基于三維可視化技術(shù)的外科教學(xué)研究

竇 樂(lè), 孟陽(yáng)陽(yáng), 劉 敏, 劉文蘊(yùn), 孫曉東, 陳玉國(guó), 滕 巖, 邱冬冬, 紀(jì)鐵鳳, 張 磊

(吉林大學(xué) 第一醫(yī)院, 長(zhǎng)春 130021)

0 引 言

計(jì)算機(jī)三維可視化技術(shù)是指利用計(jì)算機(jī)技術(shù)再現(xiàn)三維物體， 并使用各種方式展現(xiàn)其所包含的復(fù)雜信息, 使其擁有實(shí)時(shí)交互能力的可視化技術(shù), 其包括三維(3D： Three-Dimensional)打印、 3D虛擬模型、 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR： Augmented Reality)技術(shù)和混合現(xiàn)實(shí)(MR： Mixed Reality)技術(shù)等。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和三維技術(shù)的蓬勃發(fā)展， 上述技術(shù)已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)相關(guān)領(lǐng)域， 尤其在醫(yī)學(xué)教育方面取得了很好的效果, 具有廣闊的應(yīng)用前景。 肝臟解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 變異率高， 其外科手術(shù)術(shù)式繁多， 一直是肝臟外科教學(xué)的難點(diǎn)。 傳統(tǒng)的肝臟外科教學(xué)方法采用解剖圖譜， 肝臟模具講解及手術(shù)教學(xué)視頻等， 學(xué)生往往感到抽象， 難以理解和掌握[1-4]。 近年來(lái)， 迅猛發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)與醫(yī)學(xué)相結(jié)合， 肝臟的三維可視化技術(shù)(3DV: Three-Dimensional Visualization)應(yīng)運(yùn)而生， 它可以精確的顯示肝臟、 病灶的立體解剖結(jié)構(gòu)， 病灶與肝內(nèi)脈管的毗鄰關(guān)系， 模擬肝臟手術(shù)切除， 為肝臟外科教學(xué)提供了新的方法和手段。 患者安全和醫(yī)學(xué)培訓(xùn)的平衡一直備受關(guān)注。 經(jīng)驗(yàn)不足的操作者導(dǎo)致的并發(fā)癥發(fā)病率可達(dá)4%～7%[5]。 而提前在高還原度的虛擬模型上進(jìn)行手術(shù)操作訓(xùn)練， 掌握手術(shù)技巧， 能大大減少患者術(shù)后并發(fā)癥[6]。 有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道： 使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)培訓(xùn)的人員比使用傳統(tǒng)技術(shù)的人員執(zhí)行操作的速度快29%， 明顯縮短了手術(shù)時(shí)間[7]。 同時(shí)， 虛擬手術(shù)練習(xí)不受標(biāo)本資源、 配套處理和場(chǎng)地限制， 練習(xí)和培訓(xùn)成本大大降低[8]。隨著5G時(shí)代的到來(lái)， 遠(yuǎn)程會(huì)議會(huì)診、 手術(shù)指導(dǎo)、 機(jī)械控制等場(chǎng)景都有可能得到實(shí)現(xiàn)[9]。因此, 混合現(xiàn)實(shí)(MR: Mixed Reality)技術(shù)可以通過(guò)與5G網(wǎng)絡(luò)結(jié)合， 更加逼真地把外科手術(shù)技術(shù)分享到各地。 這將大大提升全國(guó)的醫(yī)療教學(xué)水平。 因此， 筆者提出一種利用三維可視化技術(shù)結(jié)合傳統(tǒng)教學(xué)方法， 提高學(xué)生的認(rèn)知水平， 學(xué)習(xí)效率， 達(dá)到更好的學(xué)習(xí)目標(biāo)。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取吉林大學(xué)白求恩醫(yī)學(xué)部2015年5年制臨床本科學(xué)生90名為研究對(duì)象， 隨機(jī)分為實(shí)驗(yàn)組(n=45)及對(duì)照組(n=45)。 實(shí)驗(yàn)組學(xué)生年齡范圍22～24歲， 平均年齡(23.6)歲， 男女比例為12 ∶23； 對(duì)照組學(xué)生年齡范圍22～24歲， 平均年齡(23.2)歲， 男女比例為11 ∶24。 兩組學(xué)生在年齡、 性別及平時(shí)學(xué)習(xí)成績(jī)方面差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義, 且均未學(xué)習(xí)及應(yīng)用過(guò)三維可視化影像系統(tǒng)。

1.2 教學(xué)方法

本研究為隨機(jī)對(duì)照研究， 將受試學(xué)生隨機(jī)分為實(shí)驗(yàn)組及對(duì)照組。 教學(xué)授課過(guò)程中， 實(shí)驗(yàn)組及對(duì)照組均接受傳統(tǒng)方法教學(xué)， 實(shí)驗(yàn)組目前還接受三維可視化教學(xué)。 傳統(tǒng)方法教學(xué)及三維可視化教學(xué)都由主治醫(yī)師(任職5年以上)授課。

1.2.1 傳統(tǒng)教學(xué)對(duì)照組

以《系統(tǒng)解剖學(xué)》、 《局部解剖學(xué)》、 《斷層解剖學(xué)》、 《影像診斷學(xué)》、 《診斷學(xué)》及《外科學(xué)》等教材為基礎(chǔ)對(duì)受試學(xué)生進(jìn)行傳統(tǒng)授課。 教學(xué)形式包括臨床知識(shí)講授及PPT授課、 模擬教學(xué)查房、 觀看手術(shù)視頻和實(shí)踐學(xué)習(xí)。 其中臨床知識(shí)講授及PPT授課內(nèi)容包括經(jīng)典肝臟大體解剖及斷層解剖、 肝臟腫瘤影像檢查及實(shí)驗(yàn)室檢查、 臨床診斷及鑒別診斷、 手術(shù)方案制定規(guī)范、 術(shù)后并發(fā)癥和預(yù)后等知識(shí)； 模擬教學(xué)查房?jī)?nèi)容物包括病史詢問(wèn)， 體征檢查， 影像資料閱片， 分析實(shí)驗(yàn)室檢查， 做出臨床診斷及手術(shù)方案； 實(shí)踐學(xué)習(xí)則以小組為單位， 接診患者， 結(jié)合相關(guān)檢查， 做出臨床診斷并制定治療方案。

1.2.2 三維可視化實(shí)驗(yàn)組

在傳統(tǒng)教學(xué)方法基礎(chǔ)上, 采用Myrian軟件將原始肝臟計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT: Computed Tomography)或核磁共振(MR: Magnetic Resonance) 軸位圖像進(jìn)行三維可視化處理, 結(jié)合解剖教材、 薄層影像圖像(醫(yī)院影像歸檔和通訊系統(tǒng)(PACS: Picture Archiving and Communication Systems)提供)及相應(yīng)三維可視化圖形進(jìn)行解剖授課, 并于Myrian軟件上對(duì)肝臟三維圖形進(jìn)行手術(shù)模擬教學(xué), 具體方法如下。

將經(jīng)典肝臟解剖的原始CT或MR圖像進(jìn)行三維可視化重建， 重建圖像應(yīng)具有： 1) 根據(jù)Couinaud分葉分段的肝臟模型； 2) 肝動(dòng)脈系統(tǒng)； 3) 門靜脈系統(tǒng)； 4) 肝靜脈系統(tǒng)； 5) 其他重要的毗鄰組織器官。 根據(jù)上述的重建結(jié)構(gòu)對(duì)學(xué)生進(jìn)行解剖講解， 并于原始CT或MR圖像上辨認(rèn)出相應(yīng)的解剖結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1)， 再依據(jù)教材對(duì)解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行文字注釋。 通過(guò)上機(jī)實(shí)際操作， 學(xué)生以圖形及文字方式對(duì)肝臟解剖反復(fù)深刻理解記憶。 然后以同樣的方法對(duì)肝臟常見(jiàn)解剖變異進(jìn)行操作學(xué)習(xí)。

利用Myrian軟件進(jìn)行肝臟腫瘤模擬手術(shù)操作， 詳細(xì)解說(shuō)不同部位肝臟腫瘤所使用的不同手術(shù)方法(見(jiàn)圖2)， 并給出術(shù)后斷面及所需要離斷的肝內(nèi)管道及注意事項(xiàng)。 最后給出模擬手術(shù)及相對(duì)應(yīng)真實(shí)手術(shù)效果。

圖1 肝中靜脈(綠色)在軸位像、 冠狀位像、 矢狀位像及重建圖像上的顯示

a 顯示肝右葉前段占位性病變 b 軟件模擬切除肝右葉前段效果圖 c 同一患者實(shí)際手術(shù)切除圖像

1.3 教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)

教學(xué)評(píng)估包括基礎(chǔ)理論考核、 影像學(xué)考核(CT、 MR閱片)、 術(shù)前評(píng)估及問(wèn)卷調(diào)查。 基礎(chǔ)理論考試采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化試卷， 試卷內(nèi)容包括肝臟及肝門解剖、 肝臟分葉及分段、 常見(jiàn)解剖變異、 常見(jiàn)肝臟腫瘤臨床及影像表現(xiàn)、 肝臟腫瘤診斷及鑒別診斷、 治療原則及術(shù)后并發(fā)癥。 影像學(xué)考核主要考察學(xué)生CT、 MR閱片能力， 內(nèi)容包括肝臟重要結(jié)構(gòu)斷層解剖、 分葉分段、 腫瘤影像(考慮腫瘤定位、 形態(tài)、 毗鄰、 CT/MR影像表現(xiàn))、 診斷及鑒別診斷等。 術(shù)前評(píng)估制定考核方法如下， 提供一份完整病歷， 讓學(xué)生做出臨床診斷及相應(yīng)手術(shù)方案， 并列出支持其判斷的依據(jù)。 學(xué)生綜合成績(jī)=基礎(chǔ)理論考核成績(jī)+影像學(xué)考核成績(jī)+術(shù)前評(píng)估考核成績(jī)， 其中基礎(chǔ)理論考核成績(jī)占40%， 影像學(xué)考核成績(jī)占30%， 術(shù)前評(píng)估考核成績(jī)占30%， 綜合成績(jī)90分以上為優(yōu)秀， 60分為合格。 問(wèn)卷調(diào)查對(duì)象為學(xué)生， 調(diào)查問(wèn)卷內(nèi)容包括教學(xué)內(nèi)容是否調(diào)動(dòng)積極性， 知識(shí)點(diǎn)是否容易掌握， 是否提高學(xué)習(xí)效率， 教學(xué)課程是否合理， 教學(xué)效果是否有利于未來(lái)工作及滿意度等。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

2 結(jié) 果

2.1 基礎(chǔ)理論考核

兩組學(xué)生均完成全部學(xué)習(xí)課程， 實(shí)驗(yàn)組學(xué)生肝臟外科基礎(chǔ)理論考試成績(jī)平均分為37.0分， 對(duì)照組學(xué)生基礎(chǔ)理論考試成績(jī)平均分為36.4分， 兩組相比， 差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。

2.2 影像學(xué)考核

實(shí)驗(yàn)組影像學(xué)考核成績(jī)平均分為24.5分， 對(duì)照組影像學(xué)考核成績(jī)平均分為21.6分， 實(shí)驗(yàn)組影像學(xué)考核成績(jī)明顯好于對(duì)照組， 差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。

2.3 術(shù)前評(píng)估考核

實(shí)驗(yàn)組學(xué)生術(shù)前評(píng)估考核成績(jī)平均分為23.8分， 對(duì)照組學(xué)生術(shù)前評(píng)估考核成績(jī)平均分為20.6分， 兩組成績(jī)相比， 實(shí)驗(yàn)組成績(jī)優(yōu)于對(duì)照組成績(jī)， 差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。

表1 兩組學(xué)生考核成績(jī)對(duì)比表(分，

2.4 綜合成績(jī)分析

實(shí)驗(yàn)組學(xué)生綜合成績(jī)?nèi)考案瘢?其中成績(jī)優(yōu)秀者15人(33.3%)； 對(duì)照組學(xué)生綜合成績(jī)?nèi)考案瘢?其中成績(jī)優(yōu)秀者11人(24.4%)。 實(shí)驗(yàn)組學(xué)生綜合成績(jī)優(yōu)秀率高于對(duì)照組， 差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。

2.5 調(diào)查問(wèn)卷結(jié)果

為了解學(xué)生對(duì)不同教學(xué)方法的評(píng)價(jià)， 共發(fā)放調(diào)查問(wèn)卷90份， 并全部回收， 有效回收率100%。 調(diào)查結(jié)果顯示， 實(shí)驗(yàn)組學(xué)生對(duì)可視化教學(xué)方法滿意度為98%， 對(duì)照組學(xué)生對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)方法滿意度為70%， 差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。

3 討 論

3.1 肝臟傳統(tǒng)教學(xué)難點(diǎn)

從接觸醫(yī)學(xué)到成長(zhǎng)為一名合格的肝臟外科醫(yī)生是一個(gè)漫長(zhǎng)過(guò)程， 本科醫(yī)學(xué)教育、 臨床實(shí)習(xí)、 專科培養(yǎng)到臨床工作環(huán)環(huán)相扣， 而進(jìn)入臨床工作前的肝臟外科培訓(xùn)教學(xué)極其重要。 肝臟是人體最大的實(shí)質(zhì)臟器， 解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜且變異繁多， 影像學(xué)圖像復(fù)雜， 肝臟外科手術(shù)方式多樣， 臨床注意事項(xiàng)林立， 一直是教學(xué)過(guò)程中的難點(diǎn)。

傳統(tǒng)教學(xué)多以教師為中心， 與學(xué)生互動(dòng)多以問(wèn)答形式， 缺乏交互， 所以學(xué)生對(duì)醫(yī)學(xué)學(xué)習(xí)多有刻板印象， 缺乏學(xué)習(xí)積極性。 理論無(wú)法與實(shí)踐操作密切聯(lián)系， 所授知識(shí)只是抽象、 枯燥的文字堆砌， 學(xué)生缺乏理解記憶， 容易遺忘， 學(xué)習(xí)效率低下。 二維圖像解剖圖譜、 肝臟模具講解以及尸體標(biāo)本是傳統(tǒng)肝臟解剖教學(xué)工具， 其中解剖圖譜以二維圖像演示肝臟立體解剖圖形， 需要有良好的空間想象能力， 對(duì)初學(xué)者難度較大， 高質(zhì)量教學(xué)模具成本昂貴， 交互性差， 且大部分肝臟模具功能在設(shè)計(jì)時(shí)就已經(jīng)固定， 而尸體標(biāo)本來(lái)源匱乏， 不易實(shí)施[10]。 二維的肝臟CT、 MR及超聲圖像是獲取患者肝臟解剖及病灶信息的重要來(lái)源， 傳統(tǒng)實(shí)習(xí)教學(xué)往往生硬地指出肝臟解剖及病灶信息， 初學(xué)者檢查圖像辨識(shí)度及理解能力差， 對(duì)肝臟及其重要脈管結(jié)構(gòu)、 病灶、 病灶與毗鄰結(jié)構(gòu)的關(guān)系難以形成立體構(gòu)象， 應(yīng)用于臨床外科治療更無(wú)從談起。 總而言之， 肝臟外科傳統(tǒng)教育效果差， 效率低， 學(xué)生學(xué)習(xí)及掌握難度大。

3.2 三維可視化在肝臟外科教學(xué)中的應(yīng)用

得益于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展和圖像處理技術(shù)的進(jìn)步， 三維重建技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。 三維重建是指對(duì)三維物體建立適合計(jì)算機(jī)表示和處理的數(shù)學(xué)模型， 是在計(jì)算機(jī)環(huán)境下對(duì)其進(jìn)行處理、 操作和分析的技術(shù)[11]， 能用三維形體標(biāo)示復(fù)雜的信息。 通過(guò)對(duì)CT掃描采集的平面圖像進(jìn)行羅列堆積組合， 將數(shù)據(jù)信息進(jìn)行選擇和重組， 構(gòu)成一個(gè)立體的信息集合體， 將傳統(tǒng)的斷面圖像轉(zhuǎn)化為立體三維模型[12-13]， 肝臟三維可視化就是其眾多臨床應(yīng)用之一。 肝臟三維可視化技術(shù)， 以其強(qiáng)大的空間結(jié)構(gòu)顯示能力， 在顯示肝臟復(fù)雜解剖以及解決相關(guān)臨床問(wèn)題(如術(shù)前評(píng)估及手術(shù)方案指導(dǎo))有著巨大的優(yōu)勢(shì)， 對(duì)外科臨床工作及教學(xué)均大有裨益， 本研究結(jié)果充分說(shuō)明了這一點(diǎn)。

使用三維可視化軟件， 重建清晰的肝臟三維立體圖形， 并可以進(jìn)行諸多后處理操作， 實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互， 教學(xué)方式新穎， 提高了學(xué)習(xí)積極性， 與傳統(tǒng)教學(xué)方法相比， 有如下優(yōu)勢(shì)。 1) 立體圖像空間感及可視性更強(qiáng), 通過(guò)旋轉(zhuǎn)、 放大縮小、 任意斷面顯示操作， 可以全方位、 細(xì)節(jié)的觀察解剖結(jié)構(gòu), 生動(dòng)形象, 對(duì)于解剖變異一目了然。 2) 可以通過(guò)定位的方法， 將某一立體結(jié)構(gòu)定位到相應(yīng)CT、 MR圖像中， 幫助理解二維圖像中的肝臟解剖結(jié)構(gòu)， 提高閱片能力。 3) 可以隨意調(diào)取我們所想要觀察的立體圖形， 通過(guò)透明化處理、 篩選、 隱藏等多種操作可以單獨(dú)顯示肝實(shí)質(zhì)、 肝動(dòng)脈系統(tǒng)、 門靜脈系統(tǒng)、 肝靜脈系統(tǒng)等， 并可以任意組合， 以上這些操作傳統(tǒng)二維圖像無(wú)法實(shí)現(xiàn)。 4) 更易于理解Couinaud分葉分段的肝臟模型。 肝臟分葉分段主要依靠肝內(nèi)兩組重要的脈管系統(tǒng)， Glisson系統(tǒng)和肝靜脈系統(tǒng)， 前者包括肝動(dòng)脈入肝血管、 門靜脈和出肝的肝膽管， 肝臟可視化軟件根據(jù)兩組脈管系統(tǒng)在肝內(nèi)的立體分布， 自動(dòng)或半自動(dòng)生成了相應(yīng)的肝葉肝段， 并以不同顏色在立體圖形及原始軸位圖像上顯示， 更容易理解記憶。 5) 手術(shù)方案指導(dǎo)及術(shù)前評(píng)估。 三維可視化分析軟件可以清晰地顯示病灶的大小、 形態(tài)、 與周圍重要結(jié)構(gòu)的關(guān)系， 模擬切除范圍進(jìn)而制定相應(yīng)的手術(shù)方案， 計(jì)算肝臟體積及預(yù)留肝體積， 提供重要的計(jì)量指標(biāo)， 幫助學(xué)生對(duì)肝臟外科手術(shù)的理解， 因?yàn)槭悄M操作， 避免真實(shí)手術(shù)并發(fā)癥， 且可以重復(fù)進(jìn)行， 加深記憶。 目前， 日本已經(jīng)將三維可視化虛擬肝切除應(yīng)用于臨床培訓(xùn)中， 且效果明顯[14-15]。

3.3 肝臟三維可視化教學(xué)的不足

本研究中肝臟外科三維可視化教學(xué)是在傳統(tǒng)教學(xué)基礎(chǔ)上進(jìn)行的， 單純肝臟三維可視化教學(xué)內(nèi)容無(wú)法涵蓋肝臟外科臨床教學(xué)所有內(nèi)容。 本實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)理論考核結(jié)果顯示， 雖然實(shí)驗(yàn)組成績(jī)高于對(duì)照組， 但實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組考核成績(jī)差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義， 與郝惠惠等[16]所報(bào)道的一致， 筆者認(rèn)為原因在于三維可視化可以使學(xué)生更容易理解肝臟解剖結(jié)構(gòu)以及肝臟結(jié)構(gòu)相關(guān)臨床知識(shí)點(diǎn)， 對(duì)于其他肝臟外科教學(xué)內(nèi)容則無(wú)明確促進(jìn)掌握的效果。 三維可視化教學(xué)需要掌握相應(yīng)軟件的使用， 提出新的教學(xué)方案， 增加了教學(xué)負(fù)擔(dān)。 三維可視化依賴原始二維圖像， 且無(wú)法替代后者， 操作過(guò)程難免出現(xiàn)人為誤差。

4 結(jié) 語(yǔ)

筆者提出了將三維可視化技術(shù)應(yīng)用于肝臟外科教學(xué)， 結(jié)合傳統(tǒng)教學(xué)方式, 筆者將大量文字性的表述及CT、 MR二維圖像轉(zhuǎn)化為更直觀的視覺(jué)模型。 通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果顯示， 利用三維技術(shù)結(jié)合傳統(tǒng)教學(xué)的方法可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性及學(xué)習(xí)效率， 大大降低學(xué)習(xí)難度， 提高學(xué)生的認(rèn)知水平， 教學(xué)效果良好， 是傳統(tǒng)肝臟外科教學(xué)的強(qiáng)有力輔助手段， 為今后肝臟外科教學(xué)提供了參考和方向。