王 淵，李 丹，李傳坤，高 琳，張 明

西安交通大學(xué)：1.第一附屬醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科；2.第一附屬醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學(xué)科；3.第一附屬醫(yī)院神經(jīng)外科，西安 710061；4.機械工程學(xué)院，西安 710049

神經(jīng)影像主要通過結(jié)構(gòu)成像和功能成像，多維度研究神經(jīng)系統(tǒng)的工作機制。傳統(tǒng)影像學(xué)主要在二維空間以圖像的方式呈現(xiàn)腦組織與周圍血管的毗鄰關(guān)系，從而指導(dǎo)神經(jīng)外科醫(yī)師進行手術(shù)治療。但二維成像方式缺乏立體性、直觀性和可操作性[1]，低年資臨床醫(yī)師對于理解精細(xì)復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)尚存在困難，在帶教臨床醫(yī)學(xué)生的神經(jīng)影像教學(xué)中更是面臨著諸多挑戰(zhàn)。虛擬現(xiàn)實(virtual reality,VR)技術(shù)為神經(jīng)系統(tǒng)教學(xué)提供了新思路，該技術(shù)通過計算機模擬神經(jīng)組織和鄰近解剖結(jié)構(gòu)，能夠提供三維空間的交互式影像資料，目前已初步應(yīng)用于教學(xué)活動中[2]。神經(jīng)系統(tǒng)大體標(biāo)本非常緊缺，且成本較高，醫(yī)學(xué)生單純依靠想象很難對其三維空間進行全面理解，容易造成學(xué)習(xí)興趣低下、學(xué)習(xí)效率不高，進而影響教學(xué)質(zhì)量?；旌犀F(xiàn)實技術(shù)(mixed reality,MR)是近年來繼虛擬現(xiàn)實技術(shù)之后出現(xiàn)的全新數(shù)字化影像技術(shù)，它能夠?qū)⒄鎸嵤澜?如3D打印技術(shù))與虛擬現(xiàn)實完美結(jié)合，在現(xiàn)實場景中展示虛擬世界的信息，其浸入性、交互性更強，不但可以減少醫(yī)學(xué)標(biāo)本的使用，節(jié)約存儲空間，降低教學(xué)費用，而且能夠使醫(yī)學(xué)生與教師進行直觀的信息交流與互動[3]，在神經(jīng)影像教學(xué)方面更具優(yōu)勢。該研究以三叉神經(jīng)痛為例，將顱神經(jīng)三維重建和3D打印技術(shù)相結(jié)合，希望借助先進的醫(yī)工交叉技術(shù)解決神經(jīng)影像教學(xué)的困境。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

選擇2019—2020學(xué)年(2015級)及2021—2022學(xué)年(2017級)在西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院參加神經(jīng)影像學(xué)習(xí)的八年制臨床醫(yī)學(xué)生共71人為研究對象。

1.2 教學(xué)方法

將2015級學(xué)生(n=34)設(shè)為對照組，2017級學(xué)生(n=37)設(shè)為試驗組。

對照組的2015級學(xué)生受限于當(dāng)年的教學(xué)條件，采用傳統(tǒng)教學(xué)模式(二維圖像)；試驗組采用混合現(xiàn)實教學(xué)模式(三維重建+3D打印)。

1.3 教學(xué)實施

兩組學(xué)生均由相同的教師帶教，在同一間教室進行教學(xué)活動；所用教材均為2015年由陳生弟主編、人民衛(wèi)生出版社出版的《神經(jīng)與精神疾病》。

對照組采用影像學(xué)傳統(tǒng)的教學(xué)模式，即理論課采取PPT教學(xué)，實習(xí)課采取院內(nèi)PACS演示教學(xué)。因為課時相對有限，帶教教師根據(jù)教學(xué)大綱選取臨床較為常見的神經(jīng)系統(tǒng)疾病。理論課主要放映神經(jīng)系統(tǒng)正常的解剖圖像，以及疾病的CT及MRI圖像，其中病變的影像學(xué)資料主要為CT及MRI掃描機直接獲取的二維圖像，授課教師據(jù)此介紹病變的部位、數(shù)量、大小、形態(tài)、密度/信號特點及毗鄰關(guān)系，使學(xué)生對神經(jīng)系統(tǒng)疾病的影像學(xué)征象產(chǎn)生一定認(rèn)識。以三叉神經(jīng)痛為例，圖1為不同序列顯示變異血管壓迫三叉神經(jīng)的二維MRI圖像。對照組的實習(xí)課對應(yīng)理論課所講授的內(nèi)容，教師通過PACS系統(tǒng)調(diào)閱相應(yīng)的影像學(xué)圖像，逐層展示病變的CT及MRI表現(xiàn)，講述主要的診斷要點和鑒別診斷依據(jù)。

圖1 傳統(tǒng)二維MRI圖像

試驗組的理論課同樣采取PPT教學(xué)模式，教學(xué)內(nèi)容也相同，但帶教教師所展示的正常神經(jīng)解剖和神經(jīng)系統(tǒng)病變的影像學(xué)資料除了包含二維圖像，還有經(jīng)過后處理技術(shù)獲得的三維圖像和偽彩圖(圖2與圖1為同一名患者，通過仿真內(nèi)窺鏡技術(shù)進行重建，并施以偽彩)，采用多種虛擬現(xiàn)實技術(shù)吸引學(xué)生的注意力，加深學(xué)生對復(fù)雜病變的理解。試驗組實習(xí)課帶教除了采用PACS教學(xué)模式之外，對于位置特殊、解剖關(guān)系復(fù)雜的病變，教師還應(yīng)用實體模型進行講解(提取重要的神經(jīng)組織和血管進行3D打印，模型成型后涂以顏色，如圖3所示，與圖1和圖2均為同一名患者)。學(xué)生綜合課前預(yù)習(xí)的內(nèi)容和3D模型呈現(xiàn)的立體結(jié)構(gòu)，與帶教教師共同分析探討。

圖2 仿真內(nèi)窺鏡圖像

圖3 3D打印實體模型

1.4 教學(xué)評價

1.4.1考核成績

理論課和實習(xí)課帶教結(jié)束后，教師分別對兩組學(xué)生進行神經(jīng)解剖基礎(chǔ)和神經(jīng)影像診斷的考核，比較各自對基礎(chǔ)知識和基本技能的掌握程度。兩組學(xué)生的試題均由同一名帶教教師擬出，覆蓋面和難度相仿。

考核采用閉卷測試方式，測試時間為60 min。試題總分100分，其中神經(jīng)解剖基礎(chǔ)和神經(jīng)影像診斷各占50分。

1.4.2問卷調(diào)查

參考相關(guān)文獻[4]，帶教教師自行設(shè)計調(diào)查問卷，內(nèi)容涉及課堂注意力、學(xué)習(xí)興趣、教學(xué)互動性、知識理解四個方面。問卷課前發(fā)放，課后收回，兩組學(xué)生均匿名填寫。

1.5 統(tǒng)計分析方法

2 結(jié)果

2.1 研究對象一般資料

參加神經(jīng)影像學(xué)習(xí)的八年制臨床醫(yī)學(xué)生共71人。其中，對照組(n=34)學(xué)生，男性19人，女性15人，平均年齡為(22.45±1.36)歲；試驗組(n=37)學(xué)生，男性20人，女性17人，平均年齡(22.63±1.49)歲；兩組學(xué)生在年齡、性別、出勤率方面的差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。所有學(xué)生以前均未接受神經(jīng)系統(tǒng)疾病的學(xué)習(xí)，并對此次調(diào)研知情同意。

2.2 兩組八年制臨床醫(yī)學(xué)生的考核成績比較

試驗組學(xué)生的神經(jīng)解剖基礎(chǔ)和神經(jīng)影像診斷考核成績均高于對照組，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義，提示試驗組學(xué)生對基礎(chǔ)知識和基本技能掌握程度更好。具體考核結(jié)果如表1所示。

表1 兩組學(xué)生神經(jīng)影像的考核成績比較

帶教教師給兩組學(xué)生發(fā)放調(diào)查問卷，2015級回收有效問卷34份，2017級回收有效問卷37份，有效回收率均為100%。調(diào)查問卷的克倫巴赫系數(shù)為0.71，提示問卷具有較好的信度。統(tǒng)計結(jié)果表明，試驗組學(xué)生對混合現(xiàn)實教學(xué)模式在增強課堂注意力、提高學(xué)習(xí)興趣、加強教學(xué)互動性和促進知識理解方面均給予較高的評價，全面優(yōu)于對照組學(xué)生對傳統(tǒng)教學(xué)模式的反饋(如表2所示)。

表2 兩組醫(yī)學(xué)生對神經(jīng)影像教學(xué)的問卷調(diào)查比較

3 討論

3.1 混合現(xiàn)實技術(shù)有助于提高學(xué)生對基礎(chǔ)知識的理解

神經(jīng)影像學(xué)通常借助于CT、MRI等介質(zhì)，把神經(jīng)系統(tǒng)各種結(jié)構(gòu)以密度、信號的方式展示出來，診斷醫(yī)師根據(jù)不同的影像信息做出診斷，為臨床干預(yù)提供客觀依據(jù)。神經(jīng)解剖學(xué)是神經(jīng)影像學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，某些結(jié)構(gòu)細(xì)小且形態(tài)不規(guī)則，與周圍組織關(guān)系復(fù)雜[5]，即使起點較高的八年制臨床醫(yī)學(xué)生也很難全面理解和領(lǐng)會，而傳統(tǒng)影像學(xué)技術(shù)獲得的多為二維圖像，無法全面呈現(xiàn)神經(jīng)組織的形態(tài)及毗鄰結(jié)構(gòu)。如果學(xué)生缺乏空間想象力，單純依靠帶教教師的講授很難對影像資料進行整體把握，必將影響今后的臨床實踐。此次研究結(jié)果顯示，對照組學(xué)生的神經(jīng)解剖基礎(chǔ)成績低于試驗組，反映出傳統(tǒng)二維圖像教學(xué)模式不利于學(xué)生對基礎(chǔ)知識的理解?；旌犀F(xiàn)實技術(shù)將虛擬重建的神經(jīng)系統(tǒng)三維圖像與偽彩技術(shù)相結(jié)合，對重建圖像進行任意平移、旋轉(zhuǎn)和放大，從而彌補了二維圖像教學(xué)的不足，便于學(xué)生觀察神經(jīng)解剖的細(xì)節(jié)，同時輔以3D打印技術(shù)使學(xué)生有機會操作實體標(biāo)本[6]，學(xué)習(xí)的參與感更強，最終獲得良好的教學(xué)效果。

3.2 混合現(xiàn)實技術(shù)有助于增強學(xué)生對基本技能的掌握

學(xué)習(xí)神經(jīng)影像學(xué)除了要求臨床醫(yī)學(xué)生有較好的神經(jīng)解剖學(xué)基礎(chǔ)，對病變特點的理解和掌握也非常重要。但部分神經(jīng)系統(tǒng)病變的解剖關(guān)系復(fù)雜，如該文所舉病種——三叉神經(jīng)痛，病變區(qū)顱神經(jīng)和血管眾多且相互交錯，神經(jīng)外科手術(shù)風(fēng)險較大[7]，學(xué)生僅憑二維灰階圖像很難確定變異血管的類型及其對三叉神經(jīng)的壓迫程度，正如研究結(jié)果所示，對照組學(xué)生按照傳統(tǒng)教學(xué)方法進行學(xué)習(xí)未能達到理想的教學(xué)效果。閱卷結(jié)束后帶教教師全面分析教學(xué)過程存在的缺陷，查閱相關(guān)文獻[1,8]，借助數(shù)據(jù)后處理軟件獲得多種疾病的三維仿真圖像，并對病變區(qū)施以偽彩，便于初學(xué)者全方位觀察病變的空間位置以及鄰近結(jié)構(gòu)。隨后帶教教師與理工科同道進行交流，借助精密3D打印技術(shù)獲取相應(yīng)疾病的實體模型[9]，其中三叉神經(jīng)痛3D模型最為逼真，能夠清晰顯示三叉神經(jīng)、變異血管以及鄰近腦干的復(fù)雜解剖關(guān)系。試驗組學(xué)生通過動手觸碰標(biāo)本，可以模擬微血管減壓的術(shù)中操作，為今后的外科實習(xí)奠定基礎(chǔ)。同時，考核成績說明試驗組學(xué)生的神經(jīng)影像診斷能力高于對照組，這在一定程度上歸功于混合現(xiàn)實教學(xué)模式的優(yōu)勢。

3.3 混合現(xiàn)實技術(shù)有助于促進學(xué)生對新型教學(xué)模式的認(rèn)可

混合現(xiàn)實技術(shù)在現(xiàn)實世界中實現(xiàn)虛擬空間與實體模型的無縫對接，已經(jīng)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)各個領(lǐng)域，尤其促進了術(shù)前方案制定、術(shù)中定位和導(dǎo)航等關(guān)鍵技術(shù)，推動了神經(jīng)科學(xué)的發(fā)展[10]。如前所述，傳統(tǒng)的神經(jīng)影像資料均為二維圖像，作為初次接觸影像學(xué)的臨床醫(yī)學(xué)生很難理解病變的空間分布。神經(jīng)外科手術(shù)切口普遍較小，實習(xí)學(xué)生乃至低年資住院醫(yī)師受到術(shù)野限制，難以觀察手術(shù)入路和術(shù)中操作的細(xì)節(jié)[11]。在八年制課堂乃至規(guī)培實踐中引入混合現(xiàn)實技術(shù)，模擬人體的神經(jīng)解剖結(jié)構(gòu)，從不同角度還原手術(shù)過程，能夠培養(yǎng)臨床醫(yī)學(xué)生和規(guī)培生的三維空間感和實體操作意識，有助于提高其學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率[12]。對比此次研究中問卷調(diào)查結(jié)果可以看出，試驗組較對照組學(xué)生表現(xiàn)出更好的課堂注意力和更高的學(xué)習(xí)興趣，與教師的互動性強，這些與混合現(xiàn)實教學(xué)模式自身的特點有關(guān)，有助于促進知識的理解，獲得更好的成績。

綜上所述，無論是對基礎(chǔ)知識和基本技能的考核，還是對神經(jīng)影像的教學(xué)滿意度調(diào)查，結(jié)果均顯示混合現(xiàn)實技術(shù)均取得了良好的教學(xué)效果。目前，部分醫(yī)學(xué)院校逐步開展了從二維到三維、從靜態(tài)到動態(tài)、從虛擬到現(xiàn)實的新型教學(xué)活動，為臨床醫(yī)學(xué)生和規(guī)培醫(yī)師提供了嶄新的學(xué)習(xí)平臺。當(dāng)然，混合現(xiàn)實技術(shù)也存在局限性，它對教師的圖像處理和授課技巧要求較高，有時需要多學(xué)科交叉才能完成，所以要求教師不斷更新知識和理念，加強交流合作，努力提高教學(xué)質(zhì)量。