肝臟外科的三維可視化實踐教學(xué)在住院醫(yī)師規(guī)范化培訓(xùn)中的應(yīng)用效果

紀(jì)柏，孫銘會，王樹鵬，孟令宇，劉亞輝，劉凱，*

（1.吉林大學(xué)第一醫(yī)院肝膽胰外二科，吉林 長春 130021；2.吉林大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130000）

肝臟是人體最大的消化器官，其內(nèi)管道系統(tǒng)復(fù)雜，諸如肝動脈、門靜脈和膽管，匯合成肝臟格利森（Glisson）系統(tǒng)，進而將肝臟分成8 段[1]。由于腫瘤位于不同的段和葉導(dǎo)致肝臟外科手術(shù)術(shù)式繁多而復(fù)雜，例如左半肝切除術(shù)、右半肝切除術(shù)、尾葉切除術(shù)、肝段切除術(shù)及極量肝臟部分切除術(shù)等。尤其近年興起的精準(zhǔn)外科理念，要求只切除病變所在的肝段或葉，最大程度保留正常肝臟組織，這要求外科醫(yī)師熟悉、掌握肝臟解剖知識，要求具備良好的空間想象力，能夠精準(zhǔn)的定位病灶，才能在切除病變同時最大程度保留正常肝臟組織[2]。而傳統(tǒng)的手術(shù)圖譜、尸體解剖及真實手術(shù)教學(xué)并不能使醫(yī)學(xué)生很好的掌握肝臟解剖知識。近幾年，三維可視化技術(shù)可以在術(shù)前將病灶進行三維顯示，使肝臟外科教學(xué)更加直觀，便于學(xué)生理解和掌握[3]。因此，本研究采用三維可視化及虛擬手術(shù)等方法對住院醫(yī)師進行實踐教學(xué)，與傳統(tǒng)教學(xué)手段相比，取得了更佳的教學(xué)效果。現(xiàn)總結(jié)報道如下。

1 對象與方法

1.1 研究對象 選取吉林大學(xué)第一醫(yī)院2019年2月至2019年6月60 名肝膽外科本科住院醫(yī)師為研究對象，隨機分為實驗組（三維教學(xué)組，30 人）和對照組（傳統(tǒng)教學(xué)組，30 人）。實驗組平均年齡為（25.3±2.1）歲，對照組平均年齡為（25.5±1.8）歲；兩組男女比例均為1:1，兩組住院醫(yī)師在年齡、性別及平時學(xué)習(xí)成績等方面差異無統(tǒng)計學(xué)意義。排除標(biāo)準(zhǔn)：既往接受過三維可視化及虛擬手術(shù)訓(xùn)練的住院醫(yī)師。

1.2 研究方法 兩組分別采用不同的授課方法進行肝臟解剖和手術(shù)教學(xué)。對照組采用衛(wèi)生部外科學(xué)教材、肝臟外科手術(shù)圖譜、肝臟教學(xué)模具及手術(shù)視頻等進行教學(xué)；實驗組采用肝臟三維可視化影像、虛擬手術(shù)系統(tǒng)及多個患者的高清手術(shù)視頻等進行教學(xué)。

1.2.1 實驗組 對所有住院醫(yī)師進行基于肝臟三維可視化圖像、虛擬手術(shù)工作站以及真實手術(shù)演示進行教學(xué)。上述教學(xué)素材均取自本科室（吉林大學(xué)第一醫(yī)院肝膽胰外二科）。教學(xué)過程如下：首先，結(jié)合超聲、CT 或MRI 等影像學(xué)圖片，對所有實驗對象進行肝膽胰外科基本解剖知識和常見疾病的臨床表現(xiàn)、診斷和治療的理論知識進行講解。然后分配住院醫(yī)師進入科室，各醫(yī)療組進行臨床實踐工作，更加直觀地認(rèn)識患者，進而掌握疾病診斷和治療知識。其次，帶教老師使用由三維重建/虛擬手術(shù)軟件（課題合作方吉林大學(xué)計算機學(xué)院提供），利用肝臟腫瘤患者術(shù)前CT 平掃及三期增強二維圖片構(gòu)建的肝臟三維模型，從各個角度為住院醫(yī)師清晰展示肝臟形態(tài)、內(nèi)部管道結(jié)構(gòu)及Couinaud 分葉分段法，進行肝臟解剖的詳細(xì)講解（圖1）。通過虛擬手術(shù)系統(tǒng)進行手術(shù)操作模擬手術(shù)教學(xué)，使住院醫(yī)師進一步學(xué)習(xí)和掌握肝膽胰解剖，掌握對疾病的定位和手術(shù)方案的制訂，進行虛擬肝臟部分切除術(shù)，再結(jié)合對應(yīng)的高清手術(shù)視頻，系統(tǒng)講解肝臟手術(shù)，通過旋轉(zhuǎn)、透明化等操作從不同角度觀察肝臟斷面管道走形及相應(yīng)需要離斷的肝臟管道（圖2）。最后將三維重建模型及手術(shù)視頻資料分發(fā)給每位住院醫(yī)師，住院醫(yī)師自行操作，復(fù)習(xí)上述所學(xué)知識，從不同角度觀察肝臟外觀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、解剖變異等，并通過透明化、隱藏、選擇等功能分別觀察肝臟內(nèi)部不同的管道系統(tǒng)、肝臟的分葉分段、不同部位腫瘤的定位方法、腫瘤毗鄰血管等，再使用虛擬手術(shù)操作工作站進行手術(shù)方案制訂并進行虛擬肝臟切除手術(shù)，例如肝段切除術(shù)、肝葉切除術(shù)、半肝切除術(shù)及尾狀葉切除術(shù)等，之后對照真實手術(shù)視頻進行對比觀看、反復(fù)學(xué)習(xí)。此技術(shù)也可在術(shù)前進行輔助訓(xùn)練，以提高住院醫(yī)師手術(shù)熟練度和成功率。

圖1 運用術(shù)前CT 影像學(xué)檢查構(gòu)建的肝臟三維模型從多角度認(rèn)識肝臟腫物位置周圍血管關(guān)系（箭頭所示為肝臟腫物，tumor）Figure1 A three-dimensional model of the liver constructed by preoperative CT imaging to understand the relationship between the peripheral blood vessels of the liver tumor location from multiple perspectives (arrow shows liver tumor,tumor)

圖2 運用手術(shù)錄像理解肝臟解剖及肝臟血管管道Figure2 Understanding liver anatomy and liver vessels with surgical videos

1.2.2 對照組 住院醫(yī)師接受基于《外科學(xué)》《系統(tǒng)解剖學(xué)》《局部解剖學(xué)》等教材的傳統(tǒng)教學(xué)，教學(xué)形式包括PPT 理論教學(xué)、肝臟模具觀摩、臨床實踐閱片教學(xué)及觀看肝臟手術(shù)錄像等。

1.3 教學(xué)效果考核方法及內(nèi)容 完成教學(xué)內(nèi)容后，通過標(biāo)準(zhǔn)化試卷進行測試，并以問卷形式進行教學(xué)難易程度及滿意度等調(diào)查。標(biāo)準(zhǔn)化試卷采用百分制形式，考核內(nèi)容包括肝臟的局部解剖學(xué)內(nèi)容，諸如肝臟周圍毗鄰臟器、肝臟的管道系統(tǒng)及走形、肝臟的分段、肝臟的3 個肝門結(jié)構(gòu)及概念、如何根據(jù)Glisson 系統(tǒng)進行肝臟分葉分段、肝臟腫瘤的定位描述及肝葉肝段切除術(shù)范圍等。考核方式采用閉卷考試，總分100 分，60 分以上為及格，90 分以上為優(yōu)秀。為了解住院醫(yī)師對兩種教學(xué)方法的評價，問卷內(nèi)容包括教學(xué)方法是否生動有趣、知識是否容易掌握、是否能夠提高學(xué)習(xí)主動性和積極性、學(xué)習(xí)效率如何及對教學(xué)方法滿意度等。

1.4 統(tǒng)計學(xué)方法 采用SPSS 16.0 統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)分析。計量資料指標(biāo)用“±s”表示，予以t 檢驗，計數(shù)資料采用χ2檢驗，以P ＜0.05 表示差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié) 果

2.1 試卷測評結(jié)果 兩組住院醫(yī)師均全部完成相關(guān)教學(xué)。實驗組平均考試成績（92.3±3.2）分，對照組平均考試成績?yōu)椋?4.6±4.1）分，實驗組成績明顯高于對照組，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（P ＜0.05）。實驗組優(yōu)秀率為40%，高于對照組的17%，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（P ＜0.05）。

2.2 問卷評價結(jié)果 調(diào)查問卷共發(fā)放60 份，收回60 份。結(jié)果表明，實驗組住院醫(yī)師均認(rèn)為該教學(xué)法容易掌握，生動有趣，能夠主動參與學(xué)習(xí)，提高了學(xué)習(xí)效率。而對照組部分住院醫(yī)師認(rèn)為知識難度較大，掌握困難，對所學(xué)知識缺乏立體直觀感受，從而不利于對知識的掌握和理解。調(diào)查問卷內(nèi)容包括難易度、學(xué)習(xí)興趣、主動性、滿意度等方面。研究結(jié)果顯示，運用三維教學(xué)方法可以明顯提高住院醫(yī)師的學(xué)習(xí)效率和主動性。

3 討 論

肝臟外科一直是外科領(lǐng)域最為復(fù)雜的學(xué)科之一，其解剖學(xué)的理論教學(xué)和實踐教學(xué)一直是醫(yī)學(xué)生課程的重點和難點。由于肝臟外科解剖知識難以掌握，進而導(dǎo)致很多醫(yī)學(xué)生對肝臟解剖知識掌握不扎實，甚至進入肝膽外科工作仍然對肝臟解剖不是十分熟悉，導(dǎo)致只能行肝臟局部切除術(shù)治療肝臟腫瘤，無法實施精準(zhǔn)肝切除手術(shù)，這導(dǎo)致了手術(shù)時間長，出血量大，對患者造成不必要的損傷且增加了患者的痛苦。精準(zhǔn)外科手術(shù)是現(xiàn)代外科高速發(fā)展的必然產(chǎn)物，其要求外科醫(yī)師須具備扎實的肝臟解剖知識，而目前的醫(yī)學(xué)教育多以尸體標(biāo)本、教科書理論教學(xué)、肝臟教學(xué)模具、彩超及CT 等二維影像等進行教學(xué)，雖然能夠教授肝臟解剖理論知識，但是醫(yī)學(xué)生很難理解和掌握其立體三維結(jié)構(gòu)，學(xué)習(xí)效率較低，很難從根本上深刻掌握肝臟解剖知識。例如肝臟的分葉分段是利用肝臟的各種管道系統(tǒng)的立體走形進行，而目前只是通過理論傳授和二維影像圖片實施教學(xué)，很難培養(yǎng)學(xué)生的空間想象力，無法對肝臟的分葉分段形成三維立體的概念。而教學(xué)模具雖然能大致顯示肝臟管道和分葉分段的立體結(jié)構(gòu)，但價格昂貴，無法讓每個學(xué)生近距離觀看和研究。此外，雖然尸體標(biāo)本能夠真實展示人體的肝臟解剖，但是目前的解剖課課程設(shè)置多是在大學(xué)二年級，而肝臟外科課程設(shè)置在大學(xué)四年級，無法銜接二者的知識結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果不理想，且肝臟的解剖在某種程度上因人而異，不能只根據(jù)尸體解剖完全掌握肝臟解剖知識。總之，傳統(tǒng)教學(xué)方法效率低下、效果差，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動性不高，學(xué)生很難較好掌握肝臟解剖知識和模擬手術(shù)切除范圍，這對醫(yī)學(xué)教育提出了更高的要求，計算機輔助外科（Computer Assisted Surgery，CAS）應(yīng)運而生，此技術(shù)是將傳統(tǒng)的外科手術(shù)與計算機、立體定位和圖像處理等技術(shù)進行有機結(jié)合產(chǎn)生的一種嶄新的手術(shù)方式，其中三維重建技術(shù)、三維注冊技術(shù)、混合現(xiàn)實技術(shù)（Mixed Reality，MR）均是當(dāng)前此領(lǐng)域科學(xué)研究的重要方向，這些領(lǐng)域近年來不斷發(fā)展，取得了不菲的成果[4-5]。三維可視化不僅可全方位的顯示肝臟的各段之間解剖關(guān)系、肝內(nèi)管道走形，還可以了解腫物大小及與肝內(nèi)管道位置關(guān)系[6]。研究顯示，使用三維可視化技術(shù)可提高了參與者對肝臟解剖結(jié)構(gòu)、生理學(xué)、腫瘤學(xué)、手術(shù)過程及相關(guān)手術(shù)風(fēng)險的理解[7]。本課題運用現(xiàn)代化三維可視化影像資料進行教學(xué)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)利用此教學(xué)方法的住院醫(yī)師學(xué)習(xí)主動性和積極性明顯提高，對肝臟解剖知識的掌握更加扎實，教學(xué)效果良好和文獻(xiàn)報告一致[8]。

近年來，三維可視化技術(shù)、虛擬手術(shù)技術(shù)以及3D 高清手術(shù)視頻系統(tǒng)飛速發(fā)展，不僅促進了肝臟外科手術(shù)技術(shù)的發(fā)展，而且為肝臟外科教學(xué)提供了更高端的媒介和工具[9-10]。通過三維可視化技術(shù)，將傳統(tǒng)的二維圖片重建并進行可視化分析，如對人體器官與軟組織及病變體的分割提取、三維重建和三維顯示。這樣，外科醫(yī)師就可以根據(jù)這些圖像數(shù)據(jù)對需要處理的區(qū)域進行準(zhǔn)確的定量分析，從而大大提高醫(yī)療診斷的精準(zhǔn)性，進而制訂更加合理的手術(shù)方案。3D 影像可清晰顯示肝臟解剖、肝臟的病灶和周圍血管的關(guān)系。肝內(nèi)不同的管道例如門靜脈、肝靜脈和肝動脈可以用不同的顏色顯示，通過透明化處理及篩選等，可單獨顯示各種不同結(jié)構(gòu)，并能進行任意角度的旋轉(zhuǎn)、放大、縮小等，從各個角度觀察病灶與各種管道的毗鄰關(guān)系，從而制訂合理的手術(shù)方案[11]。此外，在三維可視基礎(chǔ)上構(gòu)建的虛擬手術(shù)操作系統(tǒng)可以讓醫(yī)學(xué)生毫無壓力的進行手術(shù)模擬操作，無須擔(dān)心手術(shù)并發(fā)癥，可以清晰地看到各種管道走形及病灶與周圍血管的毗鄰關(guān)系等，且模擬操作可重復(fù)進行，這是真實手術(shù)實習(xí)無法實現(xiàn)的。再者，高清手術(shù)視頻的錄制也為醫(yī)學(xué)生教學(xué)提供了大量的、高質(zhì)量的、寶貴的個體化教學(xué)資料，同時結(jié)合術(shù)前三維重建圖片及虛擬手術(shù)操作系統(tǒng)，都將保證醫(yī)學(xué)生從根本上掌握扎實的肝臟外科解剖和手術(shù)知識。

本科室近年來與計算機專家積極合作，構(gòu)建了基于混合現(xiàn)實技術(shù)（Mixed Reality，MR）的三維可視化技術(shù)，進行術(shù)前影像三維重建及虛擬手術(shù)模擬系統(tǒng)。不僅用于臨床實踐，更多的用于住院醫(yī)師教學(xué)，取得了良好的效果。本研究結(jié)果顯示，三維可視化影像教學(xué)效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)方法，考核成績的差異具有統(tǒng)計學(xué)意義，問卷調(diào)查也顯示實驗組住院醫(yī)師學(xué)習(xí)主動性更好、認(rèn)為學(xué)習(xí)難度低、認(rèn)為知識更容易掌握。通過三維立體的影像，住院醫(yī)師能夠快速理解和掌握肝臟解剖知識。例如，既往通過反復(fù)教學(xué)，住院醫(yī)師都難以掌握的肝臟Counauid 分葉分段法、Glisson 管道系統(tǒng)以及肝臟3 大肝門結(jié)構(gòu)的構(gòu)成，通過三維可視化影像教學(xué)，學(xué)員一次即可掌握。此外，基于三維可視化系統(tǒng)的虛擬手術(shù)模擬系統(tǒng)更讓住院醫(yī)師對手術(shù)有了直觀的體驗和感受，效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)的觀看手術(shù)視頻或者實習(xí)中觀摩手術(shù)操作。

本研究改革傳統(tǒng)的肝臟外科教學(xué)方法，用三維可視化影像和虛擬手術(shù)進行全新的肝臟教學(xué)，克服了傳統(tǒng)的理論教學(xué)、二維圖像教學(xué)的不足，讓學(xué)員更直觀立體的理解肝臟解剖，且利用可重復(fù)的虛擬手術(shù)系統(tǒng)進行實踐練習(xí)，克服了因目前醫(yī)患關(guān)系等倫理問題導(dǎo)致的無法在人體進行實踐手術(shù)練習(xí)的缺陷，提升了對肝臟外科手術(shù)的理解和認(rèn)識。本研究使用的三維可視化影像及手術(shù)視頻均發(fā)放給每位住院醫(yī)師，方便住院醫(yī)師自行觀看學(xué)習(xí)。且我們的圖像和視頻來自多個不同的患者和不同的病灶類型，有利于住院醫(yī)師對知識的全面掌握和理解疾病的個體化特點，形成個體化診療的理念。

綜上所述，三維可視化影像教學(xué)系統(tǒng)可以幫助住院醫(yī)師迅速、高效地掌握肝臟臨床解剖，顯著提高了學(xué)習(xí)積極性與教學(xué)質(zhì)量、降低了學(xué)習(xí)難度。本教學(xué)方法對于肝臟外科的教學(xué)高效可行，推薦將該方法用于《外科學(xué)各論》肝臟疾病章節(jié)的學(xué)習(xí)講解，建議將該方法應(yīng)用于醫(yī)學(xué)生和住院醫(yī)師在肝臟外科實踐教學(xué)。