基于云計(jì)算的在線醫(yī)學(xué)可視化在心臟教學(xué)中的應(yīng)用研究

潘海燕，周 慶，高 瞻，賈中正，于小紅*

(1.南通大學(xué)附屬醫(yī)院；2.南通大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226000)

心臟是人體的動(dòng)力泵，也是體循環(huán)與肺循環(huán)的樞紐站。其解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，左心系統(tǒng)連接著肺靜脈和主動(dòng)脈，右心系統(tǒng)連接著腔靜脈和肺動(dòng)脈。心臟還有著自身的血液循環(huán)系統(tǒng)，包括冠狀動(dòng)脈和冠狀靜脈，這些血管的分支和走形分布非常復(fù)雜。心臟因其獨(dú)特的血流動(dòng)力結(jié)構(gòu)以及傳導(dǎo)系統(tǒng)復(fù)雜的電生理機(jī)制，對(duì)其各個(gè)方位和任意切面上精細(xì)解剖結(jié)構(gòu)的識(shí)別一直是心臟解剖教學(xué)、心臟疾病診斷和治療中的難點(diǎn)和熱點(diǎn)[1]。在臨床心臟教學(xué)過(guò)程中，準(zhǔn)確掌握心臟的解剖結(jié)構(gòu)對(duì)了解心臟的病理生理機(jī)制及功能至關(guān)重要。由于心臟結(jié)構(gòu)的特殊性和復(fù)雜性，很多學(xué)生對(duì)心血管系統(tǒng)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)有著很強(qiáng)的畏懼感[2]。如何提高學(xué)生對(duì)心血管系統(tǒng)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣，精準(zhǔn)掌握心臟解剖結(jié)構(gòu)及其病理生理機(jī)制，是心臟教學(xué)和醫(yī)學(xué)生臨床技能培訓(xùn)過(guò)程中面臨并亟待解決的一個(gè)重要課題。

目前的教學(xué)模式，無(wú)論是用傳統(tǒng)的掛圖還是播放視頻等方法[3]，學(xué)生都無(wú)法主動(dòng)參與,教學(xué)過(guò)程中無(wú)法根據(jù)學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解程度和課堂反饋來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整要展示的內(nèi)容，缺乏可以師生互動(dòng)的醫(yī)學(xué)影像三維可視化教學(xué)方法。通過(guò)計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)技術(shù)獲取臟器影像是進(jìn)行臨床診斷及治療的常用手段。CT等設(shè)備只能產(chǎn)生一系列平行的二維斷層圖片，體渲染技術(shù)可以通過(guò)CT等設(shè)備產(chǎn)生的離散三維標(biāo)量數(shù)據(jù)，形成能夠直觀傳遞三維數(shù)據(jù)形狀、深度和大小信息的圖片，觀察者可以根據(jù)自己的目的，有選擇的觀察感興趣的部位，真實(shí)感更強(qiáng)?；谠朴?jì)算的心臟結(jié)構(gòu)可視化，使得復(fù)雜的心臟影像三維可視化在云端服務(wù)器執(zhí)行，教師通過(guò)平板電腦或手機(jī)進(jìn)行交互操作，即可顯示可視化效果。本研究將比較基于云計(jì)算的心臟結(jié)構(gòu)可視化教學(xué)和傳統(tǒng)的教學(xué)方法在心臟理論課教學(xué)過(guò)程中的效果，以期為心臟教學(xué)探索更有效的教學(xué)方法。

一、對(duì)象和方法

(一)教學(xué)對(duì)象。

從南通大學(xué)醫(yī)學(xué)院2015級(jí)、2016級(jí)臨床醫(yī)學(xué)本科專業(yè)招募志愿學(xué)員100人，按隨機(jī)表隨機(jī)分為對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組，每組50人。

(二)研究方法。

由南通大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院老師在學(xué)校校園網(wǎng)內(nèi)部部署一套醫(yī)學(xué)影像三維可視化服務(wù)器，并調(diào)試、測(cè)試教室內(nèi)講臺(tái)上的教學(xué)用計(jì)算機(jī)，授課教師上課用此計(jì)算機(jī)的Web瀏覽器連接登錄三維可視化服務(wù)器，在Web頁(yè)面上進(jìn)行交互。同時(shí)從南通大學(xué)附屬醫(yī)院影像科收集正常與典型病例的心臟CT影像數(shù)據(jù)集，用于課堂教學(xué)。

對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組由同一老師對(duì)同一章節(jié)內(nèi)容進(jìn)行授課。對(duì)照組采取傳統(tǒng)幻燈授課方式，根據(jù)教材內(nèi)容對(duì)心臟的結(jié)構(gòu)、功能、相關(guān)疾病的病因、表現(xiàn)和診治依次給予講解。實(shí)驗(yàn)組通過(guò)采用三維可視化服務(wù)器，結(jié)合教材內(nèi)容，將從影像科收集過(guò)來(lái)的正常及相關(guān)疾病的心臟影像學(xué)資料，在Web頁(yè)面上進(jìn)行三維顯示，并根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)難點(diǎn)或感興趣的結(jié)構(gòu)部位進(jìn)行全方位任意角度的影像呈現(xiàn)，鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)心臟影像資料的結(jié)構(gòu)改變自主思考心臟病理生理改變。

(三)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

教學(xué)結(jié)束后，以問(wèn)卷調(diào)查形式了解兩組學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容的興趣程度、對(duì)知識(shí)的理解能力、課堂師生互動(dòng)性以及對(duì)教學(xué)效果的滿意程度等進(jìn)行測(cè)評(píng)，并通過(guò)組織理論考試，對(duì)兩組學(xué)生知識(shí)掌握能力進(jìn)行比較，對(duì)理論測(cè)試的評(píng)分進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

(四)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。

采用SigmaStat 3.5統(tǒng)計(jì)軟件，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。計(jì)數(shù)資料采用卡方檢驗(yàn)和Fishier精確檢驗(yàn)，計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，采用t檢驗(yàn)。以P<0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

二、研究結(jié)果

(一)學(xué)生對(duì)兩種教學(xué)方式滿意度比較。

對(duì)教學(xué)方式滿意度問(wèn)卷調(diào)查表明，對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組整體滿意率分別88%和96%，兩組整體滿意率比較雖無(wú)顯著差異(P=0.269)，但心臟結(jié)構(gòu)可視化教學(xué)可以使很滿意的學(xué)生比例顯著提高(P=0.035)(見(jiàn)表1)。

表1 學(xué)生對(duì)兩種教學(xué)方式滿意度評(píng)價(jià)表(n)

(二)兩種教學(xué)方式下學(xué)生上課興趣度和理解力比較。

以問(wèn)卷調(diào)查方式對(duì)兩種教學(xué)方式的教學(xué)效果進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果顯示，心臟結(jié)構(gòu)可視化教學(xué)能夠顯著提高學(xué)生對(duì)授課內(nèi)容的興趣，提升對(duì)心臟解剖結(jié)構(gòu)、生理功能和心臟疾病的認(rèn)識(shí)能力(均P<0.05)，師生互動(dòng)的積極性顯著提高(P<0.01)(見(jiàn)表2)。

表2 學(xué)生上課興趣度和理解力評(píng)價(jià)表(n)

(三)兩種教學(xué)方式下學(xué)生理論測(cè)試成績(jī)比較。

對(duì)實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的學(xué)生進(jìn)行理論測(cè)試，測(cè)試分?jǐn)?shù)比較顯示，對(duì)照組測(cè)試分?jǐn)?shù)在70～79段的學(xué)生人數(shù)比實(shí)驗(yàn)組多(P<0.05)，而實(shí)驗(yàn)組測(cè)試分?jǐn)?shù)在80～89段的人數(shù)多于對(duì)照組(P<0.05)。實(shí)驗(yàn)組平均測(cè)試分?jǐn)?shù)顯著高于對(duì)照組(P<0.01)(見(jiàn)表3)。

表3 學(xué)生理論測(cè)試成績(jī)比較(n)

三、討 論

傳統(tǒng)心臟教學(xué)中的掛圖或視頻播放都只能展示心臟的二維影像，無(wú)法三維立體顯示心臟任意切面和角度解剖結(jié)構(gòu)。學(xué)生必須根據(jù)其已有的解剖學(xué)知識(shí)在腦海中構(gòu)建出心臟的三維解剖結(jié)構(gòu)。體渲染技術(shù)能夠?qū)T設(shè)備產(chǎn)生的離散三維標(biāo)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成呈現(xiàn)三維形狀、深度和角度的真實(shí)圖片，再加入全局光照效果，在視覺(jué)上給出了組織結(jié)構(gòu)之間的空間位置差異，使觀察者能夠更容易理解心臟的內(nèi)部結(jié)構(gòu)?；谠朴?jì)算的心臟結(jié)構(gòu)可視化改變了傳統(tǒng)心臟解剖學(xué)教學(xué)的模式，由實(shí)體的心臟解剖變?yōu)樘摂M的數(shù)字解剖，醫(yī)學(xué)生可通過(guò)計(jì)算機(jī)上三維可視化心臟模型從多方位、任意切面學(xué)習(xí)心臟內(nèi)部的解剖結(jié)構(gòu)，從而有助于他們對(duì)心臟內(nèi)部細(xì)微解剖結(jié)構(gòu)的識(shí)別和理解，為心臟教學(xué)提供了一種新方法。

本課題通過(guò)搜集臨床正常與各類心臟疾病的CT影像資料，構(gòu)建了心臟結(jié)構(gòu)可視化教學(xué)模型，在我校五年制本科志愿學(xué)員中開(kāi)展了心臟結(jié)構(gòu)可視化教學(xué)，比較了其與傳統(tǒng)授課方式的教學(xué)效果和學(xué)生滿意程度。課題開(kāi)展過(guò)程中，為排除由于不同老師授課經(jīng)驗(yàn)不同對(duì)教學(xué)效果產(chǎn)生的影響，同一章節(jié)的內(nèi)容，兩組學(xué)員均由同一老師進(jìn)行授課。教師授課時(shí)，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，通過(guò)移動(dòng)鼠標(biāo)，將心臟結(jié)構(gòu)進(jìn)行任意角度的三維顯示，學(xué)生也可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)難點(diǎn)或興趣部位拖動(dòng)鼠標(biāo)全方位觀看心臟的立體結(jié)構(gòu)和內(nèi)部排列，有效地調(diào)動(dòng)了師生互動(dòng)積極性，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。由于能夠結(jié)合臨床疾病展示心臟的三維結(jié)構(gòu)，學(xué)生對(duì)心臟的生理結(jié)構(gòu)及病理改變有了更真實(shí)深入的理解和體會(huì)，對(duì)心臟解剖結(jié)構(gòu)、心臟生理功能及疾病的理解和認(rèn)識(shí)能力得到的顯著提升，理論測(cè)試平均成績(jī)也顯著提高。

智能手機(jī)與平板電腦等移動(dòng)設(shè)備現(xiàn)在已是每個(gè)學(xué)生的日常標(biāo)配。本研究利用基于云計(jì)算的遠(yuǎn)程可視化技術(shù)，使得每位學(xué)生都可以動(dòng)手嘗試CT數(shù)據(jù)的可視化，從而自主學(xué)習(xí)與觀察心臟解剖結(jié)構(gòu)。有研究顯示，互聯(lián)網(wǎng)的使用可以提高醫(yī)學(xué)生自主學(xué)習(xí)水平[4]。本研究結(jié)果表明，基于云計(jì)算的心臟結(jié)構(gòu)可視化教學(xué)能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高師生互動(dòng)積極性，加深學(xué)生對(duì)心臟解剖及相關(guān)疾病的理解，增強(qiáng)對(duì)理論知識(shí)的掌握能力，在課堂教學(xué)中值得推廣應(yīng)用。