三維模擬技術(shù)在關(guān)節(jié)外科培訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用

許杰+李登+蔡志清+李春海+許冰

摘要：臨床住院醫(yī)師在關(guān)節(jié)外科的培養(yǎng)因受到執(zhí)業(yè)環(huán)境及傳統(tǒng)培訓(xùn)模式等影響而效果欠佳。三維模擬技術(shù)作為一種新興的培訓(xùn)形式在臨床專業(yè)臨床技能操作培訓(xùn)方面有著廣闊的應(yīng)用前景，很好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)臨床培訓(xùn)中存在的不足，三維解剖結(jié)構(gòu)的呈現(xiàn)及虛擬空間中的模擬操作有助于加深培訓(xùn)醫(yī)師對(duì)手術(shù)方式的理解。所以三維仿真技術(shù)必將成為未來臨床培訓(xùn)的重要構(gòu)成。

關(guān)鍵詞：醫(yī)學(xué)模擬技術(shù)；關(guān)節(jié)外科；臨床教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）32-0164-03

關(guān)節(jié)?？浦饕婕瓣P(guān)節(jié)疾患的診治，人體中諸多關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)各異，骨性關(guān)節(jié)周圍韌帶、神經(jīng)血管豐富，構(gòu)造復(fù)雜，對(duì)培訓(xùn)醫(yī)師的空間思維能力要求高。目前培訓(xùn)教學(xué)手段由傳統(tǒng)的粉筆、掛圖升級(jí)為二維圖片、Flash加手術(shù)錄像播放，教學(xué)方式雖然有了很大的進(jìn)步，但仍然存在很多不足之處，比如顯示病變解剖結(jié)構(gòu)缺乏空間立體感、住院醫(yī)師不能參與互動(dòng)、更無法模擬手術(shù)后解剖結(jié)構(gòu)重建的效果，與臨床實(shí)踐不能銜接等問題。這使得關(guān)節(jié)?？频淖≡横t(yī)師培訓(xùn)效果欠佳。

一、傳統(tǒng)的臨床培訓(xùn)教學(xué)模式面臨的困境

關(guān)節(jié)外科實(shí)踐性強(qiáng)，操作上包括軟組織暴露、韌帶的松解與平衡、血管神經(jīng)的規(guī)避及骨結(jié)構(gòu)的重塑，是技能要求較高的學(xué)科?，F(xiàn)階段，隨著手術(shù)操作分級(jí)制的推進(jìn)，患者的維權(quán)意識(shí)不斷加強(qiáng)，且隨著我國醫(yī)療法規(guī)及行醫(yī)權(quán)限法律法規(guī)的進(jìn)一步完善，住院醫(yī)師臨床實(shí)踐的機(jī)會(huì)減少，特別是對(duì)于偏復(fù)雜病例，更有操作權(quán)限。其次，關(guān)節(jié)外科術(shù)式多樣，新的手術(shù)方式不斷涌現(xiàn)，單以膝關(guān)節(jié)置換為例，就包括有后交叉韌帶保留與替代型、髁限制性、鉸鏈型置換等多種形式，所針對(duì)的解剖結(jié)構(gòu)異常及手術(shù)操作均有不同，給臨床醫(yī)學(xué)培訓(xùn)帶來了挑戰(zhàn)。再者，關(guān)節(jié)外科的許多手術(shù)均具有手術(shù)時(shí)限性，還以膝關(guān)節(jié)手術(shù)為例，為達(dá)到手術(shù)野顯示清晰、減少出血，膝關(guān)節(jié)鏡檢或關(guān)節(jié)置換手術(shù)中均會(huì)使用止血帶，阻斷下肢血流具有時(shí)限性，這使得術(shù)中演示或說教的傳統(tǒng)帶教過程顯得十分倉促，受培訓(xùn)者往往囫圇吞棗。針對(duì)上述情況，既往有培訓(xùn)機(jī)構(gòu)采用實(shí)體模型或尸體標(biāo)本進(jìn)行手術(shù)的模擬訓(xùn)練，但無論是實(shí)體模型還是尸體標(biāo)本均價(jià)格昂貴且不可反復(fù)使用。這種高成本臨床操作形式在臨床培訓(xùn)中舉步為艱。

二、構(gòu)建基于三維模擬技術(shù)的臨床技能教學(xué)平臺(tái)的必要性

國內(nèi)外許多醫(yī)學(xué)院校都加大投入，模擬臨床真實(shí)場景進(jìn)行培訓(xùn)教學(xué)。這其中，利用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行臨床場景的模擬是研究的熱點(diǎn)。對(duì)于這方面的研究與嘗試，國內(nèi)的一些醫(yī)學(xué)高等院校也在開展，并希望以此而對(duì)傳統(tǒng)的教學(xué)方式進(jìn)行改進(jìn)或替代。初步的對(duì)比研究顯示，在教學(xué)質(zhì)量方面有所提高，在教學(xué)效果的滿意度調(diào)查中也得到師生的一致好評(píng)。在專業(yè)軟件的幫助下，目前已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)CT、MR等二維影像向三維影像的立體構(gòu)建。但是，計(jì)算機(jī)屏幕所顯示的三維構(gòu)建圖像僅限于解剖形態(tài)的顯示，距三維模擬平臺(tái)的構(gòu)建完成還有較大的差距。遵循“培養(yǎng)臨床實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力為核心”的教學(xué)理念，平臺(tái)的構(gòu)建必須能讓受訓(xùn)者參與其中，充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性，進(jìn)行模擬操作并提供相應(yīng)的結(jié)果評(píng)價(jià)。由此，以培養(yǎng)高層次醫(yī)學(xué)人才為教學(xué)目標(biāo)，探索外科操作技能教學(xué)的新方法，構(gòu)建全方位的模擬教學(xué)平臺(tái)，全面提升教學(xué)質(zhì)量，將三維模擬技術(shù)應(yīng)用到關(guān)節(jié)外科教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)，改革已成為今后教學(xué)模式的必由之路。

三、基于三維模擬技術(shù)的臨床技能教學(xué)平臺(tái)的組成部分

1.三維解剖形態(tài)的建立與呈現(xiàn)。目前，X線、CT、MRI等臨床常用的影像顯示手段呈現(xiàn)的是二維成像，對(duì)CT所進(jìn)行的后臺(tái)重建，給到醫(yī)護(hù)人員手中往往是打印在膠片上的某幾個(gè)視角角度。無論是在臨床診療過程中還是在教學(xué)一個(gè)用過程中，人體各器官、骨骼、肌肉等的精確體現(xiàn)均有賴于三維虛擬技術(shù)的介入。通過三維虛擬，關(guān)節(jié)復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)可通過平移及旋轉(zhuǎn)來多角度呈現(xiàn)。由此，更便于受訓(xùn)者在較短時(shí)間內(nèi)能更正確的搭建關(guān)節(jié)解剖的空間思維能力。更進(jìn)一步基于Mimics等專業(yè)軟件進(jìn)行3D圖像轉(zhuǎn)化，傳輸?shù)?D打印機(jī)，進(jìn)行等比例、精確打印患者手術(shù)區(qū)域解剖結(jié)構(gòu)。與三維數(shù)字模型相比，3D打印的實(shí)物模型直觀性更強(qiáng)，所提供的解剖學(xué)信息比醫(yī)學(xué)影像資料更為詳細(xì)，由而實(shí)現(xiàn)由二維到三維、由平面到立體、虛擬到現(xiàn)實(shí)的轉(zhuǎn)變。

2.精準(zhǔn)制定手術(shù)方案，并完成手術(shù)操作的模擬。通過三維模擬系統(tǒng)，醫(yī)師針對(duì)所搭建的三維解剖形態(tài)進(jìn)行手術(shù)方案的設(shè)定，并模擬進(jìn)行手術(shù)操作，在此過程中熟悉手術(shù)操作流程及要點(diǎn)，規(guī)避可能被忽略的細(xì)節(jié)而造成的手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。如圖1A所示，我們以人工膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)為例，通過對(duì)CT和MRI所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建，搭建人體膝關(guān)節(jié)的三維解剖結(jié)構(gòu)，在虛擬影像系統(tǒng)中，借助軟件所提供的工具，受訓(xùn)醫(yī)師可進(jìn)行對(duì)骨骼虛擬影像的切割處理（圖1C、D），模擬真實(shí)手術(shù)中的截骨操作，并將數(shù)字化三維虛擬人工關(guān)節(jié)假體（圖1B）與骨性結(jié)構(gòu)進(jìn)行配對(duì)、擬合，完成手術(shù)的模擬，最終手術(shù)效果通過三維虛擬影像的呈現(xiàn)而進(jìn)行直觀的評(píng)價(jià)（圖1E）。

四、討論

作為實(shí)踐性強(qiáng)、注重積累的學(xué)科，臨床醫(yī)學(xué)的教學(xué)是一個(gè)漫長的過程，三維模擬技術(shù)的應(yīng)用，在保證病人安全，不違背臨床倫理的前提下，通過所建立的虛擬仿真設(shè)施，可反復(fù)多次進(jìn)行手術(shù)過程的模擬操作，把經(jīng)典及疑難的病例資源有效地向教學(xué)資源轉(zhuǎn)化，并得到最充分、最安全的利用。在培訓(xùn)教學(xué)過程中，三維影像、虛擬模擬操作、可變角度觀察，對(duì)受訓(xùn)者有較強(qiáng)的吸引力和感染力，極大地?zé)òl(fā)了受訓(xùn)者學(xué)習(xí)熱情，充分調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)過程的積極性及主觀能動(dòng)性，加深對(duì)抽象知識(shí)的理解，做到事半功倍而提高培訓(xùn)醫(yī)師的綜合素質(zhì)。我們對(duì)解剖結(jié)構(gòu)畸形的病例進(jìn)行手術(shù)關(guān)節(jié)的實(shí)體三維打印，對(duì)培訓(xùn)醫(yī)師進(jìn)行實(shí)物講解，針對(duì)實(shí)物或是在建立的三維虛擬環(huán)境中，并讓其進(jìn)行畸形骨截骨、匹配關(guān)節(jié)假體的選擇及置入，并比對(duì)操作前后解剖畸形的糾正情況，普遍反映收效巨大。更為重要的是，三維模擬技術(shù)的接觸更是臨床外科發(fā)展的需要。目前，臨床外科的治療手段已逐漸由傳統(tǒng)大切口直視操作向微創(chuàng)化發(fā)展，通過內(nèi)窺鏡的視野輔助，以往如腹部肝膽胰腺及胃腸手術(shù)、泌尿外科的大多手術(shù)均可完成。而近十年機(jī)器人手術(shù)平臺(tái)的出現(xiàn)，顯示在手術(shù)微創(chuàng)化進(jìn)程中三維模擬技術(shù)強(qiáng)大的應(yīng)用前景：應(yīng)用手術(shù)機(jī)器人進(jìn)行手術(shù)時(shí)，外科醫(yī)生在原理手術(shù)臺(tái)的工作站中，面對(duì)屏幕所顯示的由術(shù)野景象所構(gòu)建的影像進(jìn)行操作，通過控制器操控機(jī)器人的機(jī)械臂進(jìn)行手術(shù)操作，而非傳統(tǒng)手術(shù)中的直接握持器械對(duì)患者進(jìn)行手術(shù)。

以培養(yǎng)高層次醫(yī)學(xué)人才為教學(xué)目標(biāo)，探索外科操作技能教學(xué)的新方法，構(gòu)建全方位的模擬教學(xué)平臺(tái)，全面提升教學(xué)質(zhì)量，將三維模擬技術(shù)應(yīng)用到關(guān)節(jié)外科教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)，改革已成為今后教學(xué)模式的必由之路。

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