增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合模擬人應(yīng)用于骨科臨床教學(xué)的效果分析

李 佳，王 茜，劉 真，曹芳芳，張 巍

（1.解放軍總醫(yī)院骨科醫(yī)學(xué)部/國家骨科與運(yùn)動(dòng)康復(fù)臨床醫(yī)學(xué)研究中心，北京 100853；2.解放軍京南醫(yī)療區(qū)，北京 100161）

骨科疾病是常見多發(fā)疾病。特別對于骨折治療來說，按骨折位置、分型等分型，手術(shù)治療方法可達(dá)上千種。因此，成為優(yōu)秀的創(chuàng)傷骨科醫(yī)生需要大量系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化的教學(xué)培訓(xùn)。傳統(tǒng)授課教學(xué)方法僅通過圖片和講述授課，不僅成本高，同時(shí)難以達(dá)到滿意的治療效果。近年來，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展為改善傳統(tǒng)骨科教學(xué)模式的缺陷提供了新策略。因此，本文將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與模擬人相結(jié)和的教學(xué)模式應(yīng)用于的骨科臨床教學(xué)，并對其效果進(jìn)行評價(jià)探討。

1 對象與方法

1.1 教學(xué)準(zhǔn)備

1.1.1 建立病例三維模型

從我院住院病例中選取老年肱骨近端骨折、股骨近端骨折各一例作為教學(xué)案例。將兩例病例影像資料原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入VisualVolume 三維重構(gòu)軟件系統(tǒng)，制作出骨折部位及周邊軟組織解剖結(jié)構(gòu)的三維模型。三維模型可通過佩戴Microsoft 公司的HoloLens 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡觀察。

1.1.2 模擬人體骨骼準(zhǔn)備

根據(jù)上一步重建的三維結(jié)構(gòu)，在相應(yīng)部位進(jìn)行顯示。

1.2 教學(xué)實(shí)施

教學(xué)實(shí)施前三天，將兩病例所有病歷及相關(guān)檢查報(bào)告、影像學(xué)圖片資料下發(fā)給兩組學(xué)生象，以便其熟悉病例情況。實(shí)驗(yàn)組：

1.2.1 建立病例增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)影像并進(jìn)行觀察

學(xué)生可以360 度旋轉(zhuǎn)、調(diào)整距離遠(yuǎn)近、縮放大小，可改變各個(gè)結(jié)構(gòu)的顏色以及透明度，同時(shí)可對不同部位進(jìn)行拆分，便于觀察細(xì)節(jié)信息；

1.2.2 多人交互模式

在同一網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中可多視角觀看、操作及討論；

1.2.3 通過對病例模型的全息影像多角度、多維度的反復(fù)觀察，了解病變的形態(tài)和位置。在討論制定合適的手術(shù)方案。

1.2.4 學(xué)生術(shù)前進(jìn)行模擬預(yù)手術(shù)操作，熟練手術(shù)流程及方案。

對照組：按照傳統(tǒng)規(guī)培教學(xué)方式進(jìn)行，根據(jù)現(xiàn)有病例資料以課堂形式進(jìn)行相關(guān)理論授課及病例討論。

1.3 教學(xué)效果評價(jià)

本研究從兩個(gè)方面進(jìn)行效果評價(jià)：教學(xué)考核（滿分100分）以及教學(xué)滿意度問卷調(diào)查。其中，教學(xué)滿意度通過問卷調(diào)查方式進(jìn)行。所有問卷統(tǒng)一發(fā)放收回，并分析結(jié)果。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

采用SPSS 20.0 軟件系統(tǒng)對獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，計(jì)數(shù)資料采用百分比表示，用χ2進(jìn)行檢驗(yàn)；計(jì)量資料采用（±s）表示，用t檢驗(yàn)，以P＜0.05 表示組間差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 教學(xué)考核結(jié)果

實(shí)驗(yàn)組學(xué)生成績?yōu)椋?9.05±8.82）分，對照組學(xué)生的成績?yōu)椋?2.45±14.92）分，實(shí)驗(yàn)組成績顯著高于傳統(tǒng)教學(xué)組，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=4.283，P<0.001）。

2.2 教學(xué)滿意度問卷調(diào)查結(jié)果

實(shí)驗(yàn)組學(xué)生滿意度為（97.05±8.5）分，對照組學(xué)生的滿意度為（83.3±10.5）分，實(shí)驗(yàn)組滿意度顯著高于傳統(tǒng)教學(xué)組，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=4.543，P<0.001）。

3 討論

骨科知識(shí)體系繁雜、手術(shù)治療方法術(shù)式多且有大量高難度手術(shù)。教學(xué)方法單一存在成本高、學(xué)習(xí)曲線長等缺點(diǎn)。如何通過改進(jìn)教學(xué)方法，取得更好的教學(xué)效果一直是骨科教學(xué)方面的難題。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是近年來飛速發(fā)展，由于其具有所具有的豐富認(rèn)知、突破時(shí)空、實(shí)時(shí)交互等優(yōu)勢，已經(jīng)在醫(yī)學(xué)教學(xué)領(lǐng)域有了一些應(yīng)用[1]。Halic 等借助增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，年輕醫(yī)師可在段時(shí)間內(nèi)學(xué)習(xí)解剖、手術(shù)設(shè)計(jì)與操作技巧、病理、生理及影像等知識(shí)，獲得與實(shí)際操作近乎一樣的培訓(xùn)效果，并能更深刻地理解理論知識(shí)與實(shí)踐[2]技巧。此外，借助增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，學(xué)生可以第一視角沉浸式地學(xué)習(xí)存儲(chǔ)在云端的手術(shù)操作視頻，并在自己動(dòng)手操作時(shí)，抬頭即可觀察老師的示范視頻，低頭即可繼續(xù)根據(jù)3D 虛擬圖像的融合，掌握準(zhǔn)確的解剖結(jié)構(gòu)，從而更安全、快捷地學(xué)習(xí)手術(shù)[3]。

耶魯大學(xué)的一項(xiàng)研究表明[4]，基于AR 技術(shù)進(jìn)行教學(xué)訓(xùn)練后，學(xué)員減少了30%的操作時(shí)間和85%的操作錯(cuò)誤。Stefan P 等[5]將該術(shù)用于C 型臂手術(shù)，將患者數(shù)據(jù)的3D 模型和C 型臂X 線成像技術(shù)相結(jié)合，比單純的X 線成像有更高的精確性，適用于初學(xué)者對手術(shù)的學(xué)習(xí)。

單純應(yīng)用模擬人輔助教學(xué)在傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)教學(xué)中已具有廣泛應(yīng)用，且可以顯著提高教學(xué)效果。但是，既往將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合模擬人的方法較少報(bào)道。這可能是因?yàn)閷Υ藨?yīng)用的內(nèi)科科室不需要手術(shù)治療，因此單純應(yīng)用模擬人/虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)已可實(shí)現(xiàn)較好的效果[6]。但是對于創(chuàng)傷骨科教學(xué)，其涉及到的手術(shù)入路、器材、技術(shù)等非常多，因此我們提出，應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合模擬人的方法提高教學(xué)效果。

本研究將模擬人與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，不僅有了實(shí)時(shí)視覺交互，使學(xué)生從不同角度的對解剖模型細(xì)節(jié)進(jìn)行細(xì)致觀察，還具有觸覺感知，能夠產(chǎn)生更強(qiáng)的真實(shí)性，讓學(xué)生通過看、聽、動(dòng)等多種方式更加全面的完成學(xué)習(xí)。與傳統(tǒng)教學(xué)模式相對比，這種新穎的教學(xué)方式不僅提高了學(xué)生的教學(xué)考試成績，還大幅提升了教學(xué)滿意度，使骨科教學(xué)變得簡單高效。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合模擬人的教學(xué)模式可以將臨床教學(xué)更加形象化和具體化，同時(shí)可以彌補(bǔ)教學(xué)條件中的不足，是信息化時(shí)代中教學(xué)改革的創(chuàng)新模式[7]。然而，該模式目前仍處于探索階段，當(dāng)前的技術(shù)支撐還存在諸多亟待改進(jìn)的方面。例如：軟硬件價(jià)格昂貴，無法模擬真實(shí)操作中的觸覺反饋以及對軟組織模擬效果欠佳等。而隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的日趨完善和成熟，在不就的將來這種新型的教學(xué)模式，也有望取得更好的效果[8]。

綜上所述，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合模擬人教學(xué)模式可以將虛擬畫面與真實(shí)世界相互融合，使臨床教學(xué)更加形象化和具體化，不僅可以彌補(bǔ)教學(xué)條件中的不足，還可以讓學(xué)生獲得更真實(shí)的操作體驗(yàn)。這種新型的教學(xué)方法不僅可以為骨科規(guī)范化教學(xué)的推進(jìn)提供參考，在其他醫(yī)學(xué)教學(xué)培訓(xùn)中也值得進(jìn)一步探索應(yīng)用。