虚拟数字人与三维重建在脊柱外科临床教学中的应用探讨

陈春 卢巍

临床教学是医学教育的重要一环，其目的是巩固学生的基础知识，引导学生将知识运用于实践，培养医学生的临床思维，直接影响医学生的培养质量及其未来的工作能力[1]。在骨科教学中，脊柱外科是授课重点，并且也是教学中的难点之一。在脊柱外科教学过程中，脊柱解剖结构复杂、知识点覆盖广泛、风险程度高，在教学过程中帮助学生熟悉脊柱的解剖结构是最基本的要求。如何帮助学生建立脊柱三维空间结构的思维方式是教学中的难点。另外，如何利用影像资料加深学生对病例的认识是临床教学中重要方面。近年来，随着计算机技术及数字医学的飞速发展，相关技术在基础教学、临床医疗中开始逐步应用，使临床教学发生了较大的变化。随着数字医学的飞速发展，教学辅助软件也得到广泛应用，脊柱方向的发展越来越借助于科学技术的进步，如何将这些软件来辅助教学值得我们思考[2]。本院将虚拟数字人与三维重建应用到脊柱外科临床教学，有利于对脊柱外科教学模式进行尝试和探索，巩固学生基础知识，培养临床思维能力，达到将理论与临床实际工作相结合，提高脊柱外科临床教学效果。

1 现行脊柱外科临床教学方式的不足

1.1 不重视解剖学基础

临床教学中，一般采用对典型病例进行病史采集，影像资料分析，讲授治疗方案等，对于学生来说，这些内容比较抽象。脊柱及毗邻解剖结构复杂，知识面覆盖广[3]。要求学生不仅掌握椎体上的结构特点，还有椎间盘、神经根等，其周围有重要的血管神经。学生在大学一年级时学习椎骨的解剖学结构，脊神经，脊髓的被膜、血管等[4]。这些都是按照系统来学习的，缺乏整体认识。局解教学时以四肢为主，对脊柱部分讲解不多，椎骨周围的血管及神经等由于位置较深，学生操作较少，导致学生对脊柱及毗邻结构缺乏三维立体认识。临床带教老师认为解剖学基础是以前应该掌握好的内容，对此部分讲授比较少，导致学生在学习临床病例时接受困难。

1.2 缺乏三维立体思维

在基础解剖结构的教学中，学生缺乏对正常脊柱及其毗邻结构的三维立体学习，没有建立良好的三维立体思维方式。在脊柱外科教学中，主要还是以解剖学图、X 线片、CT、MRI 影像资料来讲解[4]。这些二维影像资料缺乏立体性、直观性。而且脊柱疾病非常复杂性，学生通过二维影像资料学习时，由于不能把正常的解剖结构与影像资料相对应，很难掌握脊柱正常与病理结构，无法达到理想的教学效果。传统的教学模式，对脊柱、脊髓、周围重要血管与神经的空间三维结构，主要来源于图片和影像检查的资料，这些资料都是二维的资料，如何把这二维的影像资料转化为三维立体结构，使学生在学习时能把正常解剖结构、影像图与病理状态联系起来，值得探讨[5]。三维重建能在一定程度上改善以上教学方法的缺点，医学影像处理软件Mimics 界面友好，重建图像清晰，可用于辅助脊柱外科教学。采用Mimics 软件建立脊柱等结构的三维重建模型，在实践过程中提升学生的动手能力，提高学生兴趣与教学质量，作为传统的实验教学手段的有益补充[6]。

1.3 缺乏实践操作

常规临床教学主要为教师讲解脊柱病患的常见疾病发生原因、临床表现、临床诊断与治疗，然后对患者进行问诊、体格检查以及书写病例。在临床实践方面，老师拟定诊疗方案，让学生参与椎间盘突出等病例的治疗过程，其中包括手术前的准备工作、手术后锻炼进行康复等，在手术过程中也可以通过手术视频或带领少数同学观察，让学生熟悉手术的整个过程，加深对手术的理解。在运用PBL 的方面，学生通过学习课件、视频及相关资料等等，自主学习查阅文献资料寻找问题答案，探讨学生学习手术过程中遇到的困难，带教老师面对学生存在的问题进行针对性指导，最后指导学生进行体格检查及病例书写。但整个教学过程中，学生只是抽象了解病例，对手术治疗过程及术后处理缺乏感性认识[7-10]。并且由于脊柱手术本身具有的复杂性及风险性，且手术操作空间小，学生基本上观察不到手术过程，只能从操作视频学习，更加缺乏实践操作，从而需要一种更加直观感性的教学方式进行补充。

2 虚拟数字人在脊柱外科临床教学中的应用

2.1 帮助学生掌握脊柱正常解剖结构

通过虚拟数字人系统，加载脊柱及周围结构。虚拟数字人解剖系统图像的清晰，分辨率很高，画面与实体标本相比差异不显著，将原本复杂难以理解的脊柱解剖学相关知识立体地展示给学生。这些三维图片可以多角度观察器官的位置、形态，加强理解，让学生直观学习，简单明了，增强学生学习的信心。虚拟数字人系统较为直观、可以三维立体展示复杂的脊柱结构及毗邻关系。能够轻松观察到实验课中脊柱标本不能清楚观察的血管与神经。可以通过从不同角度观察脊柱的立体构造，并根据实际需要，可以对表面的结构进行删除或隐藏，从而使学生掌握相应脊柱结构的毗邻关系。通过虚拟数字人直观立体的展示，原本复杂的结构可以由浅到深一层一层学习，有利于学生掌握脊柱的立体结构，特别是周围结构的形态、位置及其毗邻关系等，培养同学们对脊柱结构建立三维立体构象[11-12]。除此之外，模拟手术解剖的功能还能让学生体验由浅到深解剖过程，从而缓解因人体解剖标本稀缺，学生无法亲自动手解剖的问题，增加学生对脊柱局部结构的认识[13]。不仅如此，虚拟数字人形象生动、操作简单。充分利于虚拟人的数字化功能：如分离显示功能、逐层剥离功能等，可以提高学生自主学习能力。学生通过各种功能操作，发挥主动学习能力，利用系统功能能更快更好掌握复杂的脊柱结构。另外，虚拟数字人操作简单、利用率高，通过微课不仅可以节约了实验课脊柱标本显示结构不清楚的问题，加强脊柱解剖学教学效果。

2.2 帮助学生掌握脊柱正常影像图像

数字人系统有断层解剖学图像及与人体结构相对应的CT、MRI 图像。在脊柱解剖学教学中，可以引入脊柱断层解剖学知识，通过对矢状面、冠状面与横断面的观察，通过断面图像，加深学生对脊柱周围重要结构的掌握。与此同时，教学中通过解剖断面与影像图像的对照学习，帮助学生建立由基础到临床的桥梁。基础教学都是为临床服务的，在脊柱的基本结构的基础上深入，将脊柱的断层解剖学知识深化，教学中将解剖学基础知识与影像诊断应用结合起来，为临床教学中疾病诊断打下良好的基础。通过利用虚拟数字人系统，可以通过对脊柱结构的整体观察，对脊柱及周围结构建立较好的三维立体观，建立整体的观念；讲解脊柱部分断层解剖学，可以帮助学生的更好地掌握局部的解剖结构，通过观察断面结构与CT、MRI 图像进行比对学习，大大加强了教学效果。让学生运用虚拟数字人系统进行学习，除课堂教学外，在课外可以引导学生自主学习，提高学生的学习积极性，学生也可以根据自己的掌握内容实际情况有针对性学习，把握学习的进度，三维立体的结构，多角度观察使学生空间想象能力增强[14]。学生在主动探索的过程中，既能复习解剖学的基础知识，又能联系临床，搭建基础与临床的桥梁，并培养主动学习能力、独立分析和解决问题的能力。

2.3 帮助学生掌握脊柱疾病影像诊断与手术治疗

脊柱解剖结构和损伤机制复杂，正常的标本或模型很难揭示脊柱疾病特点。借助观察断面结构和正常的影像图像，帮助学生建立由整体到断层，再由断层回归到整体的学习思维。采用局部或异常图像与整体或正常影像的比较，通过观察影像学资料，可将抽象的文字资料形象化、具体化，通过对图像资料的归纳总结，加深学生学习印象，学生才更容易理解脊柱疾病的影像图像，便于学生掌握与长时间的记忆[15]。通过学习脊柱外科CT或MRI资料,加深学生对患者脊柱的病变情况的掌握，明白影像学检查对临床疾病确诊的重要意义，提高学生对相关知识技能的学习和掌握，可以进一步提高教学质量[16]。脊柱手术操作精细，位置较深，关键的操作步骤位置都比较深，学生观摩手术时，如果要清楚观察到手术细节，就需要站到手术者位置，这样影响了手术进程，增大了手术风险，并且短暂的观察无法满足学生学习需求。在手术前利用虚拟数字人，在正常人体结构的基础上，利用虚拟数字人先讲授病例的病变情况，手术的操作步骤，手术关键点，这样可以提高临床教学效果。

3 三维重建在脊柱外科临床教学中的应用

3.1 三维重建在脊柱断层影像解剖教学中的应用

在脊柱的断层影像解剖学教学过程中，实验教学是重要的组成部分。通过对比观察整体标本与断面，使学生在学习脊柱部分时能把整体与断面相结合，实物大体标本、断层标本及影像图像相结合。在教师的指导下，在脊柱标本与影像断面的学习过程中，部分标本结构不清晰不容易辨认。学生的动手机会较少。通过虚拟数字人系统，帮助学生建立脊柱整体观，然后由整体到断层的改变，但如何再由断层回归到整体，虚拟数字人系统还有一些不足。三维重建能在一定程度上改善以上教学方法的缺点，帮助学生理解三维立体结构[16]。Mimics 软件界面简洁，重建图像清晰，可用于脊柱外科的教学[17-18]。利用Mimics 在正常的CT 或MRI 图像中进行勾画，完成三维重建，成功地创建出脊柱三维模。所获得的三维模型几何形态逼真。模型可以不同颜色、不同组合显示，可进行放大、缩小、旋转等多方位观察。在教学的过程中，学生首先理解各个器官的位置关系，从各个角度对重建出来的结构进行观察，更好增强空间立体感觉，加深对正常脊柱结构的理解，培养学生由断层再回归到整体的思维模式，加强学生主动学习能力，提高学习兴趣与学习效率。

3.2 三维重建在脊柱病变临床教学中的应用

脊柱外科教学是骨科教学的重要组成部分，具有内容多，需要掌握的结构空间复杂，疾病表现形式多样，对手术的精细度要求很高。传统的一些图谱、CT 和MRI图片，不能立体地展示脊柱的病变状态，内容抽象，学生缺乏三维立体思维，难以激发学生学习兴趣，影响教学效果。通过虚拟数字人系统的教学，让学生掌握正常人体脊柱结构及其影像图像特点，促进学生对脊柱解剖学与其相关的疾病的理解。如何提高学生学习兴趣，掌握重要典型的脊柱病变及其影像学特点。需要收集典型病例的影像学资料，并进行分类。脊柱手术视野较小，学生在手术室观察手术时，很难熟悉手术过程，观察完手术后，对手术方式及手术入路还是不够理解，在有限的时间内难以完全教学内容[19]。利用医学影像处理软件Mimics 进行三维重建，就能直观展示复杂的脊柱疾病解剖结构和损伤状态，学生通过三维重建，比较直观观察到损伤情况，帮助学生熟悉脊柱疾病、如何选择治疗方案、了解整个手术过程，达到更好的教学效果。同时帮助学生建立由断层到整体的思维方式，将复杂的脊柱外科知识形象化。通过正常结构、正常影像图像与病变的对照，帮助学生掌握手术目的，深入理解手术方法注意事项，使学生更加容易理解手术操作视频，掌握各种复杂疾病临床手术方式及术后处理及手术后的康复方式。通过三维重建，帮助学生建立由基础与临床相结合桥梁。与此同时，不仅是传授知识，更是培养学生自主学习、解决问题的能力。

4 小结

在脊柱外科教学中，面对复杂的解剖学结构，X 线、CT、MRI 等影像学资料难以帮助空间构想能力不强的学生准确认识和充分理解。在脊柱外科中引入虚拟数字人系统和医学影像处理软件Mimics 进行三维重建。虚拟数字人系统通过各角度及各方面展示人体结构，能帮助学生回顾脊柱相关的解剖学知识，还能帮助学生建立三维立体空间想象能力；通过解剖学断面与影像相对应，搭建基础与临床的桥梁。通过CT、MRI 等影像学资料进行三维重建，帮助学生建立由断层到整体的思维观念，也建立由正常到病变的临床思维方式。通过引入虚拟数字人系统与三维重建，将基础知识、医学影像与临床相结合，激发学生的学习脊柱外科的兴趣，提高脊柱外科教学效果。