3D 可視化技術(shù)在骨科教學(xué)中的應(yīng)用

許航，章曉云，陳躍平，董盼鋒，卓映宏

廣西中醫(yī)藥大學(xué)附屬瑞康臨床醫(yī)學(xué)院骨傷教研室，廣西南寧 530011

外科手術(shù)常具有不可預(yù)見(jiàn)性與復(fù)雜性，由于科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，醫(yī)學(xué)技術(shù)水平不斷提高，傳統(tǒng)的外科學(xué)技能培訓(xùn)模式在某種程度上已無(wú)法滿足當(dāng)今社會(huì)對(duì)復(fù)合型、創(chuàng)新型及應(yīng)用型高級(jí)醫(yī)療人才的培養(yǎng)需求。骨科屬于外科的一個(gè)分支學(xué)科，病種繁雜，理論和技術(shù)復(fù)雜，學(xué)習(xí)過(guò)程中需要熟悉影像學(xué)、解剖學(xué)及生物力學(xué)等知識(shí)，因此增加了培養(yǎng)一名骨科醫(yī)師的時(shí)間成本。目前臨床骨科的教學(xué)資源相對(duì)稀缺，尤其在傳統(tǒng)的“理論-臨床”教學(xué)模式對(duì)學(xué)生理論水平和臨床能力提升不高的現(xiàn)狀下，骨科教學(xué)受限于無(wú)法直觀、高效地開(kāi)展教學(xué)。改革骨科教學(xué)模式，將更直觀、高效的教學(xué)方法引入到骨科教學(xué)中，調(diào)動(dòng)學(xué)生們學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性和學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高學(xué)生們的手術(shù)規(guī)劃能力和實(shí)際動(dòng)手操作能力。本文針對(duì)教學(xué)團(tuán)隊(duì)在骨科教學(xué)上的探索與經(jīng)驗(yàn)體會(huì)作一論述，現(xiàn)報(bào)道如下。

1 3D可視化技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀分析

經(jīng)歷了半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，3D 可視化技術(shù)已逐漸應(yīng)用于各種領(lǐng)域，逐漸輻射到醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域，預(yù)示著在此領(lǐng)域有著較好的應(yīng)用前景。

1.1 3D 可視化技術(shù)概述

1962 年，Ivan Edward Sutherland 開(kāi)發(fā)著名的Sketchpad 系統(tǒng)，開(kāi)創(chuàng)了交互式電腦繪圖的先河。至上個(gè)世紀(jì)80 年代中期，在前人的基礎(chǔ)上，人們研究了一項(xiàng)基于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理和圖像顯示的新型技術(shù)——3D 可視化技術(shù)，通過(guò)此項(xiàng)技術(shù)用戶可快捷、高效地制作出所對(duì)應(yīng)需求的3D 圖像。利用相關(guān)軟件還可對(duì)物體進(jìn)行切割、旋轉(zhuǎn)等操作，能立體、直觀和清晰地從不同方位對(duì)物體進(jìn)行觀察，彌補(bǔ)傳統(tǒng)2D 圖像的不足，從而賦予模型立體感，還可將物體通過(guò)3D實(shí)物打印，在其上面進(jìn)行一系列操作[1]。

目前，隨著因特網(wǎng)和電子計(jì)算機(jī)相關(guān)軟硬件水平的大幅度發(fā)展，3D 可視化技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用邁上了新的征程，在基建、航天、醫(yī)學(xué)、教學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用[2-3]。我國(guó)的3D 可視化技術(shù)本身起步較晚，發(fā)展緩慢，但目前已獲得各方重視，相關(guān)研究也陸續(xù)開(kāi)展[4]。

1.2 3D 可視化技術(shù)在醫(yī)學(xué)教學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)展

3D 可視化技術(shù)的出現(xiàn)給臨床醫(yī)學(xué)教學(xué)帶來(lái)革命性的影響，其立體性、真實(shí)性、交互性等特點(diǎn)受到廣大師生們的一致好評(píng)[5]。在授課過(guò)程中，3D 可視化技術(shù)可展示3D 立體化圖像，提供逼真的視覺(jué)效應(yīng)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有利于教學(xué)工作的開(kāi)展。此外，為加快教育信息化進(jìn)程，相關(guān)部門(mén)出臺(tái)若干鼓勵(lì)措施。2018 年，教育部研究制定《教育信息化2.0 行動(dòng)計(jì)劃》，鼓勵(lì)提倡大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用。由于臨床醫(yī)學(xué)知識(shí)較為繁雜，優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源較難獲取，3D 可視化技術(shù)的到來(lái)改善了傳統(tǒng)臨床醫(yī)學(xué)教學(xué)的枯燥。

在胰腺外科解剖教學(xué)中，胰腺外科手術(shù)需要扎實(shí)的胰腺解剖和影像學(xué)知識(shí)作鋪墊，這是胰腺外科教學(xué)的痛點(diǎn)與難點(diǎn)。利用患者術(shù)前CT 血管造影檢查數(shù)據(jù)，重建胰腺和病灶，通過(guò)3D 可視化技術(shù)提供移動(dòng)、切除及結(jié)扎等術(shù)中操作，模擬從切開(kāi)皮膚到暴露病灶、切除病灶等過(guò)程，使學(xué)員熟練掌握手術(shù)操作，減少手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，提升手術(shù)操作水平[6]。

在肝膽外科臨床解剖教學(xué)中，由于肝門(mén)附近解剖構(gòu)造復(fù)雜、解剖分型多且個(gè)體差異大，因而解剖學(xué)是該學(xué)科的重點(diǎn)和難點(diǎn)。利用3D 可視化技術(shù)可使肝臟膽囊可視化，提供全面和精確的肝膽解剖信息，還可顯示少有的變異類(lèi)型[7]。

在婦科臨床教學(xué)培訓(xùn)中，由于盆腔解剖構(gòu)造復(fù)雜，器官位置較深、形態(tài)各異，且婦科檢查的內(nèi)容具有較強(qiáng)的隱私性，故在現(xiàn)有的醫(yī)療環(huán)境下，患者及患者家屬可能會(huì)因此拒絕有關(guān)的臨床示教，以上原因給婦科臨床帶教施加強(qiáng)大的阻力，而3D 可視化技術(shù)可在倫理范圍內(nèi)，為學(xué)員的婦科學(xué)習(xí)提供方便[8]。

2 3D可視化技術(shù)應(yīng)用于骨科教學(xué)的必要性

解剖學(xué)是外科手術(shù)的基礎(chǔ)，術(shù)者通常需要對(duì)相關(guān)解剖結(jié)構(gòu)及相鄰臟器有清晰認(rèn)識(shí)。據(jù)報(bào)道，美國(guó)醫(yī)學(xué)院校的解剖學(xué)教學(xué)課時(shí)呈減少趨勢(shì)，人體標(biāo)本稀缺、維護(hù)成本較大、不能反復(fù)使用等因素也制約著解剖學(xué)課程的開(kāi)展，傳統(tǒng)優(yōu)質(zhì)的解剖學(xué)教育資源相對(duì)匱乏[9-10]。以上說(shuō)明，傳統(tǒng)的解剖學(xué)教育模式已無(wú)法適應(yīng)外科學(xué)。對(duì)骨科而言，尤其是脊柱外科，手術(shù)中面對(duì)的重要神經(jīng)血管較多，對(duì)手術(shù)基本功的要求極高，因此，3D 可視化技術(shù)對(duì)骨科教學(xué)具有一定的優(yōu)勢(shì)。

2.1 提高學(xué)生的解剖水平

在傳統(tǒng)手術(shù)教學(xué)中，學(xué)員只能以助手的身份接觸手術(shù)，因站位離術(shù)野較遠(yuǎn)，無(wú)法清晰觀察術(shù)區(qū)的解剖構(gòu)造。3D 可視化人體解剖學(xué)軟件可將人體解剖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)信息應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)重建成全數(shù)字化人體真實(shí)結(jié)構(gòu)的三維模型，將人體結(jié)構(gòu)數(shù)字化與可視化[11]。還可利用后處理工作站軟件對(duì)3D 模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)那懈睢⑿D(zhuǎn)角度，從而達(dá)到教學(xué)所需的圖像，3D 打印模型則可供學(xué)員練習(xí)一系列的骨科手術(shù)操作，使學(xué)員的技能水平得到提高。此外，3D 可視化教學(xué)資源可反復(fù)使用，學(xué)員可有目的性地反復(fù)學(xué)習(xí)，在大腦中形成牢固記憶；也正是由于其可重復(fù)使用的特性，便于教學(xué)流程和內(nèi)容的標(biāo)準(zhǔn)化，減少教學(xué)過(guò)程中的隨機(jī)誤差。由于3D 可視化?；谟跋駥W(xué)數(shù)據(jù)重構(gòu)，故在解析、拆分上存在一定的優(yōu)勢(shì)，其可任意改變比例與角度，顯示正常組織或病灶等內(nèi)部結(jié)構(gòu)。另外，還可進(jìn)行術(shù)前與術(shù)后的對(duì)比分析及個(gè)體差異的分析，使學(xué)員養(yǎng)成求證診療的習(xí)慣。黃義星等[12]采用相關(guān)的人體數(shù)據(jù)，通過(guò)3D 可視化軟件重建上胸椎前方入路重要解剖的3D 可視化模型，使學(xué)員充分了解該區(qū)域復(fù)雜的解剖，亦可用于術(shù)前上胸椎前路手術(shù)方案的制定。

2.2 增強(qiáng)學(xué)生的操作能力

在骨科教學(xué)中，骨折切開(kāi)復(fù)位內(nèi)固定、椎管開(kāi)窗減壓等操作需要扎實(shí)的解剖學(xué)和骨科影像學(xué)知識(shí)作鋪墊，而這也是骨科教學(xué)中的難點(diǎn)。利用患者CT影像進(jìn)行3D 打印手術(shù)標(biāo)本模型，然后學(xué)生可在3D打印的骨折實(shí)物模型上進(jìn)行相關(guān)操作和練習(xí)，從而更快地熟練掌握手術(shù)技術(shù)，最大程度減少手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、提高手術(shù)效果。周建華等[13]利用3D 打印結(jié)合有限元分析，通過(guò)3D 模型操作和課堂討論等環(huán)節(jié)，使學(xué)生對(duì)骨科生物力學(xué)有更進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。黃帥等[14]研究發(fā)現(xiàn)，在提高學(xué)習(xí)興趣、對(duì)骨折局部解剖特點(diǎn)和手術(shù)過(guò)程的理解掌握方面，3D 打印教學(xué)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

3 3D可視化技術(shù)運(yùn)用的注意事項(xiàng)

3.1 不能僅依靠3D 可視化技術(shù)而忽略先進(jìn)的教育理念

3D 可視化技術(shù)應(yīng)用于骨科手術(shù)學(xué)教學(xué)中起輔助作用，但教師在教學(xué)中仍發(fā)揮主導(dǎo)作用。教學(xué)理念、思想現(xiàn)代化遠(yuǎn)比技術(shù)現(xiàn)代化更重要。因此，應(yīng)用3D可視化技術(shù)教學(xué)除對(duì)教師的新科技工具的操作水平提出要求外，也對(duì)教師的教學(xué)能力提出更高的要求。教育理念僵化、教學(xué)能力欠缺的教師應(yīng)用3D 可視化技術(shù)，很難達(dá)到預(yù)期效果。

3.2 3D 可視化技術(shù)的應(yīng)用不可抵消教師在教學(xué)中的主導(dǎo)地位

3D 可視化技術(shù)在骨科手術(shù)學(xué)教學(xué)中的確能夠提升教學(xué)效果，但過(guò)多追求和利用3D 可視化技術(shù)可能導(dǎo)致學(xué)生注意力不夠集中，感覺(jué)在“玩游戲”，難以提高學(xué)生抵抗壓力的水平。作為教師，應(yīng)充分發(fā)揮其指導(dǎo)作用，通過(guò)備課和課堂講解，使3D 可視化技術(shù)發(fā)揮最大優(yōu)勢(shì)。

3.3 勿過(guò)分夸大3D 可視化技術(shù)的效果而放棄傳統(tǒng)教學(xué)方法

現(xiàn)代技術(shù)已逐漸取代傳統(tǒng)的教師板書(shū)，這是教師使用現(xiàn)代技術(shù)時(shí)普遍的現(xiàn)象。當(dāng)教師使用3D 可視化技術(shù)輔助教學(xué)時(shí)，較多學(xué)生不記筆記，可能因?yàn)樾畔⒌那袚Q過(guò)快，許多學(xué)生怕筆記會(huì)耽誤聽(tīng)課。甚至有的教師放棄板書(shū)，直接在3D 可視化技術(shù)演示下授課，這種做法似乎節(jié)省了時(shí)間，但忽略了學(xué)生的接受能力。黑板和粉筆是傳統(tǒng)教學(xué)的工具，有時(shí)是3D 可視化技術(shù)無(wú)法取代的。此外，3D 可視化技術(shù)難以讓學(xué)生感受到真實(shí)的手術(shù)場(chǎng)景和術(shù)區(qū)的聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)等感覺(jué)反饋，可能導(dǎo)致教學(xué)與臨床的脫節(jié)。因此，骨科手術(shù)學(xué)教學(xué)中必須有見(jiàn)習(xí)和實(shí)習(xí)課程?？傊?，對(duì)骨科手術(shù)學(xué)教學(xué)采用正確的教學(xué)方法，充分合理地使用各種教學(xué)手段，可激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高學(xué)習(xí)效率。

近年來(lái)，3D 可視化技術(shù)發(fā)展相當(dāng)迅速，已受到各行各業(yè)的青睞。在臨床醫(yī)學(xué)教學(xué)中，該技術(shù)以其直觀性、可反復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)，成為現(xiàn)今多媒體教學(xué)中不可忽視的一部分。在骨科手術(shù)學(xué)教學(xué)中，教師應(yīng)充分發(fā)揮3D 可視化技術(shù)的長(zhǎng)處，但完全不能丟棄傳統(tǒng)的教學(xué)方法，相信3D 可視化技術(shù)在骨科手術(shù)學(xué)教學(xué)中會(huì)發(fā)揮重要作用。