顱腦解剖三維仿真系統(tǒng)構(gòu)建在神經(jīng)外科臨床教學(xué)中的應(yīng)用

唐勇 李翔 史巖 錢正庭 樊友武 吳鶴鳴

南京醫(yī)科大學(xué)附屬南京醫(yī)院（南京市第一醫(yī)院）神經(jīng)外科

臨床解剖學(xué)一直以來都被視為連接醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)理論與臨床實(shí)踐的必備橋梁和基礎(chǔ)課程之一。但是傳統(tǒng)的臨床解剖教學(xué)比較抽象，較難獲得自身體驗(yàn)感覺過程，存在許多臨床信息遺漏和掌握困難等問題。例如臨床教學(xué)講授過程中多使用書本的二維圖片或者教具模型，有條件的教研室也配備尸體解剖標(biāo)本作為教學(xué)輔助。但由于神經(jīng)解剖的立體抽象感，書本的二維圖片明顯缺乏對神經(jīng)系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確而詳細(xì)的描述；教具模型的選擇比二維圖片具有較好的空間解剖結(jié)構(gòu)，但對人體解剖的細(xì)節(jié)表達(dá)又存在一定的失真，且對于神經(jīng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部聯(lián)系關(guān)系也無法準(zhǔn)確表達(dá)；遺體捐獻(xiàn)者的尸體標(biāo)本是傳統(tǒng)臨床解剖學(xué)教學(xué)的必備教學(xué)資源之一，但是由于遺體捐獻(xiàn)政策的調(diào)整，尸體的供體源非常緊張，標(biāo)本來之不易，尸體解剖顯得尤為珍貴，導(dǎo)致臨床學(xué)生利用尸體標(biāo)本進(jìn)行神經(jīng)系統(tǒng)的全面觀察和解剖的機(jī)會也明顯減少。這些問題都導(dǎo)致了學(xué)生在神經(jīng)解剖學(xué)習(xí)過程中對神經(jīng)系統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu)理解程度降低，不利于學(xué)生對神經(jīng)外科解剖及手術(shù)相關(guān)知識的理解和掌握。近年來,三維仿真系統(tǒng)在科技工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1，2]，其定義是指利用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成的一個仿真并具有三維空間感知的虛擬環(huán)境，操作者可以依靠各種傳感設(shè)備在虛擬的操作環(huán)境中與實(shí)體相互作用的一種技術(shù)[3]。隨著三維仿真系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，如何通過計(jì)算機(jī)三維仿真技術(shù)解決以上神經(jīng)解剖教學(xué)矛盾成為神經(jīng)外科教學(xué)中的重點(diǎn)研究方向之一。通過數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù),應(yīng)用于醫(yī)學(xué)的三維重建軟件可將CT、MRI二維圖像轉(zhuǎn)化為虛擬三維模型以及以此為基礎(chǔ)建立三維仿真系統(tǒng),可將三維仿真系統(tǒng)應(yīng)用在神經(jīng)外科臨床教學(xué)中，可讓規(guī)培同學(xué)在教學(xué)中獲得生動直接的視覺感受[4]。三維神經(jīng)仿真系統(tǒng)技術(shù)可以使同學(xué)從各個方位仔細(xì)觀察神經(jīng)解剖結(jié)構(gòu)，還可以從腦組織和腦血管的不同層面、位置和角度顯示它們的形態(tài)、空間毗鄰位置關(guān)系。針對神經(jīng)外科的規(guī)培生對神經(jīng)系統(tǒng)的解剖知識難以掌握問題5，南京市第一醫(yī)院神經(jīng)外科嘗試將臨床顱底腫瘤患者的顱腦解剖實(shí)現(xiàn)三維仿真系統(tǒng)構(gòu)建，使神經(jīng)解剖學(xué)與三維仿真系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)科交叉融合,使學(xué)習(xí)者獲得更好的臨床教學(xué)的效果，提高臨床教學(xué)滿意度，加強(qiáng)了學(xué)生們對神經(jīng)外科解剖知識的認(rèn)識和理解，收到了較好的神經(jīng)外科規(guī)培教學(xué)效果，現(xiàn)將我們教學(xué)中的體會介紹如下：

一、資料與方法

1.研究對象：在南京市第一醫(yī)院神經(jīng)外科學(xué)習(xí)的規(guī)范化培訓(xùn)學(xué)生（共40人）。將學(xué)生隨機(jī)分為三維學(xué)習(xí)組和常規(guī)學(xué)習(xí)對照組（每組20人）。所有參與者完成知情同意數(shù)據(jù)采集，在性別、年齡、學(xué)科背景、課程學(xué)習(xí)等方面差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2.方法：兩組規(guī)培教師對1例顱底腦膜瘤的位置、大小、形態(tài)及腫瘤與周圍血管神經(jīng)關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)講解。常規(guī)學(xué)習(xí)組以幻燈和圖片講解為主，配合患者頭顱磁共振和CT影像資料，按照具體知識點(diǎn)進(jìn)行講解。三維仿真系統(tǒng)組采用三維虛擬仿真系統(tǒng)結(jié)合影像學(xué)資料進(jìn)行講解，具體如下：選取顱底腦膜瘤患者對其行三維薄層MRI平掃+增強(qiáng)，薄層CTA掃描，然后將綜合影像Dicom數(shù)據(jù)導(dǎo)入 MIMICS軟件進(jìn)行三維重建，生成微信二維碼，學(xué)生可通過手機(jī)掃描二維碼進(jìn)入三維仿真系統(tǒng)觀察顱底腫瘤解剖結(jié)構(gòu)，包括顱骨，腦組織，腦膜瘤及其周圍動靜脈等，并可使用Virtual Reality眼鏡對解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)增減、三維旋轉(zhuǎn)、調(diào)整和觀察（如圖1）。課堂教學(xué)時(shí)教師通過該系統(tǒng)教學(xué)實(shí)現(xiàn)顱腦區(qū)域和分層解剖的教學(xué)，通過虛擬解剖過程對顱腦和血管解剖結(jié)構(gòu)的特征細(xì)節(jié)以及相互之間的空間關(guān)系進(jìn)行講解。學(xué)生可通過虛擬系統(tǒng)對某個解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行有目的性的深入觀察和標(biāo)注，甚至模擬手術(shù)入路。

圖1.通過軟件可添加或減少解剖結(jié)構(gòu)，還可旋轉(zhuǎn)角度觀察

3.評價(jià)方式

教學(xué)結(jié)束后對兩組規(guī)培生進(jìn)行相應(yīng)臨床理論知識考核，內(nèi)容主要為填空題以及問答題，滿分為100分，內(nèi)容以臨床解剖教學(xué)內(nèi)容為主，同時(shí)采用自行設(shè)計(jì)的教學(xué)滿意調(diào)查問卷進(jìn)行調(diào)查，調(diào)查內(nèi)容：學(xué)生對神經(jīng)外科課程理解及喜愛重視程度比較，調(diào)查問卷集中在課后 10 分鐘發(fā)放填寫并于當(dāng)場回收。

4.統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

二、結(jié)果

1.出科理論考核成績：對兩組學(xué)生出科理論考核成績進(jìn)行比較，三維學(xué)習(xí)組學(xué)生理論知識考核成績明顯優(yōu)于常規(guī)學(xué)習(xí)對照組（P <0.05），如表1所示。

表1.兩組學(xué)生出科理論考核成績比較（n=40）（）

表1.兩組學(xué)生出科理論考核成績比較（n=40）（）

＊與對照組比較有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P<0.05）

2.教學(xué)滿意度調(diào)查結(jié)果：對兩組學(xué)生教學(xué)滿意度調(diào)查結(jié)果進(jìn)行比較，三維學(xué)習(xí)組除了在對教學(xué)方式的接受程度方面與對照組無明顯差異（P >0.05）外，在其他方面（能夠激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、有助于掌握理論知識、有助于手術(shù)觀摩時(shí)對手術(shù)入路的了解），三維學(xué)習(xí)組均優(yōu)于常規(guī)學(xué)習(xí)對照組（P <0.05），如表2所示。c2

表2 兩組學(xué)生教學(xué)滿意程度調(diào)查結(jié)果（n=20）n(%)

討論：解剖知識是所有醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)理論內(nèi)容，是基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教學(xué)中的重點(diǎn)之一。在神經(jīng)外科規(guī)培教學(xué)中，腦組織形態(tài)，血管走行及它們相互的空間結(jié)構(gòu)等都需要用到解剖知識。人類的知識記憶過程主要依靠自對外界的視、聽、讀，但其中90%以上信息主要來源于視覺和聽覺。但是由于規(guī)培學(xué)生通常只簡單掌握了書本理論知識，缺乏對神經(jīng)解剖的立體直觀概念，所以在臨床教學(xué)中很難將神經(jīng)解剖知識很好地進(jìn)行認(rèn)識和理解。而且傳統(tǒng)的解剖學(xué)教學(xué)之中，利用于課堂教學(xué)之用的人體解剖圖像通常是一種呈靜止?fàn)顟B(tài)并且保持在一個特定狀態(tài)的圖像，這一解剖圖像較難讓學(xué)生對人體解剖學(xué)變化產(chǎn)生詳細(xì)的理解，學(xué)生無法想象人體在患病之后，特定病變部位所產(chǎn)生的具體變化，以及產(chǎn)生對應(yīng)的認(rèn)知感，因此需要學(xué)生們發(fā)揮自身想象力來完善大部分的解剖變化內(nèi)容，在這種情況下所達(dá)到的課堂教學(xué)效果并不會非常樂觀。顱腦解剖結(jié)構(gòu)包括顱腦、神經(jīng)、血管解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，即使細(xì)微的結(jié)構(gòu)變化也可能在顱腦神經(jīng)疾病中出現(xiàn)重要的影響,這要求神經(jīng)外科醫(yī)生必須非常熟悉掌握顱腦相關(guān)解剖知識,具備良好的空間想象能力,才能達(dá)到精準(zhǔn)定位病灶，順利完成臨床診斷和外科手術(shù)。以往常規(guī)教學(xué)主要通過解剖圖譜或臨床教師的抽象語言描述，少數(shù)條件好的臨床解剖教研室可以利用模型和稀有的尸頭進(jìn)行現(xiàn)場教學(xué)，但規(guī)培生往往對相關(guān)解剖結(jié)構(gòu)在認(rèn)知中無法形成直觀生動的感性認(rèn)識，學(xué)習(xí)體驗(yàn)較差，效果欠佳[6，

7]。

重視將神經(jīng)解剖與神經(jīng)外科手術(shù)相關(guān)知識的整合優(yōu)化，讓神經(jīng)解剖知識有效的與神經(jīng)外科疾病、體征結(jié)合起來，形成學(xué)生們自己系統(tǒng)而完整的認(rèn)知概念，有利于他們對神經(jīng)外科學(xué)知識的理解、記憶及掌握。引入三維模型將大大幫助學(xué)生理解顱腦解剖。但在早期的三維模型需要教師來進(jìn)行制作，解剖教師會采用一些可塑泥或者塑料材料制作顱腦解剖學(xué)的模型。隨著數(shù)字化計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)在三維模型通常會通過計(jì)算機(jī)中的三維模型設(shè)計(jì)軟件來對顱腦解剖學(xué)的模型進(jìn)行構(gòu)建，三維仿真系統(tǒng)可以將通過影像融合技術(shù)將個體顱腦解剖結(jié)構(gòu)原比例地呈現(xiàn)出來，同時(shí)可以根據(jù)顱骨、血管、以及神經(jīng)的影像參數(shù)，按照不同的顏色反應(yīng)出來，立體地呈現(xiàn)在學(xué)習(xí)者面前，能夠?yàn)橛^看者提供更加形象而生動的神經(jīng)解剖描述，有的甚至可以將文字和圖片有機(jī)結(jié)合，使得知識圖文并茂，將使大腦更快速地做出視覺反應(yīng)。而且通過佩戴的Virtual Reality系統(tǒng)還可以在三維角度便捷地對顱腦進(jìn)行360度旋轉(zhuǎn)以及斷層、平移、縮放等操作,多角度全方位展示顱腦病灶的大小、位置，以及其與腦血管和神經(jīng)間毗鄰關(guān)系，從不同視角去觀察顱腦解剖結(jié)構(gòu)。這將顯著提高規(guī)培同學(xué)學(xué)習(xí)效率，通過對學(xué)生出科理論考試成績和對教學(xué)滿意程度的對照研究分析，可以得出以下結(jié)論：（1）與之前常規(guī)的基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)知識進(jìn)行對照，三維仿真系統(tǒng)將使規(guī)培學(xué)生對學(xué)科前沿知識理解更加深刻，作為規(guī)培新生的教學(xué)手段，更容易引起他們的興趣，提高他們的學(xué)習(xí)熱情和學(xué)習(xí)參與度，激發(fā)學(xué)生的積極性和主動性；（2）建立仿真的腦組織、顱骨、重要血管顱神經(jīng)走行、腫瘤與血管之間的毗鄰關(guān)系等多種解剖元素相結(jié)合的模型，使得神經(jīng)外科教學(xué)模型更加真實(shí)?？梢愿玫貛椭?guī)培同學(xué)形成良好且形象的解剖概念，為后期臨床手術(shù)操作熟練度打下基礎(chǔ),幫助同學(xué)更好地掌握理論知識，可提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力；（3）神經(jīng)外科疾病尤其是顱腦腫瘤疾病，通常腫瘤會將周圍的神經(jīng)和血管包繞或推擠等，即使低年資的住院醫(yī)師通過長時(shí)間的臨床手術(shù)觀摩也很難熟練和完整地掌握相關(guān)顱腦解剖知識點(diǎn)，同時(shí)由于神經(jīng)外科顯微操作使用顯微鏡導(dǎo)致的操作視角問題，學(xué)習(xí)者對解剖中的一些重要復(fù)雜結(jié)構(gòu)也很難觀察到。三維仿真系統(tǒng)應(yīng)用于復(fù)雜的顱底腦膜瘤模型建立，通過軟件系統(tǒng)建立的三維模型可以讓學(xué)習(xí)者在三維空間任意旋轉(zhuǎn)、剝離、覆蓋，從不同角度觀察和講解顱底腫瘤大小，腫瘤與周圍血管和神經(jīng)的關(guān)系，使得學(xué)習(xí)者得到更直觀的視覺效果，有利于他們形成空間概念，結(jié)合影像學(xué)閱片，將使學(xué)習(xí)者對于實(shí)際解剖與影像學(xué)之間的關(guān)系更好的展現(xiàn)出來，教學(xué)內(nèi)容更加直觀和形象，可以使學(xué)習(xí)者學(xué)會如何更好閱片，更清晰判斷病情及手術(shù)可能遇到的困難，極大地提高規(guī)培生的閱片以及對顱底腫瘤疾病的臨床診斷能力。（4）傳統(tǒng)的臨床解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)課通常受限于學(xué)習(xí)的場景和時(shí)間,學(xué)生在講堂上的問題與困惑,課后并不能得到很好解決,這使得問題累計(jì),甚至進(jìn)入惡性循環(huán)，并最終將未解決的疑問帶入以后的臨床工作中,這導(dǎo)致神經(jīng)外科規(guī)培教學(xué)質(zhì)量以及培育神經(jīng)外科合格醫(yī)學(xué)人才帶來極其不利的影響。三維軟件操作簡單方便,使用應(yīng)用的場景更加靈活，借助三維仿真系統(tǒng)解剖學(xué)習(xí)軟件,在個人筆記本或臺式電腦中都可以導(dǎo)入虛擬的顱腦三維模型,可對顱腦臨床解剖學(xué)的教學(xué)資源實(shí)現(xiàn)最大程度上的共享和利用。這樣在規(guī)培教學(xué)上,可發(fā)揮規(guī)培學(xué)生主動軟件操作性,對顱腦解剖的疑難點(diǎn)與重點(diǎn)進(jìn)行綜合把控。課前學(xué)生就可通過個人電腦的三維軟件打開三維解剖模型,在教室、宿舍提前預(yù)習(xí)，提出自己的疑問；課后也可使用該三維模型對課堂上的知識點(diǎn)進(jìn)行查漏補(bǔ)缺，及時(shí)發(fā)現(xiàn)未真正解決的解剖問題,并進(jìn)行歸納總結(jié),為以后的顱腦解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。（5）交互式教學(xué)是被稱為主體教學(xué)思想的核心內(nèi)容，并被西方發(fā)達(dá)國家推薦為優(yōu)選教學(xué)方法。與傳統(tǒng)教學(xué)方法相比，三維仿真顱腦解剖系統(tǒng)將更多增加教師和學(xué)生之間的交互性，讓教學(xué)具有更好的互動性，進(jìn)而增加課程的吸引力，有利于學(xué)生接受和理解知識，同時(shí)也將規(guī)培同學(xué)以往抄寫、整理的傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式上解放出來，可以將更多精力放在思考和理解，與帶教老師的深度交流上，可以顯著提升規(guī)培同學(xué)的主觀能動性和自我知識體系的建立，提升更多的學(xué)習(xí)激情，增強(qiáng)對顱腦解剖的探究和創(chuàng)新能力。

目前，國內(nèi)也有不少單位將三維仿真系統(tǒng)應(yīng)用于臨床實(shí)踐中。例如，有術(shù)者術(shù)前將患者的MRI、CT數(shù)據(jù)輸入虛擬操作系統(tǒng)中，通過影像融合、三維重建、數(shù)據(jù)提取、模擬等操作步驟，綜合設(shè)計(jì)個體化手術(shù)方案，可清晰顯示病變與腦組織、血管、顱骨等的解剖關(guān)系，為相關(guān)手術(shù)入路選擇提供精準(zhǔn)和直觀的依據(jù)[8]。還有術(shù)者將中央功能區(qū)膠質(zhì)瘤患者的CT、CTA、DSA、MRI及fMRI等影像資料輸入虛擬技術(shù)工作站，通過圖像融合和三維重建,術(shù)前及術(shù)中可在虛擬現(xiàn)實(shí)影像上觀察病變與周圍結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系,設(shè)計(jì)個體化手術(shù)入路，可虛擬手術(shù)操作過程、術(shù)中輔助決策,大大提高了手術(shù)安全性與病灶的全切除率,同時(shí)也提高了?？漆t(yī)師教學(xué)和訓(xùn)練的效率[9]。

綜上所述，隨著計(jì)算機(jī)及信息技術(shù)的高速發(fā)展，三維仿真概念體現(xiàn)了目前精準(zhǔn)醫(yī)療的概念，代表了未來信息醫(yī)學(xué)發(fā)展的導(dǎo)向，神經(jīng)外科在外科學(xué)中對于術(shù)者的解剖知識要求極高，本教學(xué)研究表明，對神經(jīng)外科實(shí)行三維仿真教學(xué)后，規(guī)培生能更好地掌握專業(yè)神經(jīng)外科相關(guān)醫(yī)學(xué)知識，能夠使傳統(tǒng)的教學(xué)模式得到更大的改善和有效補(bǔ)充，可以更好地激發(fā)規(guī)培學(xué)生們的學(xué)習(xí)熱情和興趣，提高對解剖知識的理解和掌握。