三维重建工具在胸外科教学中的应用探析——以全自动胸部CT三维重建为例

丁 成，方子尧，沈子青，赵 军

（苏州大学附属第一医院 胸外科，江苏 苏州 215006）

肺癌是全球癌症死亡的首要原因，根据全球癌症观测网（GLOBOCAN）的数据，2020年约有180万人死于肺癌［1］。随着胸部计算机断层扫描（computerized tomography,CT）的广泛应用，早期肺癌的检出率已大幅提升，尤其是浸润前病变，如磨玻璃结节等［2］。目前越来越多的研究表明，亚肺叶切除术，尤其是肺段切除术，是治疗早期肺部病变的有效方法之一［3］。一项多中心随机对照临床试验分析了接受不同术式的外周型非小细胞肺癌患者5年内的生存率，发现接受肺段切除术患者的生存率（94.3%）要优于接受肺叶切除术患者的生存率（91.1%）［4］。胸部CT影像在肺部手术过程中起着至关重要的作用，特别是对较为复杂的术式，如肺段切除术、联合亚段切除术等。由于普通的胸部CT对血管及支气管的显影不够直观，导致基于二维图像识别段级或亚段级的解剖结构具有挑战性。三维重建则可以较好地进行术前病灶三维定位和判定肺段归属，并确定安全的切除范围，进而实施肺段、联合肺段或亚肺段切除［5］。常用的三维重建软件主要包括MIMICS、ExoView、OsiriX、DeepInsight等。此外，得益于三维重建的效率，全自动胸部CT三维重建工具如InferVisual等正受到广泛关注，并在一些临床试验中验证了其血管和支气管识别的准确率［6］。

由于胸部的专业解剖结构复杂且变异较多，导致胸外科的临床教学一直存在对学员的空间想象能力要求较高、胸部CT阅片难度较大、学员对胸部专业解剖结构学习兴趣较低等问题［7］。同时，受大体标本数量短缺的影响，学员对胸外科解剖学的学习仅局限于解剖图谱、解剖学教材、器官模型及影像学资料［8］。三维重建技术可以加深学员对胸部复杂解剖结构的理解，同时对病灶的大小、形态以及病灶周围的气管、血管有更为直观的认识。该技术已经在一些教学医院的临床教学中得以运用，并验证了其在提高学员对胸部解剖结构的认知程度及对胸外科解剖学的学习积极性等方面的价值［9］。此前，我们的研究团队已成功开展了将三维重建应用于手术指导的研究，通过ExoView软件评估了术前三维CT支气管造影及血管造影（three-dimensional CT bronchography and angiography，3D-CTBA）在辨认肺血管解剖变异中的效果，并分析了接受单孔胸腔镜肺叶切除术或肺段切除术的患者术后短期内的情况，验证了术前3D-CTBA在辨认肺部解剖变异和提升肺叶切除术、肺段切除术安全性等方面有着积极作用［10］。然而，传统的三维重建软件仍存在一定的局限性，一名经验丰富的胸外科医生对一名患者的肺部解剖结构进行手动三维成像通常需要40分钟左右，这将大大消耗临床带教老师的精力，影响带教过程中三维重建模型的制作数量和质量。对于学员来说，虽然可以实际操作三维模型，进行旋转、放大等观察操作，但是由于传统三维重建软件学习成本较高，学习曲线较长，学员通常无法自主进行三维重建，更无法重建自己感兴趣病例的胸部CT。因此，我们探索了利用全自动胸部CT三维重建工具结合PBL和手术教学的胸外科临床教学方法，并验证了其在胸外科临床教学过程中的应用效果。

一、研究对象与方法

（一）研究对象

选取2021年10月至2022年9月在苏州大学附属第一医院胸外科规培的84名临床医学专业学员为研究对象，男生51名，女生33名，采用随机数表法分为试验组（n=42）和对照组（n=42），两组学员在性别、年龄及本科期间外科学总论课程成绩等方面均无统计学差异（p＞0.05），具有可比性，具体结果见表1。两组学员均由一名副主任医师与一名高年资主治医师带教，高年资主治医师负责术前带教，副主任医师负责术中带教和术后评分，其中副主任医师并不知晓学员的分组情况。研究期间无研究对象退出，所有研究对象对该研究内容知情同意。

表1 两组学员基线资料比较

（二）教学方法

试验组采用全自动胸部CT三维重建工具结合PBL和手术教学法。学员入科时，带教老师利用PPT教授肺部解剖学的基础内容及InferVisual软件的使用方法。患者入院时，带教老师带领学员采集病史、阅读胸部CT，并讲解良性肿瘤和恶性肿瘤的影像学特征及其周围的肺组织结构。学员利用InferVisual软件导入平扫CT图像，对患者的病灶及肺部组织结构进行三维重建。手术前，带教老师讲解亚肺叶切除术的手术原则，并带领学员基于患者的临床特点和三维重建模型规划手术方案。

对照组采用传统的PBL结合手术教学法。学员入科时，带教老师利用PPT结合解剖学图谱和肺脏模型讲解肺部解剖学的基础内容。患者入院时，带教老师带领学员采集病史、阅读胸部CT，讲解良性肿瘤和恶性肿瘤的影像学特征及其周围的肺组织结构。学员利用医院的PACS系统自行阅读胸部CT，结合肺脏模型和解剖学图谱学习肺组织结构。手术前，带教老师讲解亚肺叶切除术的手术原则，并带领学员基于患者的临床特点和胸部CT规划手术方案。

手术当天，两组学员均作为第二助手参与手术，所有手术均为胸腔镜下亚肺叶切除术。术中带教老师将基于电视胸腔镜的手术画面进行提问，包括对肺静脉、肺动脉、支气管等组织结构的辨认和手术路径的规划。手术结束后，带教老师将根据术中提问的情况对学员进行评分，并讲解患者术后病理学和生理学的改变及并发症的处理。

（三）教学效果评估

规培结束后通过理论考试、实践技能考试与问卷调研进行教学效果评估。理论知识考试采用闭卷笔试的方式进行，考试内容为胸外科基础知识，包含选择题、名词解释、问答题，满分为100分；实践技能考试包括带教老师术中评分（20分）、CT影像阅读（20分）、病灶定位能力（20分）、接诊病人与采集病史（20分）、临床思维（20分）五部分，满分为100分。采用自制调查问卷对学员的教学满意度进行调查，调查问卷包括胸外科学习兴趣（25分）、胸外科临床技能掌握程度（25分）、胸外科理论知识掌握程度（25分）、胸外科手术过程认知程度（25分）四部分，以无记名的方式由学员自由评分。

（四）统计学方法

二、结果

（一）两组学员理论考试和技能考试成绩比较

试验组出科理论考试成绩为（87.05±4.41）分，高于对照组的（80.93±5.15）分（p＜0.001）；试验组的技能考试成绩为（78.57±4.29）分，高于对照组的（70.38±5.18）分（p＜0.001）。其中，试验组技能考试成绩中的术中评分、CT影像阅读评分、病灶定位能力评分及临床思维评分均高于对照组（p＜0.001）；试验组与对照组接诊病人与采集病史的评分差异没有统计学意义（p=0.089），具体结果见表2。

表2 两组学员理论考试和技能考试成绩比较

（二）两组学员问卷调查结果比较

向两组学员发放教学满意度调研问卷84份，回收有效问卷84 份，回收率100%。调查问卷结果显示试验组总体教学满意度为（78.88±5.64）分，高于对照组的（70.64±6.12）分（p＜0.001），其中试验组学员的临床技能掌握程度、胸外科学习兴趣、胸外科手术过程认知程度均高于对照组（p＜0.001）；二者对胸外科理论知识掌握程度的评分差异没有统计学意义（p=0.089），具体结果见表3。

表3 两组学员调查问卷结果比较

三、讨论

肺外科手术是胸外科临床教学中的重要组成部分，学习肺部空间解剖结构对临床医学学员来说难度较大。在本科阶段，临床医学学员主要通过系统解剖学、局部解剖学的文字图谱及解剖标本获取解剖学知识，其中文字图谱和解剖学教材以文字描述及二维图像为主，而解剖标本的短缺导致同一标本被反复使用，易于损毁精细解剖结构，使学员难以准确辨认［8］。这些原因导致学员在胸外科规培过程中，难以全面理解肺部立体解剖结构［11-12］。因此，在传统胸部CT阅片结合手术演示的教学模式中，学员经常会出现错误辨认肺部解剖结构、难以理解手术入路等问题，甚至对胸外科复杂的立体解剖结构产生畏惧心理，大大影响了学员学习胸外科知识的兴趣和积极性。

三维重建及3D打印技术的出现，使胸部CT由二维平面图像变为三维立体图像，可以更加直观地展示肺部解剖结构［5］。然而，与三维重建相比，3D打印技术存在价格高昂、打印时间长等限制因素，难以在我国诸多教学医院中推广［13］。目前，已有多家教学医院将三维重建技术应用于胸外科临床教学中，与传统的教学方式相比，三维重建技术可以提高胸外科学员或规培生对复杂肺部解剖结构的认知程度及学习积极性［14-15］。但是传统的胸部CT三维重建工具效率较低，重建用时较长，影响了带教老师制作三维重建模型的积极性，且学习胸部CT三维重建工具的周期较长，学员在学习过程中只能被动地浏览制作好的肺部模型，难以参与到三维重建的过程中去，更无法自主对自己感兴趣的胸部CT进行三维重建。

我科尝试将一种全自动胸部CT三维重建工具——推想手术规划系统（InferVisual Surgery Planning Research version）应用到临床教学中，并研究了其在胸外科临床教学中的应用。该胸部CT三维重建工具已被验证拥有85%的支气管和血管鉴别准确率，平均三维重建耗时仅3分钟［6］。本研究结果显示，试验组的胸外科出科理论考试成绩高于对照组，这表明自动三维重建工具可以提高学员的胸外科理论知识水平。学员可以利用三维重建模型全方位地观察肺部解剖结构、血管和支气管分支情况，更为直观地学习肺部解剖结构。试验组的技能考试成绩整体高于对照组，且术中评分、CT影像阅读、病灶定位能力与临床思维等四部分的评分均高于对照组。两组接诊病人和采集病史的评分没有统计学差异（p=0.089）。三维重建模型与胸部CT图像、术中解剖结构相互印证，强化了学员对患者肺血管、支气管和病灶空间结构的认知以及对手术流程的理解。同时，学员还可以主动上传自己感兴趣的患者胸部CT图像进行三维重建，将二维图像与三维模型相结合，锻炼了学员的CT影像阅读能力和病灶定位能力。两组学员接诊病人与采集病史的能力无明显差异，这可能是由于学员接诊病人与病史采集能力的提升更依赖于教学查房、管理临床病人或者标准化病人模拟教学等教学方式［16］。调查问卷结果显示，试验组的总体教学满意度高于对照组，且临床技能掌握程度、胸外科学习兴趣、胸外科手术过程认知程度均高于对照组。全自动胸部CT三维重建模型激发了学员的学习兴趣，提升了学员的学习主动性，鼓励学员主动对临床上遇到的病例进行三维重建。但是，两组学员对胸外科理论知识掌握程度的评价没有统计学差异（p=0.083），这可能是由于作为初步接触胸外科临床工作的规培学员，对学科理论知识的认识还停留在病理学、生理学、生物化学等本科学习期间较为重要的学科上，忽略了解剖学的重要性。

综上所述，全自动胸部CT三维重建工具在胸外科规培学员的临床教学中起到了良好的作用，不仅增强了学员对胸外科理论知识的学习效果，还提升了学员的临床技能和学习兴趣，值得应用和推广。但是，基于三维模型的学习始终无法替代基于手术病人的实践训练，三维重建时肺处于膨胀状态，而在术中肺处于萎陷状态且受到牵拉，使得血管和支气管的位置与三维重建模型相比存在一定的差异。在术中电视胸腔镜显示的仍是二维图像，且视野范围有限，对学员的空间想象能力有一定的要求。未来，我科将尝试带领规培学员参与使用三维电视胸腔镜的胸外科手术，在术中将三维手术视野与三维重建图像相结合，进一步提升教学质量。