3D打印模型輔助混合現(xiàn)實(shí)（MR）沉浸式教學(xué)課堂在脊柱腫瘤外科教學(xué)中的應(yīng)用

張丹　矯健　楊興海　劉鐵龍　肖建如

[摘要] 目的 為解決脊柱腫瘤發(fā)病率快速增長(zhǎng)與脊柱腫瘤外科醫(yī)生的稀缺及培養(yǎng)困難相矛盾的問題，提出新的有效的教學(xué)方法。方法 在以病例為基礎(chǔ)的教學(xué)模式指導(dǎo)下，初步探索了運(yùn)用新型MR沉浸式課堂教育為主同時(shí)輔助以個(gè)性化3D打印模型局部增強(qiáng)的新型教學(xué)方法對(duì)于脊柱腫瘤外科年輕醫(yī)生培養(yǎng)的可行性。之后通過有聲思維法、書面測(cè)驗(yàn)及學(xué)生滿意度問卷評(píng)估教學(xué)效果。結(jié)果 接受新型教學(xué)方法的學(xué)生其在有聲思維法、書面測(cè)試中成績(jī)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。同時(shí)該組學(xué)生對(duì)教學(xué)滿意度更高。結(jié)論 這種“虛擬+局部增強(qiáng)”的教學(xué)課堂改革，很好的克服了傳統(tǒng)脊柱腫瘤外科教學(xué)中的諸多缺點(diǎn)。

[關(guān)鍵詞] 混合現(xiàn)實(shí)技術(shù);3D打印模型;沉浸式教學(xué);脊柱腫瘤外科

[中圖分類號(hào)] G642.45 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1672-5654（2020）07（c）-0152-03

Application of 3D Printing Model-assisted Mixed Reality （MR） Immersive Teaching Cassroom in Spinal Tumor Surgery Teaching

ZHANG Dan， JIAO Jian， YANG Xing-hai， LIU Tie-long， XIAO Jian-ru

Department of Orthopedic Oncology， Changzheng Hospital， Naval Military Medical University， Shanghai， 200003 China

[Abstract] Objective In order to solve the contradiction between the rapid increase in the incidence of spinal tumors and the scarcity and difficulty of training spinal tumor surgeons， a new and effective teaching method is proposed. Methods Under the guidance of a case-based teaching model， we initially explored the feasibility of using new MR immersive classroom education while assisting with the local enhancement of personalized 3D printing models for the training of young doctors in spinal tumor surgery. After that， the teaching effect is evaluated through the voice thinking method， written test and student satisfaction questionnaire. Results The students who received the new teaching method performed significantly better than the traditional teaching group in the voice thinking method and written test， and the difference was statistically significant（P<0.05）. At the same time， students in this group were more satisfied with teaching. Conclusion This "virtual + local enhancement" teaching class reform has overcome many shortcomings in traditional spinal tumor surgery teaching.

[Key words] Mixed reality technology; 3D printing model; Immersive teaching; Spinal tumor surgery

隨著環(huán)境惡化，人們飲食生活習(xí)慣的改變，腫瘤特別是惡性腫瘤逐漸成為了威脅人類生命健康的頭號(hào)疾病[1]。因?yàn)閻盒阅[瘤治療手段的進(jìn)步，惡性腫瘤患者帶瘤生存的時(shí)間也逐漸延長(zhǎng)，臨床上越來越容易見到原發(fā)或繼發(fā)轉(zhuǎn)移性的脊柱腫瘤患者，脊柱腫瘤外科也因此逐漸發(fā)展壯大。但與脊柱腫瘤發(fā)病率快速增長(zhǎng)相矛盾的是由于脊柱腫瘤解剖復(fù)雜性及手術(shù)技術(shù)要求高而導(dǎo)致的脊柱腫瘤外科醫(yī)生的稀缺及培養(yǎng)困難。

脊柱作為人體的中軸骨，有著極為精密的解剖結(jié)構(gòu)和極為重要的生理功能。其除了有支撐人體全身重量保持身體直立與平衡的作用外，還有著保護(hù)中樞神經(jīng)系統(tǒng)—脊髓的重要職責(zé)。因?yàn)榧怪馄式Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜，以及神經(jīng)易損及不可再生的特點(diǎn)，而導(dǎo)致脊柱外科成為一門精細(xì)度要求極高的學(xué)科。脊柱腫瘤外科作為脊柱外科重要部門，有著更為復(fù)雜的疾病特點(diǎn)及治療要求?？梢哉f每一例脊柱腫瘤都可以視為一個(gè)不同的疾病，因而對(duì)于脊柱腫瘤及周邊重要結(jié)構(gòu)關(guān)系的整體解剖理解是脊柱腫瘤外科醫(yī)生入門的基本要求。脊柱的空間立體結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及脊柱周圍涉及到的重要組織結(jié)構(gòu)繁多，傳統(tǒng)教學(xué)方法多難以理清學(xué)生思路，達(dá)到滿意的教學(xué)效果。

該文選取合適且典型的各部位脊柱腫瘤病例，創(chuàng)造性地將較為成熟的脊柱腫瘤3D打印技術(shù)與最新的MR混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，形成新型“混合現(xiàn)實(shí)沉浸式課堂+3D打印局部現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)”的新型教學(xué)方法，并引入到脊柱腫瘤研究生及年輕醫(yī)生的培養(yǎng)和教學(xué)工作之中。通過與傳統(tǒng)教學(xué)方法比較，發(fā)現(xiàn)新型教學(xué)方法可以明顯增加學(xué)生學(xué)習(xí)趣味，并有機(jī)會(huì)在安全可靠的情況下不斷的嘗試特定手術(shù)操作，對(duì)手術(shù)進(jìn)行模擬，快速掌握特定部位脊柱腫瘤相關(guān)解剖及手術(shù)知識(shí)，從而更好地達(dá)到教育教學(xué)的目的。

1? 對(duì)象與方法

選取上海長(zhǎng)征醫(yī)院骨腫瘤科收治的典型頸椎腫瘤和胸椎腫瘤病例各1例，分別制作成普通PPT教學(xué)課件及3D打印模型+混合現(xiàn)實(shí)MR教學(xué)情境。選取2017—2018學(xué)年兩批次骨腫瘤科在讀及聯(lián)合培養(yǎng)研究生共計(jì)37名，根據(jù)其研究生入學(xué)西醫(yī)綜合統(tǒng)考成績(jī)高低排列將其隨機(jī)分為兩組，一組18名學(xué)生進(jìn)行普通傳統(tǒng)PPT教學(xué)，另一組19名學(xué)生接受新型“混合現(xiàn)實(shí)沉浸式課堂+3D打印局部現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)”教學(xué)。教學(xué)內(nèi)容主要以個(gè)案引入，詳細(xì)講解脊柱腫瘤的WBB分期，腫瘤周圍解剖結(jié)構(gòu)，脊柱腫瘤手術(shù)的入路選擇，手術(shù)切除方式，以及手術(shù)前后根據(jù)腫瘤特點(diǎn)進(jìn)行的其他相關(guān)治療手段。課程均由骨腫瘤科同一名講師授課，授課完成后即以相似病例進(jìn)行有聲思維法（Think aloud protocols）、書面測(cè)驗(yàn)及滿意度問卷對(duì)學(xué)生相關(guān)脊柱腫瘤手術(shù)治療知識(shí)、解剖知識(shí)掌握及理解程度、滿意度進(jìn)行量化評(píng)估，收集到的影音數(shù)據(jù)和試卷由骨腫瘤科資深的3位副主任醫(yī)師進(jìn)行分別判卷，由另一位講師統(tǒng)計(jì)分?jǐn)?shù)并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。

有聲思維法作為一種常用的可用性分析方法廣泛應(yīng)用于臨床教學(xué)效果評(píng)估領(lǐng)域，即通過錄像或錄音的方法在學(xué)生模擬手術(shù)過程中，記錄其所有想法從而實(shí)現(xiàn)學(xué)生思維的具象化，使研究者有機(jī)會(huì)掌握學(xué)生的內(nèi)心想法并通過豐富的影音數(shù)據(jù)進(jìn)行量化分析[2-4]。而書面測(cè)驗(yàn)為閉卷考試，主要由相關(guān)解剖學(xué)知識(shí)點(diǎn)（50分）加2例脊柱腫瘤病例分析（50分）構(gòu)成。

2? 結(jié)果

3位上海長(zhǎng)征醫(yī)院骨腫瘤科資深的副教授對(duì)所有學(xué)生每人10 min的模擬脊柱腫瘤手術(shù)有聲思維法音頻進(jìn)行百分制打分，3人給出的平均成績(jī)作為學(xué)生有聲思維法考核的最終成績(jī)進(jìn)行記錄。最終接受新型教學(xué)法的學(xué)生其平均分為（74.1±5.5）分較接受傳統(tǒng)教學(xué)方法的學(xué)生平均分（64.6±6.3）分高，單尾兩獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)結(jié)果（t=4.894，P<0.05），提示兩種教學(xué)組有聲思維法手術(shù)操作考核成績(jī)差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05），接受新型3D打印模型+混合現(xiàn)實(shí)MR沉浸式教學(xué)的學(xué)生有聲思維考核成績(jī)明顯優(yōu)于接受傳統(tǒng)教學(xué)法學(xué)生的成績(jī)。同時(shí)對(duì)所有學(xué)生書面測(cè)驗(yàn)進(jìn)行判卷，結(jié)果顯示接受新型教學(xué)法的學(xué)生其平均分為（80.8±5.1）分較接受傳統(tǒng)教學(xué)方法的學(xué)生平均分（70.8±4.9）分高，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)學(xué)分析（t=3.863，P<0.05），也提示兩教學(xué)組考核成績(jī)差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05），接受新型教學(xué)法的學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握度優(yōu)于接受傳統(tǒng)教學(xué)法的學(xué)生。最后，根據(jù)學(xué)生對(duì)于兩種教學(xué)方法滿意度的回饋打分情況發(fā)現(xiàn)學(xué)生認(rèn)為新型教學(xué)方法趣味性更強(qiáng)，同時(shí)對(duì)教學(xué)滿意度也更高。

3? 討論

MR技術(shù)即混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以說是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AR）的進(jìn)一步發(fā)展，該技術(shù)通過在虛擬環(huán)境中引入現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景信息，在虛擬世界、現(xiàn)實(shí)世界和用戶之間搭起一個(gè)交互反饋的信息回路，以增強(qiáng)用戶體驗(yàn)的真實(shí)感。在新的可視化環(huán)境里物理和數(shù)字對(duì)象共存，并實(shí)時(shí)互動(dòng)。在過去的數(shù)年時(shí)間中，VR及AR技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，在包括航天、影視娛樂及醫(yī)療等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，部分敏銳的教育教學(xué)工作者也將其引入到了臨床教學(xué)之中并取得了巨大的成功[5-7]。不同于VR使用者只能沉浸于人造的虛擬世界以及AR僅僅是在現(xiàn)實(shí)世界中加入虛擬物品而無法對(duì)其進(jìn)行操作。MR作為最新一代的交互技術(shù)，同樣是虛擬與現(xiàn)實(shí)的結(jié)合。MR技術(shù)投射出來的數(shù)字化信息，可以真實(shí)世界為載體，且更立體逼真，使用戶可以與虛擬的物品產(chǎn)生交互。最早的沉浸式混合現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)于1994年由美國(guó)空軍建立用來進(jìn)行飛行員實(shí)際操作能力的培訓(xùn)并取得了成功。當(dāng)代醫(yī)學(xué)教育利用MR技術(shù)建立沉浸式的教學(xué)課堂，則可以使學(xué)生特別是外科學(xué)生能夠在老師講解的同時(shí)更為直觀并實(shí)時(shí)地觀察相應(yīng)的解剖結(jié)構(gòu)，從而更為深刻理解并掌握相關(guān)知識(shí)。

3D打印作為新興技術(shù)手段越來越多地融入到了人們的生產(chǎn)生活中，各行各業(yè)對(duì)于3D打印技術(shù)的需求及應(yīng)用也在不斷發(fā)展。在醫(yī)療領(lǐng)域，3D打印輔助腫瘤外科治療越來越成為一個(gè)流行且必要的手段[8-12]。面對(duì)復(fù)雜的腫瘤手術(shù)，3D打印通過制造出一個(gè)一模一樣的模型來研究分析，不僅使醫(yī)生可以提前熟悉解剖結(jié)構(gòu)從而在術(shù)前設(shè)計(jì)合理化的手術(shù)方案，還可以在術(shù)中輔助手術(shù)醫(yī)生確定周圍組織關(guān)系及切除范圍[13-15]。脊柱外科手術(shù)圍繞著保護(hù)脊髓這一重要的中樞神經(jīng)結(jié)構(gòu)使得脊柱外科成為一門精細(xì)度極高的學(xué)科。脊柱腫瘤外科作為脊柱外科領(lǐng)域重要部分，對(duì)于醫(yī)生對(duì)疾病的認(rèn)識(shí)，特別是解剖的熟悉和理解程度提出了嚴(yán)苛的要求。這也就導(dǎo)致了當(dāng)代脊柱腫瘤外科醫(yī)生培養(yǎng)的困難及稀缺。而3D打印技術(shù)作為現(xiàn)實(shí)的局部補(bǔ)充，在脊柱腫瘤手術(shù)術(shù)前設(shè)計(jì)方案，術(shù)中指導(dǎo)手術(shù)，理解術(shù)區(qū)解剖都有著重要的意義。

該文開創(chuàng)性的將兩種技術(shù)相結(jié)合，在以病例為基礎(chǔ)的教學(xué)模式（case-based learning，CBL）指導(dǎo)下，初步探索了運(yùn)用新型MR沉浸式課堂教育為主同時(shí)輔助以個(gè)性化3D打印模型局部增強(qiáng)的新型教學(xué)方法對(duì)于脊柱腫瘤外科年輕醫(yī)生培養(yǎng)的可行性，并取得了良好的效果。通過混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)本身無語倫比的代入能力，使學(xué)生能夠完全沉浸于教學(xué)環(huán)境中，更為直觀地觀察局部解剖結(jié)構(gòu)及組織毗鄰關(guān)系，配合教員的講解，更易理解，并且使學(xué)習(xí)更具有趣味性，學(xué)生主動(dòng)獲取知識(shí)，更為快速深刻的理解記憶知識(shí)點(diǎn)。同時(shí)輔助個(gè)性化的3D打印模型能夠使學(xué)生在看見之余觸摸到各種結(jié)構(gòu)，使得視覺、聽覺及觸覺相結(jié)合，便于細(xì)節(jié)的掌握并加深理解。相較于在傳統(tǒng)實(shí)物模型上實(shí)施手術(shù)操作難以反復(fù)進(jìn)行，虛擬世界為學(xué)生提供了在安全環(huán)境下快速反復(fù)進(jìn)行同一手術(shù)操作的可能，教學(xué)效果更為顯著。同時(shí)實(shí)物模型易損壞，保存攜帶困難的缺點(diǎn)在虛擬數(shù)據(jù)世界也得到了徹底解決，只需備份數(shù)據(jù)便能輕松攜帶，甚至可以通過數(shù)據(jù)傳輸將課堂實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程傳遞。

綜上所述，通過這種虛擬+局部增強(qiáng)的教學(xué)課堂改革，很好地克服了傳統(tǒng)脊柱腫瘤外科教學(xué)中因?yàn)橹R(shí)晦澀難懂，課堂枯燥乏味而難以吸引學(xué)生注意力，以及脊柱腫瘤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，課堂上學(xué)生聯(lián)想理解困難的缺點(diǎn)，為脊柱腫瘤外科研究生教學(xué)及年輕醫(yī)生的培養(yǎng)提供了更為直觀有吸引力的方法，值得進(jìn)一步優(yōu)化推廣。

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（收稿日期：2020-04-27）

[基金項(xiàng)目] 國(guó)家自然科學(xué)基金（81702658），上海長(zhǎng)征醫(yī)院轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)孵育基金項(xiàng)目（2018CZZH08）。

[作者簡(jiǎn)介] 張丹（1988-），男，博士，主治醫(yī)師，研究方向：骨腫瘤的診治及其發(fā)生發(fā)展的機(jī)制研究。

[通信作者] 肖建如（1963-），男，博士，教授，研究方向：骨腫瘤的診治及其發(fā)生發(fā)展的機(jī)制研究，E-mail：jianruxiao83@163.com。