混合現(xiàn)實(shí)全息影像在心血管教學(xué)中的應(yīng)用價(jià)值

李濤，張興華，李欣，羅春材，張晶，楊立

隨著科技的發(fā)展，新技術(shù)不斷推陳出新，使得影像醫(yī)學(xué)得到空前的發(fā)展。由于專業(yè)劃分越來(lái)越細(xì)，心血管影像作為影像醫(yī)學(xué)中新興的最活躍的分支，越來(lái)越被臨床所依賴。心血管影像又是心血管臨床介入醫(yī)師的必備基礎(chǔ)，但是心血管影像教學(xué)在心血管臨床介入醫(yī)師的繼續(xù)教育中長(zhǎng)期未被重視［1］。另外，由于心血管影像知識(shí)新，內(nèi)容多，加之心血管解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，病種繁多，大多數(shù)醫(yī)生在醫(yī)學(xué)院學(xué)習(xí)時(shí)心血管影像課時(shí)短，因此掌握心血管影像專業(yè)知識(shí)的放射科醫(yī)生有限［2］，如何能夠在較短的時(shí)間內(nèi)，推廣心血管影像知識(shí)，提高教學(xué)效率和教學(xué)效果，培養(yǎng)優(yōu)秀的心血管影像專業(yè)人才，是擺在我們面前亟待解決的重要課題。混合現(xiàn)實(shí)全息影像（Mixed reality holographic image，MRHI）呈現(xiàn)技術(shù)的出現(xiàn)，為我們提供了一個(gè)非常有力的工具。

混合現(xiàn)實(shí)是結(jié)合增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與虛擬現(xiàn)實(shí)的新技術(shù)，它將數(shù)字化的信息全息投射到真實(shí)的物理環(huán)境中，突破常規(guī)二維影像，從而獲得直觀、立體的體驗(yàn)。混合現(xiàn)實(shí)全息影像呈現(xiàn)技術(shù)，目前在外科領(lǐng)域，如骨科、肝膽外科、神經(jīng)外科、血管外科剛剛開(kāi)始應(yīng)用，在病變的診斷、手術(shù)計(jì)劃的制定方面，展現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)［3-5］。但是，可否將這種最新技術(shù)，應(yīng)用到影像教學(xué)方面、是否優(yōu)于常規(guī)教學(xué)方法、提高教學(xué)水平，目前并無(wú)科學(xué)設(shè)計(jì)的對(duì)照研究。為此，我們?cè)谌粘＝虒W(xué)工作的基礎(chǔ)上，嘗試將該技術(shù)用于初、中級(jí)醫(yī)師的心血管影像診斷培訓(xùn)教學(xué)，探討MRHC 在心血管影像教學(xué)中的應(yīng)用價(jià)值?，F(xiàn)報(bào)告如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選取2017 年12 月至2018 年12 月間在解放軍總醫(yī)院放射科新入科進(jìn)修的未接觸過(guò)心血管影像工作的進(jìn)修醫(yī)生30名，隨機(jī)平均分成兩組，A 組（n＝15 名），B 組（n＝15 名），分別進(jìn)行傳統(tǒng)教學(xué)方法（TT）（傳遞-接受）及混合現(xiàn)實(shí)全息影像技術(shù)結(jié)合傳統(tǒng)教學(xué)方法（MRHC-TT）進(jìn)行心血管影像培訓(xùn)。所有學(xué)員均為本科學(xué)歷，職稱均為住院醫(yī)師，工作時(shí)間相差不超過(guò)3年，在接受培訓(xùn)之前都沒(méi)有接受過(guò)心血管影像診斷方面的工作，在我院學(xué)習(xí)期間也沒(méi)有在心血管影像組輪轉(zhuǎn)過(guò)。

1.2 研究方法

1.2.1 A組 采用傳統(tǒng)教學(xué)模式，即傳遞-接受式的教學(xué)模式，培訓(xùn)內(nèi)容包括主動(dòng)脈縮窄，主動(dòng)脈弓離斷，主動(dòng)脈瓣狹窄，主動(dòng)脈夾層，主動(dòng)脈動(dòng)脈瘤，動(dòng)脈導(dǎo)管未閉，肺動(dòng)脈狹窄，肺靜脈畸形引流，房間隔缺損，室間隔缺損，法洛氏四聯(lián)癥，右室雙出口，大動(dòng)脈轉(zhuǎn)位、單心室畸形等內(nèi)容。

1.2.2 B 組 采用混合現(xiàn)實(shí)全息影像技術(shù)結(jié)合傳統(tǒng)教學(xué)方法進(jìn)行教學(xué)，教學(xué)內(nèi)容與A 組完全相同，且同一相關(guān)內(nèi)容由同一講師講述，但教學(xué)方式有很大的不同，教學(xué)方法如下：教學(xué)前獲取每一種疾病的患者CT 的原始DICOM 數(shù)據(jù)，將其導(dǎo)入到三維醫(yī)學(xué)影像工作站（StarSource Medical Image Workstation，Visual3D，北京維卓致遠(yuǎn)醫(yī)療科技發(fā)展有限責(zé)任公司）進(jìn)行分割和重建，得到網(wǎng)格模型（STL）文件；所有重建的STL 文件被輸入到工作站內(nèi)部的場(chǎng)景編輯模塊（Scene Editor）進(jìn)行材質(zhì)設(shè)定，包括顏色賦值和透明度預(yù)設(shè)等。編輯好的模型，再通過(guò)“星圖”混合現(xiàn)實(shí)影像系統(tǒng)（StarAtlas Holographic Medical Image System，Visual3D，北京維卓致遠(yuǎn)醫(yī)療科技發(fā)展有限責(zé)任公司），以v3d 格式（北京維卓致遠(yuǎn)醫(yī)療科技發(fā)展有限責(zé)任公司內(nèi)部的一種數(shù)據(jù)傳輸格式，內(nèi)部封裝有網(wǎng)格模型和壓縮后的DICOM 體數(shù)據(jù)）進(jìn)行輸出，獲得全息影像數(shù)據(jù)。老師用較短的時(shí)間進(jìn)行PPT 理論授課后，然后和學(xué)生通過(guò)混合現(xiàn)實(shí)全息眼鏡（Hololens，Microsoft Corp，USA）（放置在眼前的這個(gè)小型計(jì)算機(jī)的屏幕，高分辨率的透鏡）觀看患者的全息數(shù)字影像，虛擬的全息模型通過(guò)平板（HUAWEI M3 tablet with Android system），根據(jù)需求進(jìn)行放大、移動(dòng)、隱藏、改變顏色和透明度調(diào)節(jié)等操作，實(shí)時(shí)進(jìn)行教學(xué)和討論（圖1～3）。

圖1 教師與學(xué)生通過(guò)混合現(xiàn)實(shí)全息影像進(jìn)行教學(xué)討論示右室雙出口

圖2 混合現(xiàn)實(shí)全息影像顯示主動(dòng)脈縮窄

圖3 混合現(xiàn)實(shí)全息影像顯

1.3 教學(xué)效果評(píng)估 每次教學(xué)課后，分別對(duì)兩組學(xué)員的心血管疾病影像診斷能力進(jìn)行評(píng)估，測(cè)試內(nèi)容包括理論知識(shí)和病例分析兩部分，采用相同的試卷和病例，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容自建題庫(kù)，理論知識(shí)和病例分析各占50分，滿分100分。

教學(xué)結(jié)束后，還通過(guò)教學(xué)滿意度調(diào)查評(píng)價(jià)兩種教學(xué)方法的教學(xué)效果。教學(xué)滿意度調(diào)查根據(jù)自制的調(diào)查問(wèn)卷進(jìn)行，包括教學(xué)難度、教學(xué)方法、學(xué)習(xí)興趣、師生互動(dòng)、知識(shí)面、信息量等方面的內(nèi)容，滿分為100分，滿意度根據(jù)得分分為四個(gè)檔次，評(píng)分＞90分為非常滿意，75～90 分為滿意，60～74 分為一般，＜60 分為不滿意，教學(xué)滿意度＝［（非常滿意人數(shù)+滿意的人數(shù)）/總?cè)藬?shù)］×100%。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 采用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行分析。計(jì)量資料采用表示，兩組之間考試得分采用成組t檢驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。滿意度調(diào)查等計(jì)數(shù)資料，采用χ2檢驗(yàn)進(jìn)行比較。P＜0.05 代表差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 兩組學(xué)員考試成績(jī)的比較 兩組學(xué)員到課率均為100%，兩組學(xué)員均能積極地參與教學(xué)活動(dòng)。在接受培訓(xùn)前，兩組學(xué)員均未接觸過(guò)心血管影像方面的工作，經(jīng)過(guò)6次培訓(xùn)，混合現(xiàn)實(shí)結(jié)合傳統(tǒng)教學(xué)組的平均考試成績(jī)高于傳統(tǒng)教學(xué)組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。見(jiàn)表1。

表1 心血管疾病影像教學(xué)兩種教學(xué)方法效果的比較/（分，）

表1 心血管疾病影像教學(xué)兩種教學(xué)方法效果的比較/（分，）

總分67.7±3.0 74.9±4.0 5.577 0.000組別傳統(tǒng)教學(xué)組MR結(jié)合傳統(tǒng)教學(xué)組t值P值人數(shù)15 15理論知識(shí)得分30.4±2.4 34.8±2.2 5.234 0.000病例分析得分37.0±2.7 40.1±2.4*3.324 0.002

2.2 兩組學(xué)員的教學(xué)滿意度的調(diào)查 混合現(xiàn)實(shí)結(jié)合傳統(tǒng)教學(xué)組的教學(xué)滿意度（86.7%）與傳統(tǒng)教學(xué)組（60.0%）差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（χ2＝2.727，P＝0.099）。見(jiàn)表2。

表2 學(xué)員對(duì)兩種教學(xué)方法教學(xué)滿意度調(diào)查/名（%）

3 討論

混合現(xiàn)實(shí)全息影像呈現(xiàn)技術(shù)是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的延伸，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。它是將計(jì)算機(jī)虛擬模型引用和整合到真實(shí)的物理世界，使得在虛擬世界、真實(shí)世界、用戶之間形成一個(gè)交互反饋的信息回路［6-8］?；旌犀F(xiàn)實(shí)可以提供一個(gè)有效的工具看到醫(yī)學(xué)影像的三維的數(shù)字化的信息，從而在心血管影像教學(xué)中發(fā)揮重要的作用?；旌犀F(xiàn)實(shí)的一個(gè)重要媒介就是微軟的Hololens 眼鏡，它是頭戴式混合現(xiàn)實(shí)全息計(jì)算機(jī)，允許操作者維持虛擬世界與真實(shí)世界之間的聯(lián)系，從而在虛擬世界、真實(shí)世界以及用戶之間搭建起一個(gè)交互反饋的平臺(tái)。

混合現(xiàn)實(shí)全息影像技術(shù)目前在外科中已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用。在胸外科，湯軼等［9］率先在胸壁腫瘤手術(shù)中進(jìn)行了應(yīng)用。在骨科，Wu等［10-11］率先在頸椎骨折需要手術(shù)治療的患者進(jìn)行了應(yīng)用。頸椎骨折（尤其寰樞椎的骨折）通常造成脊髓的損傷、感覺(jué)的喪失、麻痹、甚至死亡，外科手術(shù)（椎弓根的內(nèi)固定、減壓）是有效的治療方法，然而術(shù)中對(duì)于血管、神經(jīng)的損傷對(duì)病人無(wú)疑是雪上加霜。以往手術(shù)過(guò)程更多的是依靠手術(shù)醫(yī)生對(duì)于CT、MRI等影像資料在腦中的重建，即使有3D 重建的影像，很好地顯示骨折周圍的神經(jīng)、血管也是很困難的。因此手術(shù)過(guò)程是否順利，很大程度上取決于術(shù)者對(duì)于解剖結(jié)構(gòu)及變異的認(rèn)識(shí)、對(duì)于術(shù)中緊急情況的應(yīng)急處理能力?；旌犀F(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)，將數(shù)字化的全息影像重疊在病變上，醫(yī)生可以在術(shù)中進(jìn)行實(shí)時(shí)的觀察、判斷，從而提高椎弓根減壓、內(nèi)固定手術(shù)的準(zhǔn)確性、安全性，也使操作更加簡(jiǎn)單。在神經(jīng)外科，混合現(xiàn)實(shí)全息影像也有了開(kāi)拓性的應(yīng)用［4］，通過(guò)混合現(xiàn)實(shí)全息計(jì)算機(jī)成功地進(jìn)行全息影像幫助下的腦室外引流手術(shù)，在這種最新技術(shù)的幫助下，使得神經(jīng)外科醫(yī)生能夠直接看到患者腦內(nèi)的高分辨的3D 全息影像及插入導(dǎo)管的路徑，結(jié)果顯示腦室插管的路徑更加準(zhǔn)確，最大可能杜絕導(dǎo)管偏離位置。

本研究探討MRHI技術(shù)在心血管影像教學(xué)方面的應(yīng)用，檢索文獻(xiàn)，未見(jiàn)相關(guān)嚴(yán)格對(duì)照研究的報(bào)道。本研究納入兩組未接觸過(guò)心血管影像的年資和職稱相近的醫(yī)師，采用相同的教學(xué)內(nèi)容，以不同的教學(xué)方法進(jìn)行教學(xué)。對(duì)于傳統(tǒng)教學(xué)模式組，我們采用以傳遞-接受的教學(xué)方式，加上觀察CT斷面的方法。對(duì)于混合現(xiàn)實(shí)全息影像技術(shù)結(jié)合傳統(tǒng)教學(xué)模式組，我們使用了混合現(xiàn)實(shí)全息影像。通過(guò)混合現(xiàn)實(shí)全息影像進(jìn)行教學(xué)，教師和學(xué)生可以360。觀察數(shù)字化的模型，邊觀察邊討論，這樣可以對(duì)解剖細(xì)節(jié)、解剖變異、疾病的位置及表現(xiàn)有更加深刻的理解。比如對(duì)于主動(dòng)脈縮窄這個(gè)疾病的教學(xué)，傳統(tǒng)教學(xué)主要觀察的是CT 橫斷面表現(xiàn)，通過(guò)混合現(xiàn)實(shí)全息影像教學(xué)，可以非常清晰、立體、直觀地顯示主動(dòng)脈縮窄的位置，是管狀的縮窄還是隔膜狀的縮窄，縮窄的程度及范圍如何，縮窄后胸廓內(nèi)動(dòng)脈、肋間動(dòng)脈側(cè)枝血管的建立如何，這樣就會(huì)給學(xué)生留下非常直觀、立體的印象，既容易理解，又記憶深刻，從而大大提高教學(xué)水平。再比如對(duì)于右室雙出口疾病的教學(xué)，通過(guò)混合現(xiàn)實(shí)全息影像技術(shù)提供實(shí)時(shí)的全息影像，可以把右心室、左心室、主動(dòng)脈、肺動(dòng)脈分別采用不同的顏色及透明化的效果顯示出來(lái)，還可以隱藏干擾的結(jié)構(gòu)，比如左右心房可以隱藏起來(lái)，這樣就更直觀地顯示兩個(gè)大動(dòng)脈和兩個(gè)心室之間的關(guān)系，即兩個(gè)大動(dòng)脈均從右心室發(fā)出，這種三維的立體化的教學(xué)比單純的從二維斷面對(duì)疾病的解讀更加清晰，受到了學(xué)生的認(rèn)可及歡迎。通過(guò)6 次的教學(xué)之后，采用相同的試卷及病例進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)采用混合現(xiàn)實(shí)全息影像技術(shù)結(jié)合傳統(tǒng)教學(xué)方法進(jìn)行教學(xué)，學(xué)員對(duì)于心血管影像的掌握高于接受傳統(tǒng)教學(xué)模式的學(xué)員，這說(shuō)明采用混合現(xiàn)實(shí)全息影像技術(shù)結(jié)合傳統(tǒng)教學(xué)方法，能夠較好地提升教學(xué)效果，適合在心血管影像教學(xué)中推廣和應(yīng)用。

總之，混合現(xiàn)實(shí)全息影像技術(shù)打破了虛實(shí)之間的界限，將醫(yī)學(xué)信息以更加立體直觀的方式呈現(xiàn)在學(xué)生眼前，使得學(xué)生徹底告別枯燥、乏味、死記硬背的學(xué)習(xí)方式，使學(xué)習(xí)變得更加簡(jiǎn)單、形象，記憶深刻，可以大大提高學(xué)習(xí)效率。從而會(huì)徹底改變教學(xué)模式、溝通方式，推動(dòng)教學(xué)模式的變革。