混合现实全息影像在心血管教学中的应用价值

李涛，张兴华，李欣，罗春材，张晶，杨立

随着科技的发展，新技术不断推陈出新，使得影像医学得到空前的发展。由于专业划分越来越细，心血管影像作为影像医学中新兴的最活跃的分支，越来越被临床所依赖。心血管影像又是心血管临床介入医师的必备基础，但是心血管影像教学在心血管临床介入医师的继续教育中长期未被重视［1］。另外，由于心血管影像知识新，内容多，加之心血管解剖结构复杂，病种繁多，大多数医生在医学院学习时心血管影像课时短，因此掌握心血管影像专业知识的放射科医生有限［2］，如何能够在较短的时间内，推广心血管影像知识，提高教学效率和教学效果，培养优秀的心血管影像专业人才，是摆在我们面前亟待解决的重要课题。混合现实全息影像（Mixed reality holographic image，MRHI）呈现技术的出现，为我们提供了一个非常有力的工具。

混合现实是结合增强现实与虚拟现实的新技术，它将数字化的信息全息投射到真实的物理环境中，突破常规二维影像，从而获得直观、立体的体验。混合现实全息影像呈现技术，目前在外科领域，如骨科、肝胆外科、神经外科、血管外科刚刚开始应用，在病变的诊断、手术计划的制定方面，展现出明显的优势［3-5］。但是，可否将这种最新技术，应用到影像教学方面、是否优于常规教学方法、提高教学水平，目前并无科学设计的对照研究。为此，我们在日常教学工作的基础上，尝试将该技术用于初、中级医师的心血管影像诊断培训教学，探讨MRHC 在心血管影像教学中的应用价值。现报告如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料 选取2017 年12 月至2018 年12 月间在解放军总医院放射科新入科进修的未接触过心血管影像工作的进修医生30名，随机平均分成两组，A 组（n＝15 名），B 组（n＝15 名），分别进行传统教学方法（TT）（传递-接受）及混合现实全息影像技术结合传统教学方法（MRHC-TT）进行心血管影像培训。所有学员均为本科学历，职称均为住院医师，工作时间相差不超过3年，在接受培训之前都没有接受过心血管影像诊断方面的工作，在我院学习期间也没有在心血管影像组轮转过。

1.2 研究方法

1.2.1 A组 采用传统教学模式，即传递-接受式的教学模式，培训内容包括主动脉缩窄，主动脉弓离断，主动脉瓣狭窄，主动脉夹层，主动脉动脉瘤，动脉导管未闭，肺动脉狭窄，肺静脉畸形引流，房间隔缺损，室间隔缺损，法洛氏四联症，右室双出口，大动脉转位、单心室畸形等内容。

1.2.2 B 组 采用混合现实全息影像技术结合传统教学方法进行教学，教学内容与A 组完全相同，且同一相关内容由同一讲师讲述，但教学方式有很大的不同，教学方法如下：教学前获取每一种疾病的患者CT 的原始DICOM 数据，将其导入到三维医学影像工作站（StarSource Medical Image Workstation，Visual3D，北京维卓致远医疗科技发展有限责任公司）进行分割和重建，得到网格模型（STL）文件；所有重建的STL 文件被输入到工作站内部的场景编辑模块（Scene Editor）进行材质设定，包括颜色赋值和透明度预设等。编辑好的模型，再通过“星图”混合现实影像系统（StarAtlas Holographic Medical Image System，Visual3D，北京维卓致远医疗科技发展有限责任公司），以v3d 格式（北京维卓致远医疗科技发展有限责任公司内部的一种数据传输格式，内部封装有网格模型和压缩后的DICOM 体数据）进行输出，获得全息影像数据。老师用较短的时间进行PPT 理论授课后，然后和学生通过混合现实全息眼镜（Hololens，Microsoft Corp，USA）（放置在眼前的这个小型计算机的屏幕，高分辨率的透镜）观看患者的全息数字影像，虚拟的全息模型通过平板（HUAWEI M3 tablet with Android system），根据需求进行放大、移动、隐藏、改变颜色和透明度调节等操作，实时进行教学和讨论（图1～3）。

图1 教师与学生通过混合现实全息影像进行教学讨论示右室双出口

图2 混合现实全息影像显示主动脉缩窄

图3 混合现实全息影像显

1.3 教学效果评估 每次教学课后，分别对两组学员的心血管疾病影像诊断能力进行评估，测试内容包括理论知识和病例分析两部分，采用相同的试卷和病例，根据教学内容自建题库，理论知识和病例分析各占50分，满分100分。

教学结束后，还通过教学满意度调查评价两种教学方法的教学效果。教学满意度调查根据自制的调查问卷进行，包括教学难度、教学方法、学习兴趣、师生互动、知识面、信息量等方面的内容，满分为100分，满意度根据得分分为四个档次，评分＞90分为非常满意，75～90 分为满意，60～74 分为一般，＜60 分为不满意，教学满意度＝［（非常满意人数+满意的人数）/总人数］×100%。

1.4 统计学方法 采用SPSS 19.0统计学软件进行分析。计量资料采用表示，两组之间考试得分采用成组t检验进行统计学分析。满意度调查等计数资料，采用χ2检验进行比较。P＜0.05 代表差异有统计学意义。

2 结果

2.1 两组学员考试成绩的比较 两组学员到课率均为100%，两组学员均能积极地参与教学活动。在接受培训前，两组学员均未接触过心血管影像方面的工作，经过6次培训，混合现实结合传统教学组的平均考试成绩高于传统教学组，差异有统计学意义（P＜0.05）。见表1。

表1 心血管疾病影像教学两种教学方法效果的比较/（分，）

表1 心血管疾病影像教学两种教学方法效果的比较/（分，）

总分67.7±3.0 74.9±4.0 5.577 0.000组别传统教学组MR结合传统教学组t值P值人数15 15理论知识得分30.4±2.4 34.8±2.2 5.234 0.000病例分析得分37.0±2.7 40.1±2.4*3.324 0.002

2.2 两组学员的教学满意度的调查 混合现实结合传统教学组的教学满意度（86.7%）与传统教学组（60.0%）差异无统计学意义（χ2＝2.727，P＝0.099）。见表2。

表2 学员对两种教学方法教学满意度调查/名（%）

3 讨论

混合现实全息影像呈现技术是增强现实技术的延伸，是虚拟现实技术的进一步发展。它是将计算机虚拟模型引用和整合到真实的物理世界，使得在虚拟世界、真实世界、用户之间形成一个交互反馈的信息回路［6-8］。混合现实可以提供一个有效的工具看到医学影像的三维的数字化的信息，从而在心血管影像教学中发挥重要的作用。混合现实的一个重要媒介就是微软的Hololens 眼镜，它是头戴式混合现实全息计算机，允许操作者维持虚拟世界与真实世界之间的联系，从而在虚拟世界、真实世界以及用户之间搭建起一个交互反馈的平台。

混合现实全息影像技术目前在外科中已经开始应用。在胸外科，汤轶等［9］率先在胸壁肿瘤手术中进行了应用。在骨科，Wu等［10-11］率先在颈椎骨折需要手术治疗的患者进行了应用。颈椎骨折（尤其寰枢椎的骨折）通常造成脊髓的损伤、感觉的丧失、麻痹、甚至死亡，外科手术（椎弓根的内固定、减压）是有效的治疗方法，然而术中对于血管、神经的损伤对病人无疑是雪上加霜。以往手术过程更多的是依靠手术医生对于CT、MRI等影像资料在脑中的重建，即使有3D 重建的影像，很好地显示骨折周围的神经、血管也是很困难的。因此手术过程是否顺利，很大程度上取决于术者对于解剖结构及变异的认识、对于术中紧急情况的应急处理能力。混合现实显示技术，将数字化的全息影像重叠在病变上，医生可以在术中进行实时的观察、判断，从而提高椎弓根减压、内固定手术的准确性、安全性，也使操作更加简单。在神经外科，混合现实全息影像也有了开拓性的应用［4］，通过混合现实全息计算机成功地进行全息影像帮助下的脑室外引流手术，在这种最新技术的帮助下，使得神经外科医生能够直接看到患者脑内的高分辨的3D 全息影像及插入导管的路径，结果显示脑室插管的路径更加准确，最大可能杜绝导管偏离位置。

本研究探讨MRHI技术在心血管影像教学方面的应用，检索文献，未见相关严格对照研究的报道。本研究纳入两组未接触过心血管影像的年资和职称相近的医师，采用相同的教学内容，以不同的教学方法进行教学。对于传统教学模式组，我们采用以传递-接受的教学方式，加上观察CT断面的方法。对于混合现实全息影像技术结合传统教学模式组，我们使用了混合现实全息影像。通过混合现实全息影像进行教学，教师和学生可以360。观察数字化的模型，边观察边讨论，这样可以对解剖细节、解剖变异、疾病的位置及表现有更加深刻的理解。比如对于主动脉缩窄这个疾病的教学，传统教学主要观察的是CT 横断面表现，通过混合现实全息影像教学，可以非常清晰、立体、直观地显示主动脉缩窄的位置，是管状的缩窄还是隔膜状的缩窄，缩窄的程度及范围如何，缩窄后胸廓内动脉、肋间动脉侧枝血管的建立如何，这样就会给学生留下非常直观、立体的印象，既容易理解，又记忆深刻，从而大大提高教学水平。再比如对于右室双出口疾病的教学，通过混合现实全息影像技术提供实时的全息影像，可以把右心室、左心室、主动脉、肺动脉分别采用不同的颜色及透明化的效果显示出来，还可以隐藏干扰的结构，比如左右心房可以隐藏起来，这样就更直观地显示两个大动脉和两个心室之间的关系，即两个大动脉均从右心室发出，这种三维的立体化的教学比单纯的从二维断面对疾病的解读更加清晰，受到了学生的认可及欢迎。通过6 次的教学之后，采用相同的试卷及病例进行测试，发现采用混合现实全息影像技术结合传统教学方法进行教学，学员对于心血管影像的掌握高于接受传统教学模式的学员，这说明采用混合现实全息影像技术结合传统教学方法，能够较好地提升教学效果，适合在心血管影像教学中推广和应用。

总之，混合现实全息影像技术打破了虚实之间的界限，将医学信息以更加立体直观的方式呈现在学生眼前，使得学生彻底告别枯燥、乏味、死记硬背的学习方式，使学习变得更加简单、形象，记忆深刻，可以大大提高学习效率。从而会彻底改变教学模式、沟通方式，推动教学模式的变革。