基于三维可视化技术的外科教学研究

窦 乐, 孟阳阳, 刘 敏, 刘文蕴, 孙晓东, 陈玉国, 滕 岩, 邱冬冬, 纪铁凤, 张 磊

(吉林大学 第一医院, 长春 130021)

0 引 言

计算机三维可视化技术是指利用计算机技术再现三维物体， 并使用各种方式展现其所包含的复杂信息, 使其拥有实时交互能力的可视化技术, 其包括三维(3D： Three-Dimensional)打印、 3D虚拟模型、 增强现实(AR： Augmented Reality)技术和混合现实(MR： Mixed Reality)技术等。 随着计算机技术和三维技术的蓬勃发展， 上述技术已广泛应用于医学相关领域， 尤其在医学教育方面取得了很好的效果, 具有广阔的应用前景。 肝脏解剖结构复杂， 变异率高， 其外科手术术式繁多， 一直是肝脏外科教学的难点。 传统的肝脏外科教学方法采用解剖图谱， 肝脏模具讲解及手术教学视频等， 学生往往感到抽象， 难以理解和掌握[1-4]。 近年来， 迅猛发展的计算机技术与医学相结合， 肝脏的三维可视化技术(3DV: Three-Dimensional Visualization)应运而生， 它可以精确的显示肝脏、 病灶的立体解剖结构， 病灶与肝内脉管的毗邻关系， 模拟肝脏手术切除， 为肝脏外科教学提供了新的方法和手段。 患者安全和医学培训的平衡一直备受关注。 经验不足的操作者导致的并发症发病率可达4%～7%[5]。 而提前在高还原度的虚拟模型上进行手术操作训练， 掌握手术技巧， 能大大减少患者术后并发症[6]。 有关文献报道： 使用虚拟现实技术培训的人员比使用传统技术的人员执行操作的速度快29%， 明显缩短了手术时间[7]。 同时， 虚拟手术练习不受标本资源、 配套处理和场地限制， 练习和培训成本大大降低[8]。随着5G时代的到来， 远程会议会诊、 手术指导、 机械控制等场景都有可能得到实现[9]。因此, 混合现实(MR: Mixed Reality)技术可以通过与5G网络结合， 更加逼真地把外科手术技术分享到各地。 这将大大提升全国的医疗教学水平。 因此， 笔者提出一种利用三维可视化技术结合传统教学方法， 提高学生的认知水平， 学习效率， 达到更好的学习目标。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取吉林大学白求恩医学部2015年5年制临床本科学生90名为研究对象， 随机分为实验组(n=45)及对照组(n=45)。 实验组学生年龄范围22～24岁， 平均年龄(23.6)岁， 男女比例为12 ∶23； 对照组学生年龄范围22～24岁， 平均年龄(23.2)岁， 男女比例为11 ∶24。 两组学生在年龄、 性别及平时学习成绩方面差异无统计学意义, 且均未学习及应用过三维可视化影像系统。

1.2 教学方法

本研究为随机对照研究， 将受试学生随机分为实验组及对照组。 教学授课过程中， 实验组及对照组均接受传统方法教学， 实验组目前还接受三维可视化教学。 传统方法教学及三维可视化教学都由主治医师(任职5年以上)授课。

1.2.1 传统教学对照组

以《系统解剖学》、 《局部解剖学》、 《断层解剖学》、 《影像诊断学》、 《诊断学》及《外科学》等教材为基础对受试学生进行传统授课。 教学形式包括临床知识讲授及PPT授课、 模拟教学查房、 观看手术视频和实践学习。 其中临床知识讲授及PPT授课内容包括经典肝脏大体解剖及断层解剖、 肝脏肿瘤影像检查及实验室检查、 临床诊断及鉴别诊断、 手术方案制定规范、 术后并发症和预后等知识； 模拟教学查房内容物包括病史询问， 体征检查， 影像资料阅片， 分析实验室检查， 做出临床诊断及手术方案； 实践学习则以小组为单位， 接诊患者， 结合相关检查， 做出临床诊断并制定治疗方案。

1.2.2 三维可视化实验组

在传统教学方法基础上, 采用Myrian软件将原始肝脏计算机断层扫描(CT: Computed Tomography)或核磁共振(MR: Magnetic Resonance) 轴位图像进行三维可视化处理, 结合解剖教材、 薄层影像图像(医院影像归档和通讯系统(PACS: Picture Archiving and Communication Systems)提供)及相应三维可视化图形进行解剖授课, 并于Myrian软件上对肝脏三维图形进行手术模拟教学, 具体方法如下。

将经典肝脏解剖的原始CT或MR图像进行三维可视化重建， 重建图像应具有： 1) 根据Couinaud分叶分段的肝脏模型； 2) 肝动脉系统； 3) 门静脉系统； 4) 肝静脉系统； 5) 其他重要的毗邻组织器官。 根据上述的重建结构对学生进行解剖讲解， 并于原始CT或MR图像上辨认出相应的解剖结构(见图1)， 再依据教材对解剖结构进行文字注释。 通过上机实际操作， 学生以图形及文字方式对肝脏解剖反复深刻理解记忆。 然后以同样的方法对肝脏常见解剖变异进行操作学习。

利用Myrian软件进行肝脏肿瘤模拟手术操作， 详细解说不同部位肝脏肿瘤所使用的不同手术方法(见图2)， 并给出术后断面及所需要离断的肝内管道及注意事项。 最后给出模拟手术及相对应真实手术效果。

图1 肝中静脉(绿色)在轴位像、 冠状位像、 矢状位像及重建图像上的显示

a 显示肝右叶前段占位性病变 b 软件模拟切除肝右叶前段效果图 c 同一患者实际手术切除图像

1.3 教学质量评价

教学评估包括基础理论考核、 影像学考核(CT、 MR阅片)、 术前评估及问卷调查。 基础理论考试采用统一标准化试卷， 试卷内容包括肝脏及肝门解剖、 肝脏分叶及分段、 常见解剖变异、 常见肝脏肿瘤临床及影像表现、 肝脏肿瘤诊断及鉴别诊断、 治疗原则及术后并发症。 影像学考核主要考察学生CT、 MR阅片能力， 内容包括肝脏重要结构断层解剖、 分叶分段、 肿瘤影像(考虑肿瘤定位、 形态、 毗邻、 CT/MR影像表现)、 诊断及鉴别诊断等。 术前评估制定考核方法如下， 提供一份完整病历， 让学生做出临床诊断及相应手术方案， 并列出支持其判断的依据。 学生综合成绩=基础理论考核成绩+影像学考核成绩+术前评估考核成绩， 其中基础理论考核成绩占40%， 影像学考核成绩占30%， 术前评估考核成绩占30%， 综合成绩90分以上为优秀， 60分为合格。 问卷调查对象为学生， 调查问卷内容包括教学内容是否调动积极性， 知识点是否容易掌握， 是否提高学习效率， 教学课程是否合理， 教学效果是否有利于未来工作及满意度等。

1.4 统计学分析

2 结 果

2.1 基础理论考核

两组学生均完成全部学习课程， 实验组学生肝脏外科基础理论考试成绩平均分为37.0分， 对照组学生基础理论考试成绩平均分为36.4分， 两组相比， 差异无统计学意义(P>0.05)。

2.2 影像学考核

实验组影像学考核成绩平均分为24.5分， 对照组影像学考核成绩平均分为21.6分， 实验组影像学考核成绩明显好于对照组， 差异具有统计学意义(P<0.05)。

2.3 术前评估考核

实验组学生术前评估考核成绩平均分为23.8分， 对照组学生术前评估考核成绩平均分为20.6分， 两组成绩相比， 实验组成绩优于对照组成绩， 差异具有统计学意义(P<0.05)。

表1 两组学生考核成绩对比表(分，

2.4 综合成绩分析

实验组学生综合成绩全部及格， 其中成绩优秀者15人(33.3%)； 对照组学生综合成绩全部及格， 其中成绩优秀者11人(24.4%)。 实验组学生综合成绩优秀率高于对照组， 差异具有统计学意义(P<0.05)。

2.5 调查问卷结果

为了解学生对不同教学方法的评价， 共发放调查问卷90份， 并全部回收， 有效回收率100%。 调查结果显示， 实验组学生对可视化教学方法满意度为98%， 对照组学生对传统教学方法满意度为70%， 差异具有统计学意义(P<0.05)。

3 讨 论

3.1 肝脏传统教学难点

从接触医学到成长为一名合格的肝脏外科医生是一个漫长过程， 本科医学教育、 临床实习、 专科培养到临床工作环环相扣， 而进入临床工作前的肝脏外科培训教学极其重要。 肝脏是人体最大的实质脏器， 解剖结构复杂且变异繁多， 影像学图像复杂， 肝脏外科手术方式多样， 临床注意事项林立， 一直是教学过程中的难点。

传统教学多以教师为中心， 与学生互动多以问答形式， 缺乏交互， 所以学生对医学学习多有刻板印象， 缺乏学习积极性。 理论无法与实践操作密切联系， 所授知识只是抽象、 枯燥的文字堆砌， 学生缺乏理解记忆， 容易遗忘， 学习效率低下。 二维图像解剖图谱、 肝脏模具讲解以及尸体标本是传统肝脏解剖教学工具， 其中解剖图谱以二维图像演示肝脏立体解剖图形， 需要有良好的空间想象能力， 对初学者难度较大， 高质量教学模具成本昂贵， 交互性差， 且大部分肝脏模具功能在设计时就已经固定， 而尸体标本来源匮乏， 不易实施[10]。 二维的肝脏CT、 MR及超声图像是获取患者肝脏解剖及病灶信息的重要来源， 传统实习教学往往生硬地指出肝脏解剖及病灶信息， 初学者检查图像辨识度及理解能力差， 对肝脏及其重要脉管结构、 病灶、 病灶与毗邻结构的关系难以形成立体构象， 应用于临床外科治疗更无从谈起。 总而言之， 肝脏外科传统教育效果差， 效率低， 学生学习及掌握难度大。

3.2 三维可视化在肝脏外科教学中的应用

得益于计算机图形学的发展和图像处理技术的进步， 三维重建技术应运而生。 三维重建是指对三维物体建立适合计算机表示和处理的数学模型， 是在计算机环境下对其进行处理、 操作和分析的技术[11]， 能用三维形体标示复杂的信息。 通过对CT扫描采集的平面图像进行罗列堆积组合， 将数据信息进行选择和重组， 构成一个立体的信息集合体， 将传统的断面图像转化为立体三维模型[12-13]， 肝脏三维可视化就是其众多临床应用之一。 肝脏三维可视化技术， 以其强大的空间结构显示能力， 在显示肝脏复杂解剖以及解决相关临床问题(如术前评估及手术方案指导)有着巨大的优势， 对外科临床工作及教学均大有裨益， 本研究结果充分说明了这一点。

使用三维可视化软件， 重建清晰的肝脏三维立体图形， 并可以进行诸多后处理操作， 实现了人机交互， 教学方式新颖， 提高了学习积极性， 与传统教学方法相比， 有如下优势。 1) 立体图像空间感及可视性更强, 通过旋转、 放大缩小、 任意断面显示操作， 可以全方位、 细节的观察解剖结构, 生动形象, 对于解剖变异一目了然。 2) 可以通过定位的方法， 将某一立体结构定位到相应CT、 MR图像中， 帮助理解二维图像中的肝脏解剖结构， 提高阅片能力。 3) 可以随意调取我们所想要观察的立体图形， 通过透明化处理、 筛选、 隐藏等多种操作可以单独显示肝实质、 肝动脉系统、 门静脉系统、 肝静脉系统等， 并可以任意组合， 以上这些操作传统二维图像无法实现。 4) 更易于理解Couinaud分叶分段的肝脏模型。 肝脏分叶分段主要依靠肝内两组重要的脉管系统， Glisson系统和肝静脉系统， 前者包括肝动脉入肝血管、 门静脉和出肝的肝胆管， 肝脏可视化软件根据两组脉管系统在肝内的立体分布， 自动或半自动生成了相应的肝叶肝段， 并以不同颜色在立体图形及原始轴位图像上显示， 更容易理解记忆。 5) 手术方案指导及术前评估。 三维可视化分析软件可以清晰地显示病灶的大小、 形态、 与周围重要结构的关系， 模拟切除范围进而制定相应的手术方案， 计算肝脏体积及预留肝体积， 提供重要的计量指标， 帮助学生对肝脏外科手术的理解， 因为是模拟操作， 避免真实手术并发症， 且可以重复进行， 加深记忆。 目前， 日本已经将三维可视化虚拟肝切除应用于临床培训中， 且效果明显[14-15]。

3.3 肝脏三维可视化教学的不足

本研究中肝脏外科三维可视化教学是在传统教学基础上进行的， 单纯肝脏三维可视化教学内容无法涵盖肝脏外科临床教学所有内容。 本实验基础理论考核结果显示， 虽然实验组成绩高于对照组， 但实验组和对照组考核成绩差异无统计学意义， 与郝惠惠等[16]所报道的一致， 笔者认为原因在于三维可视化可以使学生更容易理解肝脏解剖结构以及肝脏结构相关临床知识点， 对于其他肝脏外科教学内容则无明确促进掌握的效果。 三维可视化教学需要掌握相应软件的使用， 提出新的教学方案， 增加了教学负担。 三维可视化依赖原始二维图像， 且无法替代后者， 操作过程难免出现人为误差。

4 结 语

笔者提出了将三维可视化技术应用于肝脏外科教学， 结合传统教学方式, 笔者将大量文字性的表述及CT、 MR二维图像转化为更直观的视觉模型。 通过实验对比结果显示， 利用三维技术结合传统教学的方法可以提高学生学习积极性及学习效率， 大大降低学习难度， 提高学生的认知水平， 教学效果良好， 是传统肝脏外科教学的强有力辅助手段， 为今后肝脏外科教学提供了参考和方向。