陳海艷，彭鳒僑，劉子卿

(1.廣東省惠東縣人民醫(yī)院外科，廣東 惠州 516300； 2.廣州醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院 廣東省矯形植入骨科重點實驗室，廣東 廣州 510120； 3.佛山市三水區(qū)人民醫(yī)院，廣東 佛山 528100)

脊柱形狀特異、結(jié)構(gòu)復雜，屬于解剖教學的難點，傳統(tǒng)的“先見習后實習”教學模式枯燥無味、效果不佳。本研究采用“以練代教”的方式，即讓學生以三維可視化技術重建脊柱(腰椎/骶椎)等硬組織生理曲段的高清影像,準確反映出脊椎的生理病理特征，比尸體標本更加形象。脊椎病變臨床上多數(shù)為脊椎結(jié)核、椎體腫瘤、椎體骨折、椎間盤脫出，其中以腰椎間盤突出癥發(fā)病率最高，如何高效地治愈上述病變一直以來是學者們研究的熱點。隨著醫(yī)療技術的進步和微創(chuàng)手術理念的廣泛傳播，以內(nèi)窺鏡行腰椎間盤突出的椎盤摘除術越來越流行，它具有創(chuàng)傷小、病灶切除干凈、恢復快的優(yōu)勢。本實驗讓學生以自由設計模型Freeform Modeling制定個體化的手術計劃[1]、演練虛擬椎盤摘除仿真[2]全程。傳統(tǒng)的骨科帶教方法以教師授課、標本觀察、集體查房、參觀手術等“眼看手勿動”的方式為主，學生缺乏獨立操作的機會；而計算機輔助骨科教學為學生提供了量身定做的實踐平臺，是革除應試教育弊端、培養(yǎng)學生創(chuàng)造能力的突破口。

1 材料與方法

1.1 材料設備

64排螺旋CT薄層掃描腰骶圖像一套(以*.dicom格式保存)、醫(yī)學圖像處理軟件Mimics-17.0、三維繪圖軟件ProE-5、自由設計模型FreeForm Modeling[3]軟件及其內(nèi)帶的力反饋操縱桿Phantom[4]。

1.2 研究方法

1.2.1三維重建 學生將CT掃描病人腰骶股部的*.dicom數(shù)據(jù)導入到Mimics軟件，設定骨骼的CT閾值為1250-2732，經(jīng)閾值分割(Thresholding)、區(qū)域增長(Region growing)等功能分離椎骨，經(jīng)蒙版(Mask)編輯(Edit mask),再經(jīng)擦除、繪制、計算、重建出脊椎及髖骨，以*.stl格式保存導出，建立含腰、髖、腿部的三維模型(見圖1)。

1.2.2術械繪制 根據(jù)臨床手術器械形狀、規(guī)格，在三維繪圖軟件Pro-E中繪制手術器械，獲得椎盤摘除手術的仿真[5]器械：肌肉擴張器、工作通道管、神經(jīng)拉鉤、咬鉗等，均以*.stl格式保存；內(nèi)置物材料規(guī)格根據(jù)手術需要而定；手術刀、骨鑿及擺鋸等切割術械[6]在FreeForm Modeling的自定義工具中二次開發(fā)獲得(見圖2)。

1.2.3模具導入 將骨骼模型及術械模型一同導入FreeForm Modeling中，配以顏色渲染直觀效果，通過放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、透視等，全方位演示出高清的空間構(gòu)造及毗鄰關系。

1.2.4脊柱手術的仿真演習 虛擬切割“腰5/骶1椎盤向左后突出壓迫腰5神經(jīng)根”病例手術全程如下；

(a)模型導入：將內(nèi)鏡手術器械及腰椎間盤突出的腰骶模型導入Freeform Modeling，通過隱藏、透視、旋轉(zhuǎn)，觀察椎間盤壓迫神經(jīng)根的情況[7](見圖2)；

(b)手術入路：取后路在病變節(jié)段(腰5/骶1)椎間隙向左旁10—15 mm處開15 mm縱型切口；以肌肉擴張器從切口垂直插入，分開兩旁肌肉、直達椎板(見圖3)，沿擴張管放入工作通道管，撤出擴張管[8]；

(c)椎板鉆孔：用FreeForm的球形雕刻工具設置適當?shù)某叽缱鳛樽蛋邈@孔器，打磨椎板直至顯露突出的椎間盤及受壓的神經(jīng)根[9](見圖4)；

(d)組織牽開：以神經(jīng)拉鉤牽開神經(jīng)根，避免切除椎間盤時傷及神經(jīng)(見圖5)；

(e)病灶切割：通過Phantom操縱手術刀，切割病變椎間盤[10](見圖6)；

(f)組織鉗取：操縱咬鉗，鉗取切除的椎間盤組織(見圖7)；

(g)器械撤離：縫合傷口，術畢(見圖8)。

圖1 骨骼3D模型 圖2 術械繪制/導入

2 結(jié) 果

通過分割、區(qū)域增長等步驟建立了含脊骨、髖骨、股骨等骨性結(jié)構(gòu)的三維模型，然后通過Mimics/FreeForm放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、透視等，可清楚地觀察到各結(jié)構(gòu)的解剖層次，從Pro-E及Ghost SDK開發(fā)的虛擬術器與真實術械酷似無異，完全滿足“手術”的需要，在操縱桿Phantom控制下，人體模型、手術器械在Freeform Modeling中互動，成功模擬出椎盤摘除的手術過程，仿真度高、效果逼真(見圖1-圖8)。

圖3 擴張管插入 圖4 椎板鉆孔

圖5 神經(jīng)根牽開 圖6 椎間盤切除

圖7 椎間盤鉗取 圖8 器械撤離

3 討 論

本研究基于CT掃描數(shù)據(jù)重建脊柱模型，并以CAD軟件Pro-E繪制椎盤摘除手術器械及植入材料，在自由設計模型Freeform Modeling中模擬椎盤摘除仿真手術。虛擬環(huán)境具有真實感、臨場感、交互性和力反饋功能，通過力反饋感受到切割、鉆孔等操作“浸潤”。仿真平臺能在切割前測量方位、勾畫預切線并沿劃線精準地切割。系統(tǒng)的雕刻功能可組合器械在髖臼壁上自由設定孔徑、打孔或其他復雜的工序。此外，還可用內(nèi)部的“撤銷”功能逆控20步程序，反復修訂手術步驟、調(diào)整手術模板后，可大大縮短“手術”時間。經(jīng)過兩年的實驗表明，這一臨床電子教學平臺深受醫(yī)學生喜愛，成為實體訓練的首選工具。

中國醫(yī)學教育現(xiàn)存的一個突出問題是“師缺實訓、學缺實操”的“高分導向”，教育改革的對癥藥方就是“師重實訓、學重實操”的“高能導向”。傳統(tǒng)“以教代練”教學方式的弊端在于老師對命題諸如“如何騎自行車”，對學生“紙上談車”，以致他們最后不會騎車。西方“以練代教”的宗旨是從實踐中培養(yǎng)學生“提出問題、分析問題和解決問題”的能力,其指導理念是愛因斯坦“提出問題比回答問題更難”、“解決問題比回答問題更強”的論斷。“以練代教”的基本框架在于教學角色的定位：導師自我調(diào)整為配角，總覽大局而非總攬全局，適當輔導而非諄諄教導。具體到課程部分“以練代教”方案的要點有：重點設計個性化教材、以小課取代大課、以實驗帶動理論、以小組討論兼顧獨角演講；同時推進課堂民主化，營造良性的互動環(huán)境和輕松活潑的學術氣氛，調(diào)動學生“我要學習”而非“要我學習”，讓學生轉(zhuǎn)變?yōu)橹鹘?。實習部分的“以練代教”方案的要點有：導師角色自我調(diào)整為幕后推手，適時督導而非布置任務，把學生推向前臺，讓他們根據(jù)自己的愛好和特長主導選題，完成“檢索文獻、提出熱點疑題、分析重點、切入奇點課題、以創(chuàng)新點突破難題”這一學習過程。這些教學方針一旦調(diào)整之后必須持之以恒，切忌一曝十寒，教育強國的打造少不了“十年樹木、百年樹人”的長期積累。

4 結(jié) 論

本文闡述了利用臨床醫(yī)學院現(xiàn)存的資源和公共軟件配置讓學生制作色彩鮮艷、輪廓分明的脊柱實體模型，并保存在筆記本電腦，如同流動“解剖室”，隨時隨地全方位觀摩，同時讓學生以Pro-E及Ghost SDK開發(fā)手術器械在Freeform環(huán)境下設計可視化仿真手術，令手術者清楚了解解剖結(jié)構(gòu)，對個體化手術方案的制定、縮短術程具有重要價值。另外，虛擬手術特具的沉浸感、真實感為骨科教技注入了新鮮“血液”。總之，我們秉承實踐出真知的古訓，大膽啟用“以練代教、能力教育”的培養(yǎng)模式，進行了與時俱進的教學改革創(chuàng)新。