心臟外科教學(xué)中三維重建技術(shù)的應(yīng)用范文

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［摘要］目的探討三維重建技術(shù)用于心臟外科教學(xué)的效果。方法應(yīng)用虛擬人一、二號提供的解剖切片圖像，重建心臟正常的3D圖像；應(yīng)用心臟CT收集數(shù)據(jù)，重建各種心臟疾病的心臟3D圖像，并做成動圖形式，放置于教學(xué)幻燈片上，完成教學(xué)幻燈片的制作。選取2016年度2名教師授課的4個班級作為研究對象，每名教師授課的2個班級中一個為研究組，應(yīng)用含有3D圖像的教學(xué)幻燈片進(jìn)行教學(xué)；另一個為對照組，應(yīng)用傳統(tǒng)教學(xué)方法進(jìn)行教學(xué)。以課后問卷調(diào)查、課后測驗及期末測驗評價效果，進(jìn)行評分及分?jǐn)?shù)統(tǒng)計。結(jié)果研究組學(xué)生普遍反映3D圖像能很好地幫助其理解各種解剖的變異，通過這種解剖的變異，能更好地理解這種變異引起的病理生理學(xué)變化，因而能更好地掌握、記憶這種疾病的臨床表現(xiàn)及診治方法，更好地學(xué)習(xí)掌握這些疾病。2個研究組學(xué)生課后測驗平均成績分別為（86．2±7．3）分、（84．9±5．8）分，2個對照組學(xué)生課后測驗平均成績分別為（79．1±10．2）、（73．4±6．9）分；2個研究組學(xué)生期末考試平均成績分別為（82．2±8．7）、（86．5±7．3）分，2個對照組學(xué)生期末考試平均成績分別為（74．8±5．7）、（78．3±5．9）分。研究組學(xué)生課后測驗、期末考試成績均明顯優(yōu)于對照組，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0．05）。結(jié)論三維重建技術(shù)能為心臟外科的教學(xué)提供新的數(shù)字化教學(xué)手段和豐富的影像學(xué)資料，便于教師的教學(xué)，也便于學(xué)生的理解與學(xué)習(xí)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也提高了教學(xué)質(zhì)量。

［關(guān)鍵詞］成像，三維；胸外科學(xué)／教育；體層攝影術(shù)，X線計算機(jī)；教學(xué)

心臟外科學(xué)具有高度的專業(yè)性和風(fēng)險性，心臟外科學(xué)的教學(xué)一直是外科教學(xué)的難點，培養(yǎng)優(yōu)秀的心臟外科人才是臨床教學(xué)面臨的一個重要問題［1］。心臟的解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，解剖變異多，且目前心臟外科的教學(xué)手段相對落后，主要用的是掛圖、幻燈片及錄像等。這些手段僅能提供抽象的二維心臟平面圖像，難以對心臟這種解剖復(fù)雜的三維立體結(jié)構(gòu)進(jìn)行直觀說明，因而學(xué)生也就不能很好地理解心臟外科疾病的解剖及病理生理過程。教師有時要為解說一個圖片反復(fù)演說、反復(fù)采用手勢比喻，但教學(xué)效果仍不盡人意，學(xué)生不能很好地理解，學(xué)習(xí)積極性也受到很大的挫折。因此，為提高心臟外科學(xué)的教學(xué)效果，教學(xué)手段的改進(jìn)勢在必行。隨著計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，計算機(jī)圖像技術(shù)及虛擬人技術(shù)不斷發(fā)展，三維重建技術(shù)在教學(xué)及科研中得到了廣泛應(yīng)用。三維重建技術(shù)是指對三維物體建立適合計算機(jī)表示和處理的數(shù)學(xué)模型，是在計算機(jī)環(huán)境下對其進(jìn)行處理、操作和分析其性質(zhì)的基礎(chǔ)，也是在計算機(jī)中建立表達(dá)客觀世界的虛擬現(xiàn)實的關(guān)鍵技術(shù)。目前，在醫(yī)學(xué)臨床與教學(xué)領(lǐng)域，常見的三維重建技術(shù)主要有3種：虛擬人切削斷層重建、三維激光掃描儀重建、CT重建技術(shù)。尤其是CT重建技術(shù)，在臨床及教學(xué)中應(yīng)用廣泛。有研究表明，在影像解剖學(xué)的學(xué)習(xí)中CT重建技術(shù)能明顯提高學(xué)習(xí)效果［2］。據(jù)此，本研究應(yīng)用CT重建技術(shù)，建立了一套3D的心臟外科教學(xué)課件用于教學(xué)，取得了滿意的教學(xué)效果，現(xiàn)報道如下。

1材料與方法

1．1材料

電腦1臺，常規(guī)配置，windows7操作系統(tǒng)，能流暢運(yùn)行3Dmax等繪圖軟件。

1．2方法

1．2．1幻燈片制作通過網(wǎng)絡(luò)下載第三軍醫(yī)大學(xué)提供的虛擬人一、二號解剖學(xué)切片圖像，收集各種心臟疾病的患者進(jìn)行心臟CT檢查，收集數(shù)據(jù)，應(yīng)用CT工作站進(jìn)行三維重建。按外科學(xué)教學(xué)大綱要求制作教學(xué)章節(jié)的幻燈片。根據(jù)以往的教學(xué)經(jīng)驗，在學(xué)生難于理解的心臟解剖上應(yīng)用虛擬人一、二號提供的解剖切片圖像重建心臟正常的3D圖像；應(yīng)用心臟CT收集數(shù)據(jù)重建各種心臟疾病的心臟3D圖像。并做成動圖形式，放置于教學(xué)幻燈片上，完成教學(xué)幻燈片的制作。

1．2．2教學(xué)方法選取2016年度2名教師授課的4個班級作為研究對象，每名教師授課的2個班級中一個為研究組，應(yīng)用含有3D圖像的教學(xué)幻燈片進(jìn)行教學(xué)；另一個班級為對照組，應(yīng)用傳統(tǒng)教學(xué)方法進(jìn)行教學(xué)。

1．2．3評估指標(biāo)課后立即發(fā)放調(diào)查問卷，了解各組學(xué)生對授課的主觀感受；同時即刻進(jìn)行10min簡單測驗，測驗題為20道選擇題，考查各組學(xué)生對授課內(nèi)容即刻的學(xué)習(xí)及理解程度，進(jìn)行評分及分?jǐn)?shù)統(tǒng)計。另外，在學(xué)期末進(jìn)行考試，全面考查各組學(xué)生對本專業(yè)的學(xué)習(xí)情況，進(jìn)行評分及分?jǐn)?shù)統(tǒng)計。各組學(xué)生均參加了問卷調(diào)查、課后測驗及期末考試，調(diào)查問卷、測驗及試卷回收率均為100％。

1．3統(tǒng)計學(xué)處理

應(yīng)用SPSS13．0統(tǒng)計軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，計量資料以x±s表示，采用t檢驗。P＜0．05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2結(jié)果

2．1問卷調(diào)查情況

對照組學(xué)生中多數(shù)學(xué)生反映的問題主要為病變心臟解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不能從解剖結(jié)構(gòu)上認(rèn)清各種心臟疾病，其引起的病理生理過程難于理解，感覺心臟外科課程難于記憶、學(xué)習(xí)。研究組學(xué)生普遍反映3D圖像能很好地幫助其理解各種解剖的變異，通過這種解剖的變異，能更好地理解這種變異引起的病理生理學(xué)變化，因而能更好地掌握、記憶這種疾病的臨床表現(xiàn)及診治方法，能更好地學(xué)習(xí)掌握這些疾病。

2．2各組學(xué)生課后測驗成績比較

研究組學(xué)生課后測驗成績均明顯優(yōu)于對照組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0．05）。見表1。

2．3各組學(xué)生期末考試成績比較

研究組學(xué)生期末考試成績明顯優(yōu)于對照組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0．05）。見表2。

3討論

心臟解剖復(fù)雜難學(xué)，教學(xué)課時少，心臟外科疾病主要是心臟結(jié)構(gòu)的異常導(dǎo)致的疾病，這種結(jié)構(gòu)異常的心臟更增加了學(xué)習(xí)的難度［3］。心臟外科的教學(xué)手段相對落后，至今仍是以掛圖及幻燈圖片結(jié)合教師的講授為主的教學(xué)方法。這種方法講解一個結(jié)構(gòu)復(fù)雜的心臟顯得十分局限與單薄，造成學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣低下，學(xué)習(xí)效果不佳［4］。心臟外科疾病的病理生理與解剖密切相關(guān)，這種解剖結(jié)構(gòu)的辨識不清就造成了不能理解疾病的病理生理過程。而病理生理過程的不理解也就使學(xué)生很難掌握疾病的臨床表現(xiàn)，因而對診治方法的學(xué)習(xí)就更無從談起。可見，在心臟外科教學(xué)中，心臟的解剖結(jié)構(gòu)的教學(xué)是重點，掌握了正常和異常心臟的解剖結(jié)構(gòu)，就能很好地學(xué)習(xí)心臟外科學(xué)，許多難點也就迎刃而解了［5］。隨著計算機(jī)技術(shù)及影像學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，三維重建技術(shù)在臨床實際工作中應(yīng)用廣泛，利用三維重建技術(shù)可清晰顯示人體的組織結(jié)構(gòu)、比鄰關(guān)系等［6］，能指導(dǎo)手術(shù)方案的制定及手術(shù)的實施。常見的三維重建技術(shù)有3種：虛擬人切削斷層重建、三維激光掃描儀重建、CT重建技術(shù)。虛擬人切削斷層重建也稱為可視人體計劃數(shù)據(jù)集，在此基礎(chǔ)上，可從多個角度層面觀察人體的解剖結(jié)構(gòu)。我國于2002年由第三軍醫(yī)大學(xué)首先完成5例中國可視化人體數(shù)據(jù)集的采集，這些數(shù)據(jù)采集使用了高精度數(shù)控銑床和高質(zhì)量、高分辨力的數(shù)碼相機(jī)，確保了每層斷面解剖結(jié)構(gòu)的高清晰度和解剖結(jié)構(gòu)的精細(xì)度，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了人體多個系統(tǒng)的可視化研究。2003年2月我國第一個“虛擬人”在廣東第一軍醫(yī)大學(xué)完成，這例“虛擬人”的切屑層面更薄，超過了美國等其他國家的技術(shù)。這些虛擬人數(shù)據(jù)再進(jìn)一步開發(fā)，由此所引申的人體可視化虛擬醫(yī)學(xué)，即虛擬解剖學(xué)、虛擬影像學(xué)及虛擬外科學(xué)等［7］。目前，國外已開發(fā)出與醫(yī)學(xué)有關(guān)的可視化虛擬的應(yīng)用，主要包括教學(xué)、手術(shù)、內(nèi)窺鏡檢查等，其研究結(jié)果證實虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有低代價、零風(fēng)險、重復(fù)性、自動指導(dǎo)等優(yōu)點，可迅速提高學(xué)習(xí)者的解剖學(xué)基礎(chǔ)、手術(shù)及其他操作技能。三維激光重建技術(shù)利用三維激光掃描儀進(jìn)行物體表面掃描，并利用相應(yīng)的圖像分析軟件將圖像拼接，從而重建物體的三維重建圖像，這樣的圖像是一種立體的圖像，可旋轉(zhuǎn)，可全方位地對物體表面進(jìn)行觀察［8］。這種方法用于教學(xué)，可使某個組織、器官解剖學(xué)的教與學(xué)更直觀，有利于學(xué)生對組織、器官解剖學(xué)知識的理解和記憶。但利用三維激光掃描儀重建也具有很大的局限性，其只能對骨等形態(tài)固定的組織、器官表面外形進(jìn)行重建，無法對內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行重建，且也無法重建變形較大的軟組織等。CT重建技術(shù)是目前運(yùn)用最廣泛的三維重建技術(shù)。近年來，CT技術(shù)進(jìn)步飛速，多排高速螺旋CT已基本在臨床普及。多排高速螺旋CT能快速、清晰地獲得大量的數(shù)據(jù)，因而通過計算機(jī)可重建出十分精細(xì)的組織、器官圖像。通過CT重建出的圖像具有以下優(yōu)點［9－10］：（1）三維圖像視覺效果好，形象逼真，表面紋理真實，立體感強(qiáng)。（2）能準(zhǔn)確地顯示形態(tài)結(jié)構(gòu)、位置和毗鄰關(guān)系，且可進(jìn)行任意角度、任意方位的觀察，單個結(jié)構(gòu)觀察或任意組合等；還可將外層的結(jié)構(gòu)去掉或透明化，使各器官之間由于位置關(guān)系的遮擋而影響深部結(jié)構(gòu)觀察的問題得以解決，直觀清楚地觀察到各結(jié)構(gòu)的空間位置和毗鄰關(guān)系。（3）可進(jìn)行多彩色標(biāo)記，觀察各結(jié)構(gòu)的整體形態(tài)及邊界輪廓，并可對感興趣的結(jié)構(gòu)進(jìn)行二維或三維的距離、角度測量，單個結(jié)構(gòu)的表面積測量和體積測量等。（4）可連續(xù)動態(tài)顯示可視化圖像，進(jìn)而可制作成動畫輸出，畫面清晰、流暢。（5）三維圖像結(jié)合數(shù)碼解剖互動實驗室的優(yōu)勢，操作方便、簡單，便于學(xué)習(xí)應(yīng)用。因此，通過CT三維重建圖像能直觀、形象地顯示面顱骨、皮膚、肌肉、血管的形態(tài)結(jié)構(gòu)，真實地反映血管的口徑、長度、走行及空間位置關(guān)系，且通過骨、皮膚等組織的透明化，位置毗鄰關(guān)系的顯示效果更佳［11］。本研究應(yīng)用下載的虛擬人一、二號的斷層解剖切片的數(shù)據(jù)，重建了正常的心臟解剖；應(yīng)用CT掃描的各種心臟外科疾病患者的心臟，重建了多種心臟外科疾病的心臟解剖。將這些重建立體圖像輸入電腦，應(yīng)用繪圖軟件將心臟各部分著以不同的顏色，再應(yīng)用計算機(jī)將各種心臟疾病的心內(nèi)異常結(jié)構(gòu)予以顯露。將這些立體的圖像以動畫的形式做成教學(xué)幻燈片，用于心臟外科的教學(xué)。學(xué)生通過對這種課件的學(xué)習(xí)，從各個角度觀察正常的心臟解剖及病理狀況下的心臟解剖結(jié)構(gòu)，更加直觀，更易理解［12］。在理解這些解剖的同時，也便于學(xué)習(xí)各種疾病的病理生理變化，也能更好地理解其各種臨床表現(xiàn)及診治方法。調(diào)查問卷結(jié)果顯示，研究組學(xué)生普遍感覺學(xué)習(xí)更加輕松，更易理解；課后即刻測驗的成績及期末考試成績也反映了這種新的3D圖像的幻燈教學(xué)能幫助學(xué)生理解和記憶所學(xué)內(nèi)容，更好地學(xué)習(xí)和掌握這些疾病，提高了學(xué)習(xí)效果。目前，隨著計算機(jī)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)學(xué)教學(xué)領(lǐng)域面臨變革。三維重建技術(shù)能為心臟外科的教學(xué)提供新的數(shù)字化教學(xué)手段和豐富的影像學(xué)資料，便于教師的教學(xué)，也便于學(xué)生的理解與學(xué)習(xí)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也提高了教學(xué)質(zhì)量。當(dāng)然，將三維重建技術(shù)用于教學(xué)尚處于探索階段，如何更好地建立圖像，更好地利用計算機(jī)軟件將心臟的各部分進(jìn)行分解組合，以及各種心臟疾病的解剖變異情況尚不能一一進(jìn)行顯示，還需要進(jìn)一步收集數(shù)據(jù)及應(yīng)用多種軟件對獲取圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。同時，還需要與各種專業(yè)人士合作，制作出更加精美、更加豐富的教學(xué)課件。

參考文獻(xiàn)

［1］楊學(xué)勇．醫(yī)學(xué)生心臟外科學(xué)臨床教學(xué)方法的探討［J］．醫(yī)學(xué)教育研究與實踐，2018，26（6）：1070－1072．

［2］馬錦怡，李鵬，喻國艷，等．基于CT圖像后處理技術(shù)人體骨關(guān)節(jié)系統(tǒng)三維圖像在影像解剖學(xué)學(xué)習(xí)中的應(yīng)用價值［J］．海南醫(yī)學(xué)，2018，29（14）：1991－1993．

［3］賈一新，孟旭，李巖，等．多媒體結(jié)合互動式教學(xué)在心臟外科見習(xí)教學(xué)中的應(yīng)用［J］．中國心血管病研究雜志，2017，15（11）：1050－1053．

［4］史政榮，熊秀，金家貴．三維重建技術(shù)在外科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用［J］．西南軍醫(yī)，2009，11（4）：757－758．

［5］潘存雪，黨軍，劉文亞，等．CT三維重建心臟立體模型在心臟大血管X線平片教學(xué)中的作用［J］．繼續(xù)醫(yī)學(xué)教育，2015，29（8）：21－22．

［6］張善國，王雪，牛志林，等．關(guān)于多種三維成像方法在影響醫(yī)學(xué)教學(xué)中價值的研究［J］．齊齊哈爾醫(yī)學(xué)院學(xué)報，2012，33（20）：2820－2821．

［7］胡南，鄭小林，張紹祥，等．基于虛擬現(xiàn)實的女性盆腔可視化及手術(shù)仿真［J］．中國醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，2010，26（2）：340－342．

［8］王殊軼，譚杰，王慧芳．激光掃描三維特征提取的臨床應(yīng)用及主要技術(shù)研究［J］．中國組織工程研究與臨床康復(fù)，2010，14（30）：5646－5649．

［10］谷方，崔益群，曾兵，等．基于CT增強(qiáng)連續(xù)掃描數(shù)據(jù)的顱面部血管三維重建數(shù)字化模型［J］．中國組織工程研究與臨床康復(fù)，2010，14（9）：1531－1534．

［11］匡永才，黃紹權(quán)，馮蘇，等．MSCT血管成像在心臟大血管影像解剖教學(xué)中的應(yīng)用［J］．中國中西醫(yī)結(jié)合影像學(xué)雜志，2017，15（1）：118．

［12］周賢惠，翟梅玲，李晉新，等．基于CARTO系統(tǒng)的三維可視化心臟模型在心血管教學(xué)中的應(yīng)用價值［J］．新疆醫(yī)科大學(xué)學(xué)報，2013，36（6）：885－887．

作者：馮俊波 胡運(yùn)濤 李俊濤 葛圣林 單位：安徽醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院心臟大血管外科