智能化三維模擬重建教學(xué)法在老年彌漫性肺部疾病醫(yī)學(xué)影像教學(xué)中的應(yīng)用

［摘要］本研究以主要發(fā)病于老年人的彌漫性肺部疾?。―LD）為例，基于ITK-snap軟件實(shí)施醫(yī)學(xué)影像教學(xué)的改革創(chuàng)新。在教學(xué)過程中嘗試通過智能化三維模擬重建肺部CT影像，借助線上與線下相融合的教學(xué)模式從而融合臨床表現(xiàn)、影像、病理、生理以及藥理等多學(xué)科內(nèi)容。該教學(xué)模式的創(chuàng)新之處在于以臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)生為研究對象，將學(xué)生置于教學(xué)活動中的主體位置，探討智能化三維模擬重建教學(xué)法在研究生DLD影像教學(xué)中的意義，進(jìn)而提高學(xué)生在學(xué)習(xí)上的主動性并培養(yǎng)學(xué)生臨床思維能力。

［關(guān)鍵詞］醫(yī)學(xué)影像學(xué)；三維模擬重建；ITK-snap軟件；教學(xué)

doi：10.3969/j.issn.1674-7593.2024.03.024

Application of Intelligent 3D Simulation and Reconstruction Teaching Method inMedical Imaging Teaching of the Elderly Diffuse Lung Disease

Jiao Xinyao1，Chen Peng2，Song Han1，Huang Sa1**

1The Second Hospital of Jilin University，Department of Radiology，Changchun130041；2the Second Hospital of Jilin University，Department of Pediatrics，Changchun130041

**Corresponding author：Huang Sa，email：huangsa@jlu.edu.cn

［Abstract］This study focuses on diffuse lung disease，which primarily affects the elderly.Reform and innovation have been implemented in medical imaging teaching using ITK-snap software.In the teaching process，the study tries to reconstruct CT images of the lungs through intelligent 3D simulation，and integrate clinical manifestations，imaging，pathology，physiology，and pharmacology with the help of online and offline teaching modes to achieve the purpose of teaching.The innovation of this teaching mode is to take the clinical medical students as the research object，put the students in the main position in the teaching activities，and explore the significance of intelligent three-dimensional simulation and reconstruction teaching methods in the teaching of postgraduate DLD imaging，so as to improve the students' initiative in learning and cultivate the students' clinical thinking ability.

［Key words］Medical imaging；3D simulation and reconstruction；ITK-snap software；Teaching

近年來，國家提出“新醫(yī)科”建設(shè)，強(qiáng)調(diào)不同學(xué)科之間的整合與創(chuàng)新，突破傳統(tǒng)學(xué)科與學(xué)科之間的界限，在傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)教育模式的基礎(chǔ)上，運(yùn)用新科技革命為醫(yī)學(xué)教育改革提供基礎(chǔ)性工具，通過新的技術(shù)、方法、手段不斷挖掘?qū)W生的潛在創(chuàng)新學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)“醫(yī)學(xué)+X”高層次醫(yī)學(xué)人才［1-2］。不同于傳統(tǒng)教學(xué)理念的單一化授課模式，“醫(yī)學(xué)+X”多學(xué)科發(fā)展模式打破了醫(yī)學(xué)原有的“傳統(tǒng)邊界”，旨在加強(qiáng)傳統(tǒng)與新興、醫(yī)學(xué)與非醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域各學(xué)科之間的交叉融合，可以從更多層面培養(yǎng)創(chuàng)新型、復(fù)合型、高層次的醫(yī)學(xué)人才［3］。

彌漫性肺部疾?。―iffuse lung disease，DLD）是臨床上較為常見的肺部疾病，其中特發(fā)性肺間質(zhì)纖維化、肺水腫、肺癌（原發(fā)與轉(zhuǎn)移性）、矽肺多發(fā)生于老年人。例如特發(fā)性肺纖維化常見于60歲以上的老年人，隨著全球老齡人口的增加，其發(fā)病率和患病率呈上升趨勢［4］。鑒于DLD種類眾多，同時大多老年患者的臨床表現(xiàn)相似，這也就導(dǎo)致臨床醫(yī)生根據(jù)患者癥狀、體格檢查以及實(shí)驗(yàn)室檢查指標(biāo)來對疾病進(jìn)行診斷十分困難。而CT檢查可以反映不同患者的肺內(nèi)病變征象及進(jìn)展變化，這極大程度地提高了疾病診斷的準(zhǔn)確性，因此在老年患者肺部彌漫性疾病的教學(xué)中醫(yī)學(xué)影像方面的講授極為重要［5］。尤其對于臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)位研究生來說，具有應(yīng)對疑難疾病的能力對未來發(fā)展有著十分重要的意義。

DLD的重要影像檢查手段為高分辨率電子計算機(jī)斷層掃描（High-resolution computed tomography，HRCT），基本HRCT征象主要包括磨玻璃陰影、彌漫性結(jié)節(jié)陰影、網(wǎng)格狀影、蜂窩影、肺氣腫等，各個影像征象都和不同病理改變相對應(yīng)［6］。在臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)位研究生教學(xué)過程中，需要讓學(xué)生掌握各個影像征象的表現(xiàn)及其病理改變，并對各個征象進(jìn)行鑒別診斷，這對學(xué)生日后進(jìn)入臨床實(shí)踐至關(guān)重要，因?yàn)椴煌挠跋裾飨笈c患者的疾病嚴(yán)重程度及其預(yù)后息息相關(guān)［7］。但在多年的教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)單從理論上對各個征象的表現(xiàn)進(jìn)行描述或結(jié)合單張影像圖像的教學(xué)方式，并不能讓學(xué)生對肺內(nèi)病變征象進(jìn)行準(zhǔn)確診斷，尤其是對肺氣腫、蜂窩影和牽拉性支氣管擴(kuò)張的鑒別。

近年來器官系統(tǒng)整合教學(xué)模式受到了越來越多的關(guān)注，將基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)相結(jié)合，從微觀到宏觀，從器官功能性改變到形態(tài)學(xué)上的變化，將各學(xué)科相融合，讓學(xué)生更加深刻地掌握到疾病發(fā)生發(fā)展過程［8］。那么如何更加直觀地展現(xiàn)病變的形態(tài)特點(diǎn)和空間分布位置，并與病理改變相對照，使學(xué)生對于疾病的診斷、鑒別診斷的了解更加深入，并根據(jù)不同疾病進(jìn)展階段制定個性化診療方案，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的臨床思維能力，是值得研究和探索的問題。近年來ITK-snap軟件的出現(xiàn)使學(xué)生可以自行對不同的HRCT病變征象進(jìn)行三維重建，多方位觀察病變征象的特點(diǎn)。ITK-snap軟件能夠支持圖像可視化、多空間位置對病灶進(jìn)行測量、手動分割和半自動分割等功能［9］。本研究旨在探討智能化三維模擬重建教學(xué)法在研究生DLD影像教學(xué)中的意義。

1學(xué)情分析

1.1知識結(jié)構(gòu)分析

本課程授課對象為2021級吉林大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)位碩士研究生34人，該批學(xué)生已完成基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)類課程的學(xué)習(xí)，例如病理學(xué)、生理學(xué)及解剖學(xué)等。學(xué)生對前期的基礎(chǔ)知識掌握較為扎實(shí)，有能力繼續(xù)學(xué)習(xí)接下來的臨床科目。

1.2能力和素養(yǎng)分析

1.2.1學(xué)習(xí)能力在前期基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)中已經(jīng)掌握了醫(yī)學(xué)類科目的基本學(xué)習(xí)模式，也適應(yīng)了線上與線下相結(jié)合的學(xué)習(xí)模式，同時能夠熟練掌握在線教育平臺的使用方法，容易接受新的教學(xué)模式，對臨床前沿進(jìn)展相關(guān)問題的求知欲較強(qiáng)。

1.2.2專業(yè)素養(yǎng)和綜合素質(zhì)學(xué)生在前期基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)中打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)，能夠熟練掌握呼吸系統(tǒng)的系統(tǒng)解剖、斷層解剖，以及各類基礎(chǔ)病變的病理及生理改變。同時對即將接觸的臨床學(xué)科如內(nèi)科學(xué)、外科學(xué)、影像學(xué)進(jìn)行了簡單的了解，具有一定的認(rèn)知，并對呼吸系統(tǒng)相關(guān)章節(jié)的內(nèi)容進(jìn)行了預(yù)習(xí)。學(xué)生在掌握專業(yè)知識的同時對英語及計算機(jī)也進(jìn)行了系統(tǒng)的學(xué)習(xí)；能夠利用ITK-snap軟件來輔助專業(yè)課程的學(xué)習(xí)。

2DLD影像教學(xué)融合智能化三維模擬重建的教學(xué)方案設(shè)計

2.1以三維模擬重建法為中心

本研究采用醫(yī)學(xué)圖像分析處理平臺ITK-snap軟件（3.8.0），對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建，使學(xué)生在經(jīng)過預(yù)習(xí)或系統(tǒng)教學(xué)后，通過三維重建，對不同疾病影像征象的位置、大小、形態(tài)、邊緣以及與周邊結(jié)構(gòu)（如支氣管、血管）的關(guān)系進(jìn)行更加細(xì)致地觀察，并進(jìn)行自主分析，最后作出診斷。

2.2線上與線下相結(jié)合

將課前學(xué)生在線上課堂進(jìn)行預(yù)習(xí)、課中教師進(jìn)一步講解并和學(xué)生進(jìn)行互動、課后學(xué)生依據(jù)基本影像表現(xiàn)進(jìn)展變化進(jìn)行擴(kuò)展學(xué)習(xí)相結(jié)合，利用線上教學(xué)時間靈活度高、形式多樣、視聽效果良好、交互操作便捷等優(yōu)勢，結(jié)合線下教學(xué)互動性更強(qiáng)、學(xué)習(xí)氛圍更濃厚、解決問題更清楚高效的優(yōu)點(diǎn)，充分激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，讓學(xué)生成為課堂的主導(dǎo)，充分貫徹“以人為本”的教育理念［10-11］。

3DLD影像教學(xué)融合智能化三維模擬重建的教學(xué)實(shí)施

3.1課前：線上預(yù)習(xí)

課前學(xué)生通過學(xué)習(xí)通課程在線平臺觀看教師發(fā)布的關(guān)于DLD的基本影像征象的講解，自主預(yù)習(xí)各征象的影像表現(xiàn)；下載教師提供的關(guān)于DLD患者的肺部CT影像數(shù)據(jù)，利用ITK-snap軟件觀察各病變征象的位置、大小、形態(tài)、邊緣以及與周邊結(jié)構(gòu)（如支氣管、血管）的關(guān)系，并對肺內(nèi)各個征象進(jìn)行勾畫、標(biāo)注。根據(jù)組內(nèi)成員勾畫結(jié)果，對出現(xiàn)分歧部分進(jìn)行討論。

3.2課中：系統(tǒng)講解、互動討論

3.2.1系統(tǒng)講解課中教師進(jìn)一步對DLD進(jìn)行系統(tǒng)講解，將各個影像征象與臨床表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)室指標(biāo)、病理等相聯(lián)系，從病理改變引出對應(yīng)的影像上的變化，進(jìn)而揭示相應(yīng)的肺內(nèi)影像動態(tài)變化在臨床表現(xiàn)以及實(shí)驗(yàn)室指標(biāo)（如肺功能檢查等）的體現(xiàn)。

3.2.2互動討論教師與學(xué)生對課前發(fā)布的DLD患者的肺部CT影像進(jìn)行討論，每個小組在ITK-snap軟件上展示自己組內(nèi)勾畫的影像征象，并描述該病例的影像表現(xiàn)，做出診斷，同時結(jié)合該病例的臨床資料，從臨床表現(xiàn)到影像，講解自己對該疾病的看法，提出自己的疑問。教師針對學(xué)生在ITK-snap軟件上對每個病變征象勾畫結(jié)果進(jìn)行糾正，通過頭腦風(fēng)暴的互動模式解答學(xué)生提出的問題，鼓勵學(xué)生們根據(jù)課堂上講解的知識，發(fā)表自己的看法。真正做到在課堂上以學(xué)生為中心，引導(dǎo)學(xué)生主動發(fā)現(xiàn)問題并解決問題，培養(yǎng)學(xué)生們的臨床思維能力。

3.3課后：擴(kuò)展延伸、教學(xué)評價

3.3.1擴(kuò)展延伸課后教師在學(xué)習(xí)通課程在線平臺發(fā)布相關(guān)病例在不同時期復(fù)查的影像以及臨床診療過程的資料，并布置課后任務(wù)。學(xué)生通過ITK-snap軟件動態(tài)觀察疾病的影像變化，結(jié)合患者的診治過程，進(jìn)一步思考在經(jīng)過不同藥物的治療下，肺內(nèi)影像征象進(jìn)展或好轉(zhuǎn)的原因，同時根據(jù)教師布置的任務(wù)，查閱相關(guān)文獻(xiàn)，了解各類藥物的藥理機(jī)制，進(jìn)一步串聯(lián)臨床表現(xiàn)、影像、病理、生理以及藥理相關(guān)知識。目的在于培養(yǎng)學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)解決問題的能力，以及主動了解前沿知識的意識。

3.3.2教學(xué)評價本次教學(xué)效果評價的創(chuàng)新性主要是基于數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)評價。教師基于智慧教學(xué)工具學(xué)習(xí)通在教學(xué)過程的各階段發(fā)布基于真實(shí)案例的影像閱片題目，題目涵蓋基礎(chǔ)、臨床等多學(xué)科知識，旨在全面考核學(xué)生的臨床思維能力并應(yīng)用學(xué)習(xí)通工具及時對學(xué)生的答題情況做出準(zhǔn)確評判，同時學(xué)習(xí)通軟件可自動生成各類有價值的過程性教學(xué)數(shù)據(jù)，本次教學(xué)創(chuàng)新90%以上的教學(xué)對象成績均為優(yōu)秀（答題正確率90%以上）。通過問卷調(diào)查以及座談等方式，部分參與本研究的學(xué)生表示ITK-snap軟件具有強(qiáng)大的分析功能，但也存在一定的局限性：如手動勾畫感興趣區(qū)不夠簡便和準(zhǔn)確、操作界面不夠便捷等。

4總結(jié)與討論

DLD的醫(yī)學(xué)影像教學(xué)主要目的在于讓學(xué)生掌握疾病的影像表現(xiàn)，以及每個影像征象所對應(yīng)的病理基礎(chǔ)，同時將影像征象的動態(tài)變化與臨床診療過程相結(jié)合，并借助ITK-snap軟件在理論教學(xué)的同時，使學(xué)生有能力將所學(xué)知識應(yīng)用于臨床，將“學(xué)”與“用”良好地結(jié)合。DLD的影像表現(xiàn)不同于單一影像病變的疾病，其肺內(nèi)影像征象是多樣的，因此在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，學(xué)生在僅僅學(xué)習(xí)理論知識的情況下，難以對復(fù)雜的影像征象進(jìn)行鑒別，進(jìn)而導(dǎo)致學(xué)生對DLD的影像表現(xiàn)沒有一個清晰明了的認(rèn)識，影響學(xué)生日后在臨床實(shí)踐過程中對疾病的診斷。借助ITK-snap軟件對HRCT圖像的三維重建，在傳統(tǒng)課堂中加入信息技術(shù)，加強(qiáng)理論與實(shí)踐的交叉結(jié)合，從知識、能力、素質(zhì)等多方面提升學(xué)生的綜合實(shí)力，同時提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，有助于學(xué)生日后解決臨床實(shí)際問題、開展科研項目。

通過課前的預(yù)習(xí)，對教師發(fā)布的HRCT影像數(shù)據(jù)進(jìn)行手動勾畫，能夠很大程度上提高課上學(xué)習(xí)的效率，有助于學(xué)生構(gòu)建完整的思維結(jié)構(gòu)框架［12］。課上針對勾畫結(jié)果開啟頭腦風(fēng)暴的互動模式，訓(xùn)練學(xué)生主動發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有臨床問題以及解決問題的能力。不同于傳統(tǒng)教學(xué)課堂上只有教師單一刻板的輸出，目前在教學(xué)過程中秉承“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，實(shí)現(xiàn)以教師為主體向以學(xué)生為主體的轉(zhuǎn)變，著重培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，不斷激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐的能力，鼓勵學(xué)生對臨床實(shí)踐中可能出現(xiàn)的任何情境進(jìn)行設(shè)想，使學(xué)生在未來的臨床實(shí)踐過程中能夠更好地將理論與實(shí)踐相結(jié)合。

在課后的拓展延伸中，主張學(xué)生不局限于傳統(tǒng)理論知識，作為一名臨床醫(yī)生，需要了解疾病的發(fā)生發(fā)展、基礎(chǔ)表現(xiàn)，同時也要掌握疾病的診治方法，學(xué)生通過教師發(fā)布的關(guān)于同一病例的后續(xù)HRCT影像數(shù)據(jù)，結(jié)合患者的臨床診治方案，思考各類相關(guān)藥物的作用機(jī)理，串聯(lián)自己的藥理知識。學(xué)生在查閱文獻(xiàn)這一過程中，能夠進(jìn)一步學(xué)習(xí)相關(guān)領(lǐng)域診療過程的前沿知識，總結(jié)現(xiàn)有的局限性，在未來的臨床實(shí)踐中結(jié)合臨床現(xiàn)有需要解決的問題，開展科研項目，進(jìn)行科研實(shí)踐。這種教學(xué)模式在提升教學(xué)質(zhì)量的同時，可以進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的科研意識、認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度。

2020年發(fā)布的《國務(wù)院辦公廳關(guān)于加快醫(yī)學(xué)教育創(chuàng)新發(fā)展的指導(dǎo)意見》指出，全面優(yōu)化醫(yī)學(xué)人才培養(yǎng)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)多學(xué)科交叉融合，不斷推進(jìn)“醫(yī)學(xué)+”創(chuàng)新性、復(fù)合型、高層次醫(yī)學(xué)人才的培養(yǎng)［13］。在教學(xué)過程中，將工科與醫(yī)學(xué)相融合，使得學(xué)生掌握新時代下數(shù)字化、信息化相關(guān)知識與技能，鼓勵學(xué)生依據(jù)現(xiàn)有該領(lǐng)域臨床困境，結(jié)合計算機(jī)相關(guān)知識，開展科研項目，并不斷向“智慧醫(yī)學(xué)”“數(shù)字醫(yī)學(xué)”靠攏。在教學(xué)過程中學(xué)生在使用ITK-snap軟件的同時，可以意識到軟件的局限性，進(jìn)而在各類創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以根據(jù)目前的局限性，依托臨床問題，建立計算機(jī)模型，提出自己的解決辦法。在這樣的教學(xué)模式下，打破傳統(tǒng)學(xué)科的邊界，不斷培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科開展臨床科研項目的能力，將醫(yī)學(xué)生的培養(yǎng)由單純的“專業(yè)性”向全面的“廣泛性”轉(zhuǎn)變［14］。

在未來的課程中可以進(jìn)一步將智能化三維模擬重建教學(xué)法應(yīng)用于其他系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，例如腹部、泌尿生殖、神經(jīng)系統(tǒng)等課程。綜上所述，本研究所采用的教學(xué)方式是通過ITK-snap軟件對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建，將學(xué)生置于課堂上的主體位置，進(jìn)而融合臨床表現(xiàn)、影像、病理、生理以及藥理等多學(xué)科內(nèi)容。該教學(xué)方法有助于激發(fā)學(xué)生在醫(yī)學(xué)影像學(xué)習(xí)中的主動性、創(chuàng)新性，同時培養(yǎng)學(xué)生的臨床思維并提高學(xué)生解決臨床問題的能力。

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（2023-06-25收稿）