陳春 盧巍

臨床教學(xué)是醫(yī)學(xué)教育的重要一環(huán)，其目的是鞏固學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生將知識(shí)運(yùn)用于實(shí)踐，培養(yǎng)醫(yī)學(xué)生的臨床思維，直接影響醫(yī)學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量及其未來的工作能力[1]。在骨科教學(xué)中，脊柱外科是授課重點(diǎn)，并且也是教學(xué)中的難點(diǎn)之一。在脊柱外科教學(xué)過程中，脊柱解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜、知識(shí)點(diǎn)覆蓋廣泛、風(fēng)險(xiǎn)程度高，在教學(xué)過程中幫助學(xué)生熟悉脊柱的解剖結(jié)構(gòu)是最基本的要求。如何幫助學(xué)生建立脊柱三維空間結(jié)構(gòu)的思維方式是教學(xué)中的難點(diǎn)。另外，如何利用影像資料加深學(xué)生對(duì)病例的認(rèn)識(shí)是臨床教學(xué)中重要方面。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及數(shù)字醫(yī)學(xué)的飛速發(fā)展，相關(guān)技術(shù)在基礎(chǔ)教學(xué)、臨床醫(yī)療中開始逐步應(yīng)用，使臨床教學(xué)發(fā)生了較大的變化。隨著數(shù)字醫(yī)學(xué)的飛速發(fā)展，教學(xué)輔助軟件也得到廣泛應(yīng)用，脊柱方向的發(fā)展越來越借助于科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，如何將這些軟件來輔助教學(xué)值得我們思考[2]。本院將虛擬數(shù)字人與三維重建應(yīng)用到脊柱外科臨床教學(xué)，有利于對(duì)脊柱外科教學(xué)模式進(jìn)行嘗試和探索，鞏固學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)，培養(yǎng)臨床思維能力，達(dá)到將理論與臨床實(shí)際工作相結(jié)合，提高脊柱外科臨床教學(xué)效果。

1 現(xiàn)行脊柱外科臨床教學(xué)方式的不足

1.1 不重視解剖學(xué)基礎(chǔ)

臨床教學(xué)中，一般采用對(duì)典型病例進(jìn)行病史采集，影像資料分析，講授治療方案等，對(duì)于學(xué)生來說，這些內(nèi)容比較抽象。脊柱及毗鄰解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，知識(shí)面覆蓋廣[3]。要求學(xué)生不僅掌握椎體上的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，還有椎間盤、神經(jīng)根等，其周圍有重要的血管神經(jīng)。學(xué)生在大學(xué)一年級(jí)時(shí)學(xué)習(xí)椎骨的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)，脊神經(jīng)，脊髓的被膜、血管等[4]。這些都是按照系統(tǒng)來學(xué)習(xí)的，缺乏整體認(rèn)識(shí)。局解教學(xué)時(shí)以四肢為主，對(duì)脊柱部分講解不多，椎骨周圍的血管及神經(jīng)等由于位置較深，學(xué)生操作較少，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)脊柱及毗鄰結(jié)構(gòu)缺乏三維立體認(rèn)識(shí)。臨床帶教老師認(rèn)為解剖學(xué)基礎(chǔ)是以前應(yīng)該掌握好的內(nèi)容，對(duì)此部分講授比較少，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)臨床病例時(shí)接受困難。

1.2 缺乏三維立體思維

在基礎(chǔ)解剖結(jié)構(gòu)的教學(xué)中，學(xué)生缺乏對(duì)正常脊柱及其毗鄰結(jié)構(gòu)的三維立體學(xué)習(xí)，沒有建立良好的三維立體思維方式。在脊柱外科教學(xué)中，主要還是以解剖學(xué)圖、X 線片、CT、MRI 影像資料來講解[4]。這些二維影像資料缺乏立體性、直觀性。而且脊柱疾病非常復(fù)雜性，學(xué)生通過二維影像資料學(xué)習(xí)時(shí)，由于不能把正常的解剖結(jié)構(gòu)與影像資料相對(duì)應(yīng)，很難掌握脊柱正常與病理結(jié)構(gòu)，無法達(dá)到理想的教學(xué)效果。傳統(tǒng)的教學(xué)模式，對(duì)脊柱、脊髓、周圍重要血管與神經(jīng)的空間三維結(jié)構(gòu)，主要來源于圖片和影像檢查的資料，這些資料都是二維的資料，如何把這二維的影像資料轉(zhuǎn)化為三維立體結(jié)構(gòu)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)能把正常解剖結(jié)構(gòu)、影像圖與病理狀態(tài)聯(lián)系起來，值得探討[5]。三維重建能在一定程度上改善以上教學(xué)方法的缺點(diǎn)，醫(yī)學(xué)影像處理軟件Mimics 界面友好，重建圖像清晰，可用于輔助脊柱外科教學(xué)。采用Mimics 軟件建立脊柱等結(jié)構(gòu)的三維重建模型，在實(shí)踐過程中提升學(xué)生的動(dòng)手能力，提高學(xué)生興趣與教學(xué)質(zhì)量，作為傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段的有益補(bǔ)充[6]。

1.3 缺乏實(shí)踐操作

常規(guī)臨床教學(xué)主要為教師講解脊柱病患的常見疾病發(fā)生原因、臨床表現(xiàn)、臨床診斷與治療，然后對(duì)患者進(jìn)行問診、體格檢查以及書寫病例。在臨床實(shí)踐方面，老師擬定診療方案，讓學(xué)生參與椎間盤突出等病例的治療過程，其中包括手術(shù)前的準(zhǔn)備工作、手術(shù)后鍛煉進(jìn)行康復(fù)等，在手術(shù)過程中也可以通過手術(shù)視頻或帶領(lǐng)少數(shù)同學(xué)觀察，讓學(xué)生熟悉手術(shù)的整個(gè)過程，加深對(duì)手術(shù)的理解。在運(yùn)用PBL 的方面，學(xué)生通過學(xué)習(xí)課件、視頻及相關(guān)資料等等，自主學(xué)習(xí)查閱文獻(xiàn)資料尋找問題答案，探討學(xué)生學(xué)習(xí)手術(shù)過程中遇到的困難，帶教老師面對(duì)學(xué)生存在的問題進(jìn)行針對(duì)性指導(dǎo)，最后指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行體格檢查及病例書寫。但整個(gè)教學(xué)過程中，學(xué)生只是抽象了解病例，對(duì)手術(shù)治療過程及術(shù)后處理缺乏感性認(rèn)識(shí)[7-10]。并且由于脊柱手術(shù)本身具有的復(fù)雜性及風(fēng)險(xiǎn)性，且手術(shù)操作空間小，學(xué)生基本上觀察不到手術(shù)過程，只能從操作視頻學(xué)習(xí)，更加缺乏實(shí)踐操作，從而需要一種更加直觀感性的教學(xué)方式進(jìn)行補(bǔ)充。

2 虛擬數(shù)字人在脊柱外科臨床教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 幫助學(xué)生掌握脊柱正常解剖結(jié)構(gòu)

通過虛擬數(shù)字人系統(tǒng)，加載脊柱及周圍結(jié)構(gòu)。虛擬數(shù)字人解剖系統(tǒng)圖像的清晰，分辨率很高，畫面與實(shí)體標(biāo)本相比差異不顯著，將原本復(fù)雜難以理解的脊柱解剖學(xué)相關(guān)知識(shí)立體地展示給學(xué)生。這些三維圖片可以多角度觀察器官的位置、形態(tài)，加強(qiáng)理解，讓學(xué)生直觀學(xué)習(xí)，簡(jiǎn)單明了，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的信心。虛擬數(shù)字人系統(tǒng)較為直觀、可以三維立體展示復(fù)雜的脊柱結(jié)構(gòu)及毗鄰關(guān)系。能夠輕松觀察到實(shí)驗(yàn)課中脊柱標(biāo)本不能清楚觀察的血管與神經(jīng)?？梢酝ㄟ^從不同角度觀察脊柱的立體構(gòu)造，并根據(jù)實(shí)際需要，可以對(duì)表面的結(jié)構(gòu)進(jìn)行刪除或隱藏，從而使學(xué)生掌握相應(yīng)脊柱結(jié)構(gòu)的毗鄰關(guān)系。通過虛擬數(shù)字人直觀立體的展示，原本復(fù)雜的結(jié)構(gòu)可以由淺到深一層一層學(xué)習(xí)，有利于學(xué)生掌握脊柱的立體結(jié)構(gòu)，特別是周圍結(jié)構(gòu)的形態(tài)、位置及其毗鄰關(guān)系等，培養(yǎng)同學(xué)們對(duì)脊柱結(jié)構(gòu)建立三維立體構(gòu)象[11-12]。除此之外，模擬手術(shù)解剖的功能還能讓學(xué)生體驗(yàn)由淺到深解剖過程，從而緩解因人體解剖標(biāo)本稀缺，學(xué)生無法親自動(dòng)手解剖的問題，增加學(xué)生對(duì)脊柱局部結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)[13]。不僅如此，虛擬數(shù)字人形象生動(dòng)、操作簡(jiǎn)單。充分利于虛擬人的數(shù)字化功能：如分離顯示功能、逐層剝離功能等，可以提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力。學(xué)生通過各種功能操作，發(fā)揮主動(dòng)學(xué)習(xí)能力，利用系統(tǒng)功能能更快更好掌握復(fù)雜的脊柱結(jié)構(gòu)。另外，虛擬數(shù)字人操作簡(jiǎn)單、利用率高，通過微課不僅可以節(jié)約了實(shí)驗(yàn)課脊柱標(biāo)本顯示結(jié)構(gòu)不清楚的問題，加強(qiáng)脊柱解剖學(xué)教學(xué)效果。

2.2 幫助學(xué)生掌握脊柱正常影像圖像

數(shù)字人系統(tǒng)有斷層解剖學(xué)圖像及與人體結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的CT、MRI 圖像。在脊柱解剖學(xué)教學(xué)中，可以引入脊柱斷層解剖學(xué)知識(shí)，通過對(duì)矢狀面、冠狀面與橫斷面的觀察，通過斷面圖像，加深學(xué)生對(duì)脊柱周圍重要結(jié)構(gòu)的掌握。與此同時(shí)，教學(xué)中通過解剖斷面與影像圖像的對(duì)照學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生建立由基礎(chǔ)到臨床的橋梁?；A(chǔ)教學(xué)都是為臨床服務(wù)的，在脊柱的基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上深入，將脊柱的斷層解剖學(xué)知識(shí)深化，教學(xué)中將解剖學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)與影像診斷應(yīng)用結(jié)合起來，為臨床教學(xué)中疾病診斷打下良好的基礎(chǔ)。通過利用虛擬數(shù)字人系統(tǒng)，可以通過對(duì)脊柱結(jié)構(gòu)的整體觀察，對(duì)脊柱及周圍結(jié)構(gòu)建立較好的三維立體觀，建立整體的觀念；講解脊柱部分?jǐn)鄬咏馄蕦W(xué)，可以幫助學(xué)生的更好地掌握局部的解剖結(jié)構(gòu)，通過觀察斷面結(jié)構(gòu)與CT、MRI 圖像進(jìn)行比對(duì)學(xué)習(xí)，大大加強(qiáng)了教學(xué)效果。讓學(xué)生運(yùn)用虛擬數(shù)字人系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)，除課堂教學(xué)外，在課外可以引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，學(xué)生也可以根據(jù)自己的掌握內(nèi)容實(shí)際情況有針對(duì)性學(xué)習(xí)，把握學(xué)習(xí)的進(jìn)度，三維立體的結(jié)構(gòu)，多角度觀察使學(xué)生空間想象能力增強(qiáng)[14]。學(xué)生在主動(dòng)探索的過程中，既能復(fù)習(xí)解剖學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，又能聯(lián)系臨床，搭建基礎(chǔ)與臨床的橋梁，并培養(yǎng)主動(dòng)學(xué)習(xí)能力、獨(dú)立分析和解決問題的能力。

2.3 幫助學(xué)生掌握脊柱疾病影像診斷與手術(shù)治療

脊柱解剖結(jié)構(gòu)和損傷機(jī)制復(fù)雜，正常的標(biāo)本或模型很難揭示脊柱疾病特點(diǎn)。借助觀察斷面結(jié)構(gòu)和正常的影像圖像，幫助學(xué)生建立由整體到斷層，再由斷層回歸到整體的學(xué)習(xí)思維。采用局部或異常圖像與整體或正常影像的比較，通過觀察影像學(xué)資料，可將抽象的文字資料形象化、具體化，通過對(duì)圖像資料的歸納總結(jié)，加深學(xué)生學(xué)習(xí)印象，學(xué)生才更容易理解脊柱疾病的影像圖像，便于學(xué)生掌握與長(zhǎng)時(shí)間的記憶[15]。通過學(xué)習(xí)脊柱外科CT或MRI資料,加深學(xué)生對(duì)患者脊柱的病變情況的掌握，明白影像學(xué)檢查對(duì)臨床疾病確診的重要意義，提高學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)技能的學(xué)習(xí)和掌握，可以進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量[16]。脊柱手術(shù)操作精細(xì)，位置較深，關(guān)鍵的操作步驟位置都比較深，學(xué)生觀摩手術(shù)時(shí)，如果要清楚觀察到手術(shù)細(xì)節(jié)，就需要站到手術(shù)者位置，這樣影響了手術(shù)進(jìn)程，增大了手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，并且短暫的觀察無法滿足學(xué)生學(xué)習(xí)需求。在手術(shù)前利用虛擬數(shù)字人，在正常人體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用虛擬數(shù)字人先講授病例的病變情況，手術(shù)的操作步驟，手術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)，這樣可以提高臨床教學(xué)效果。

3 三維重建在脊柱外科臨床教學(xué)中的應(yīng)用

3.1 三維重建在脊柱斷層影像解剖教學(xué)中的應(yīng)用

在脊柱的斷層影像解剖學(xué)教學(xué)過程中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是重要的組成部分。通過對(duì)比觀察整體標(biāo)本與斷面，使學(xué)生在學(xué)習(xí)脊柱部分時(shí)能把整體與斷面相結(jié)合，實(shí)物大體標(biāo)本、斷層標(biāo)本及影像圖像相結(jié)合。在教師的指導(dǎo)下，在脊柱標(biāo)本與影像斷面的學(xué)習(xí)過程中，部分標(biāo)本結(jié)構(gòu)不清晰不容易辨認(rèn)。學(xué)生的動(dòng)手機(jī)會(huì)較少。通過虛擬數(shù)字人系統(tǒng)，幫助學(xué)生建立脊柱整體觀，然后由整體到斷層的改變，但如何再由斷層回歸到整體，虛擬數(shù)字人系統(tǒng)還有一些不足。三維重建能在一定程度上改善以上教學(xué)方法的缺點(diǎn)，幫助學(xué)生理解三維立體結(jié)構(gòu)[16]。Mimics 軟件界面簡(jiǎn)潔，重建圖像清晰，可用于脊柱外科的教學(xué)[17-18]。利用Mimics 在正常的CT 或MRI 圖像中進(jìn)行勾畫，完成三維重建，成功地創(chuàng)建出脊柱三維模。所獲得的三維模型幾何形態(tài)逼真。模型可以不同顏色、不同組合顯示，可進(jìn)行放大、縮小、旋轉(zhuǎn)等多方位觀察。在教學(xué)的過程中，學(xué)生首先理解各個(gè)器官的位置關(guān)系，從各個(gè)角度對(duì)重建出來的結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，更好增強(qiáng)空間立體感覺，加深對(duì)正常脊柱結(jié)構(gòu)的理解，培養(yǎng)學(xué)生由斷層再回歸到整體的思維模式，加強(qiáng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)能力，提高學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)效率。

3.2 三維重建在脊柱病變臨床教學(xué)中的應(yīng)用

脊柱外科教學(xué)是骨科教學(xué)的重要組成部分，具有內(nèi)容多，需要掌握的結(jié)構(gòu)空間復(fù)雜，疾病表現(xiàn)形式多樣，對(duì)手術(shù)的精細(xì)度要求很高。傳統(tǒng)的一些圖譜、CT 和MRI圖片，不能立體地展示脊柱的病變狀態(tài)，內(nèi)容抽象，學(xué)生缺乏三維立體思維，難以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，影響教學(xué)效果。通過虛擬數(shù)字人系統(tǒng)的教學(xué)，讓學(xué)生掌握正常人體脊柱結(jié)構(gòu)及其影像圖像特點(diǎn)，促進(jìn)學(xué)生對(duì)脊柱解剖學(xué)與其相關(guān)的疾病的理解。如何提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，掌握重要典型的脊柱病變及其影像學(xué)特點(diǎn)。需要收集典型病例的影像學(xué)資料，并進(jìn)行分類。脊柱手術(shù)視野較小，學(xué)生在手術(shù)室觀察手術(shù)時(shí)，很難熟悉手術(shù)過程，觀察完手術(shù)后，對(duì)手術(shù)方式及手術(shù)入路還是不夠理解，在有限的時(shí)間內(nèi)難以完全教學(xué)內(nèi)容[19]。利用醫(yī)學(xué)影像處理軟件Mimics 進(jìn)行三維重建，就能直觀展示復(fù)雜的脊柱疾病解剖結(jié)構(gòu)和損傷狀態(tài)，學(xué)生通過三維重建，比較直觀觀察到損傷情況，幫助學(xué)生熟悉脊柱疾病、如何選擇治療方案、了解整個(gè)手術(shù)過程，達(dá)到更好的教學(xué)效果。同時(shí)幫助學(xué)生建立由斷層到整體的思維方式，將復(fù)雜的脊柱外科知識(shí)形象化。通過正常結(jié)構(gòu)、正常影像圖像與病變的對(duì)照，幫助學(xué)生掌握手術(shù)目的，深入理解手術(shù)方法注意事項(xiàng)，使學(xué)生更加容易理解手術(shù)操作視頻，掌握各種復(fù)雜疾病臨床手術(shù)方式及術(shù)后處理及手術(shù)后的康復(fù)方式。通過三維重建，幫助學(xué)生建立由基礎(chǔ)與臨床相結(jié)合橋梁。與此同時(shí)，不僅是傳授知識(shí)，更是培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、解決問題的能力。

4 小結(jié)

在脊柱外科教學(xué)中，面對(duì)復(fù)雜的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)，X 線、CT、MRI 等影像學(xué)資料難以幫助空間構(gòu)想能力不強(qiáng)的學(xué)生準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)和充分理解。在脊柱外科中引入虛擬數(shù)字人系統(tǒng)和醫(yī)學(xué)影像處理軟件Mimics 進(jìn)行三維重建。虛擬數(shù)字人系統(tǒng)通過各角度及各方面展示人體結(jié)構(gòu)，能幫助學(xué)生回顧脊柱相關(guān)的解剖學(xué)知識(shí)，還能幫助學(xué)生建立三維立體空間想象能力；通過解剖學(xué)斷面與影像相對(duì)應(yīng)，搭建基礎(chǔ)與臨床的橋梁。通過CT、MRI 等影像學(xué)資料進(jìn)行三維重建，幫助學(xué)生建立由斷層到整體的思維觀念，也建立由正常到病變的臨床思維方式。通過引入虛擬數(shù)字人系統(tǒng)與三維重建，將基礎(chǔ)知識(shí)、醫(yī)學(xué)影像與臨床相結(jié)合，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)脊柱外科的興趣，提高脊柱外科教學(xué)效果。