構(gòu)，有效地提高了教學(xué)效果[20]。

4 小結(jié)

三維可視化3D打印、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在肝膽外科研究生臨床教學(xué)中得到初步的應(yīng)用，取得了良好的教學(xué)效果，使教學(xué)資源得到更高效地利用，體現(xiàn)出極大的利用和推廣價值。