多模態(tài)影像融合+增強現(xiàn)實技術在神經(jīng)外科住院醫(yī)師規(guī)范化培訓PBL教學中的應用

梁 晨，李 擴，牛 晨，魏 婷，高 珊，李瑞春，杜昌旺，郭世文

西安交通大學第一附屬醫(yī)院：1.神經(jīng)外科；2.醫(yī)學影像科；3.眼科， 西安 710061

住院醫(yī)師規(guī)范化培訓是醫(yī)學教育的重要組成部分[1]，旨在通過規(guī)范化、系統(tǒng)化的培訓，使醫(yī)學生成為具有良好的職業(yè)道德、扎實的醫(yī)學理論知識和臨床技能，以及能獨立、規(guī)范地承擔所學專業(yè)常見多發(fā)疾病診療工作的臨床醫(yī)師，對于醫(yī)學生畢業(yè)后臨床能力及整體醫(yī)療質(zhì)量的提升具有極為重要的意義[2]。相比其他學科，神經(jīng)外科由于其涉及病種的復雜性及診療手段的特殊性，對從業(yè)醫(yī)師的基礎理論水平及臨床操作技能有更高的要求[3]，也對神經(jīng)外科住院醫(yī)師規(guī)范化培訓教學提出了巨大挑戰(zhàn)?；趩栴}的學習(pro- blem-based learning，PBL)教學模式是近年來國內(nèi)逐步興起的一種全新的醫(yī)學教學模式，它以學生為主體，以問題為導向，相比傳統(tǒng)教學模式，能更好地激發(fā)學生學習的主觀能動性，提高學生解決實際問題的能力[4]。隨著科技的發(fā)展，多模態(tài)影像融合(multi-mod- ality image fusion，MMIF)及增強現(xiàn)實(augmented rea- lity，AR)等新技術越來越多地被應用于神經(jīng)外科臨床實踐，基于前期的臨床及教學實踐，筆者創(chuàng)新性地提出將MMIF及AR技術結(jié)合PBL教學模式應用到神經(jīng)外科住院醫(yī)師規(guī)范化培訓中，旨在充分發(fā)揮不同技術的優(yōu)勢，探索更加有效的現(xiàn)代神經(jīng)外科教學模式，以提升神經(jīng)外科住院醫(yī)師規(guī)范化培訓臨床教學效果。

1 研究對象與方法

該研究選取2016年10月—2020年7月在西安交通大學第一附屬醫(yī)院神經(jīng)外科輪轉(zhuǎn)的神經(jīng)外科專業(yè)住院醫(yī)師規(guī)范化培訓學員40人，隨機分為試驗組和對照組，每組各20人。

1.2.1教學組織形式

①試驗組教師以臨床真實病例為基礎，通過MM- IF構(gòu)建病灶及周圍解剖結(jié)構(gòu)的可視化三維模型，直觀展現(xiàn)顱內(nèi)病變與周圍組織結(jié)構(gòu)(如血管、顱神經(jīng)、重要腦功能區(qū))之間的位置關系(如圖1A所示)，讓學員更好地理解顱內(nèi)病變引起的相應癥狀、體征、解剖及病理學基礎，并在此基礎上設計相關問題。學員充分利用PBL教學的特點，以小組為單位圍繞問題采用各種渠道進行資料收集，開展獨立探索，在這一過程中掌握該疾病相關的解剖、病理及病理生理基礎知識以及診斷要點和治療原則。在訓練學員解決有關手術方案規(guī)劃的問題上，教師將MMIF技術構(gòu)建的顱內(nèi)病灶可視化三維模型利用AR技術與患者頭部真實影像相融合(如圖1B所示)，使學員能夠更加直觀地觀察顱內(nèi)病變的位置、大小，并以此為依據(jù)查閱資料、規(guī)劃手術方案。在手術操作教學中，手術開始前教師根據(jù)手術的操作重點步驟及注意事項設計相關問題；術中教師利用AR技術將MMIF構(gòu)建的病灶圖像與術區(qū)真實影像融合(如圖1C所示)，學員作為助手全程參與手術，使學員在手術進程中能直觀地體會相應手術入路的特點及手術操作技巧；術后學員以自身參與手術的體會結(jié)合查閱資料，通過小組討論解決相應問題，提高手術操作能力。

圖1 MMIF+AR技術實現(xiàn)顱內(nèi)病灶可視化及體表精確定位

②對照組在教學過程的組織形式上與試驗組類似，采用標準的PBL教學流程，教師以真實病例為基礎提出臨床問題，但不提供可視化三維模型及增強現(xiàn)實影像融合，學員圍繞問題進行資料收集及討論。

1.2.2效果評價

該研究通過問卷調(diào)查、理論知識考核以及模擬手術方案規(guī)劃進行教學效果評估：①問卷調(diào)查采用無記名方式回答關于教學模式的問題，包括三個方面：是否有助于其激發(fā)學習興趣、是否有助于訓練臨床思維及提高解決實際臨床問題的能力、是否有助于提高手術方案規(guī)劃能力及手術操作能力。②理論知識考核針對臨床涉及的解剖、病理生理、診斷及治療設計題目，均為客觀題。按題型：單選題20個，每題3分，共60分；多選題10個，每題4分，共40分。按考核內(nèi)容：解剖相關題目為42分，病理生理相關題目為10分，診斷及治療相關題目為48分。滿分為100分。③模擬手術方案規(guī)劃要求學員在患者術前自行選擇手術入路并設計手術切口，教師對學員選擇的手術入路及設計的手術切口進行評分，分為優(yōu)秀(設計手術切口完全滿足手術要求)、良好(設計手術切口大致滿足手術要求)、一般(設計手術切口難以滿足手術要求)三等。

2 結(jié)果

試驗組20位學員中，男性17人(85%)，女性3人(15%)，平均年齡(24.7±1.30)歲；對照組20位學員中，男性19人(95%)，女性1人(5%)，平均年齡(24.9±0.97)歲。兩組學員性別(χ2=0.278，P=0.598)及年齡(t=-0.551，P=0.585)分布均無統(tǒng)計學差異。

試驗組有20位(100%)學員認為MMIF及AR技術結(jié)合PBL有助于激發(fā)學習興趣，而對照組有15位(75%)學員認為所在組的教學方法能夠激發(fā)學習興趣，兩組比較差異具有統(tǒng)計學意義(P=0.047)；試驗組有17位(85%)學員認為MMIF及AR技術結(jié)合PBL教學模式有助于其訓練臨床思維及提高解決實際臨床問題的能力，這一比例與對照組16位(80%)相當，兩組的差異無統(tǒng)計學意義(P=1.000)；試驗組有19位(95%)學生認為MMIF及AR技術結(jié)合PBL教學模式對其提高手術方案規(guī)劃能力及手術操作能力具有很大幫助，而對照組僅有10位(50%)學員認為所在組的訓練方法在此方面有幫助，兩組的差異具有統(tǒng)計學意義(χ2=10.157，P=0.001)，如表1所示。

表1 兩組學員對不同教學模式教學效果評價的問卷調(diào)查結(jié)果

試驗組學員理論知識考核平均得分為(90.20±8.43)，對照組學員理論知識考核平均得分為(87.95±8.92)，兩組比較差異無統(tǒng)計學意義(t=0.820，P=0.418)。

在模擬手術方案規(guī)劃評價中，試驗組有15位(75%)學員為優(yōu)秀，對照組有5位(25%)學員為優(yōu)秀，試驗組優(yōu)秀率明顯高于對照組，兩組的差異具有統(tǒng)計學意義(χ2=10.000，P=0.002)。

3 討論

傳統(tǒng)的神經(jīng)外科教學模式以教師口頭講述為主要教學手段，以專業(yè)書籍、仿真模型、手術錄像、大體標本等為主要教學工具[5]。在這種教學模式下，學員在整個知識傳播體系中多處于被動接受的地位，難以調(diào)動學習積極性，也不利于學員掌握學科前沿知識及培養(yǎng)解決實際問題能力[6]。在以問題為導向的PBL教學模式中，教師通過設計與臨床相關的一系列問題，引導學生通過資料收集、整理、討論的方式在解決問題的過程中逐步掌握相關知識要點，不僅能調(diào)動學生的學習主動性，也能提升學生運用所學知識解決實際問題的能力，是培養(yǎng)新世紀醫(yī)學科技人才的重要方法，對培養(yǎng)自我思考能力、自我實現(xiàn)能力和自我創(chuàng)新能力具有重要意義[7]。將PBL教學模式引入住院醫(yī)師規(guī)范化培訓臨床教學當中，通過以問題為導向的學習，培養(yǎng)學員自主學習、主動思考的能力，在解決問題的過程中掌握相關專業(yè)知識，能夠有效提升學員的學習效率；但是，由于神經(jīng)系統(tǒng)解剖及功能的復雜性，神經(jīng)系統(tǒng)疾病一直以來都是臨床教學的難點[8]。在教學實踐中我們發(fā)現(xiàn)，住院醫(yī)師規(guī)范化培訓學員接觸神經(jīng)外科專業(yè)時間尚短，難以短時間內(nèi)通過影像資料等二維信息在頭腦中形成對疾病的全面具體印象，因此影響規(guī)培學員在疾病的診斷、治療方案的選擇及規(guī)劃手術方案方面形成自己的見解，不利于學員臨床診療水平的提高；而傳統(tǒng)的PBL教學模式應用于神經(jīng)外科住院醫(yī)師規(guī)范化培訓時，神經(jīng)解剖及疾病定性、定位診斷仍然是教學的“瓶頸”問題：因此，為了更好地滿足神經(jīng)外科專業(yè)住院醫(yī)師規(guī)范化培訓臨床教學的需求，傳統(tǒng)的PBL教學模式也需要進行一些針對性的改良。

MMIF技術是指通過將CT、CTA、MRI等多種模態(tài)的影像學檢查數(shù)據(jù)利用計算機技術進行數(shù)字化綜合處理，將不同組織結(jié)構(gòu)的圖像進行三維重建及重組融合，從而實現(xiàn)顱腦結(jié)構(gòu)的三維可視化，用來模擬正常的顱腦解剖以及手術入路，輔助醫(yī)學診斷及治療。AR技術被定義為由計算機生成的，將集成信息與現(xiàn)實環(huán)境相融合的實時交互系統(tǒng)。該技術可以將攝像頭采集的真實圖像與計算機生成的虛擬圖像實時地疊加到同一個畫面中，從而將真實世界中無法觀察到的結(jié)構(gòu)直觀地顯示出來，實現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實的統(tǒng)一。以上兩種技術在解剖結(jié)構(gòu)的三維可視化、手術方式的選擇與手術路徑規(guī)劃等方面顯示出強大的優(yōu)勢，被越來越廣泛地運用于神經(jīng)外科臨床診治中[9-10]。在前期的研究中，我們利用MMIF及AR技術，實現(xiàn)了顱內(nèi)病灶的可視化精準定位，相比傳統(tǒng)定位方法，病灶的定位精確度大幅提升[11]。有學者嘗試將MMIF技術應用于醫(yī)學臨床教學，收到了較為滿意的教學效果[12]。而將MM- IF+AR技術運用于神經(jīng)外科專業(yè)住院醫(yī)師規(guī)范化培訓PBL教學中，則是一次全新的嘗試。在MMIF+AR技術結(jié)合PBL教學模式中，教學的組織形式嚴格按照PBL教學規(guī)范進行，PBL教案的編寫、問題的設計、學員分組等均符合PBL教學要求。MMIF+AR技術的加入，實現(xiàn)了理論教學及實踐過程中大量涉及的神經(jīng)解剖概念的可視化，大大降低學員的學習難度，提升了學員的體驗感和對知識的接受程度，也能有效提高PBL教學的整體效果。該研究還發(fā)現(xiàn)，MMIF+AR技術結(jié)合PBL教學模式能顯著激發(fā)學員的學習興趣，尤其在提高學員手術方案規(guī)劃能力方面具有顯著的優(yōu)勢，這可能正是由于MMIF+AR技術解決了神經(jīng)解剖及疾病定性、定位診斷這一“瓶頸”問題而實現(xiàn)的。

綜上所述，MMIF+AR技術結(jié)合PBL教學模式在神經(jīng)外科專業(yè)住院醫(yī)師規(guī)范化培訓臨床教學中具有一定的優(yōu)勢，可作為一種有益探索，為神經(jīng)外科臨床教學改良提供新的思路。