虛擬手術實驗在醫(yī)學教學領域中的應用

邱　峰　張際平　高　巖

【摘要】為解決臨床醫(yī)學學生培訓問題,我院構建了虛擬手術實驗網(wǎng)絡教學系統(tǒng),它與真實手術相結合共同構成了較完整的實驗教學體系,滿足了醫(yī)學教育實驗教學發(fā)展的需要。系統(tǒng)的交互性和快速響應提高了教學效率和教師的教學科研能力,也有利于學生能動性的發(fā)揮。

【關鍵詞】虛擬手術;網(wǎng)絡教學;認知反饋

【中圖分類號】G40-057 【文獻標識碼】A 【論文編號】1009—8097(2009)07—0127—03

前言

虛擬手術是集醫(yī)學、生物力學、機械學、計算機圖形學、計算機視覺、數(shù)學分析等諸多學科為一體的新型交叉研究領域,目的是使用計算機技術來模擬、指導醫(yī)學手術所涉及的各種過程。它在時間段上包括術前、術中、術后,在實現(xiàn)的目的上有手術計劃制定、手術演習、手術教學、手術技能訓練,術中引導手術、術后康復等。

在傳統(tǒng)手術教學中,主刀醫(yī)生是在自己的大腦中進行術前的手術模擬,以確定手術方案。作為結果,手術方案質(zhì)量的高低,只能依賴于醫(yī)生個體的外科臨床經(jīng)驗與技能,很難被手術小組的其它成員及臨床醫(yī)學學生所共享。虛擬手術則利用各種醫(yī)學影像數(shù)據(jù),進行三維重建,在虛擬空間中實現(xiàn)三維手術模擬,以制訂出較為完善的手術方案,且可供手術全體醫(yī)生每一位成員共享[1],并應用于醫(yī)學類院校醫(yī)學教學當中。

臨床醫(yī)生的培訓是一項投資大、時間長、且具有一定風險性的工作,在病人身上練習手術風險大且不可重復,在標本上練習則存在數(shù)量有限、成本昂貴的缺點。新疆石河子大學醫(yī)學院第一附屬醫(yī)院構建了三維虛擬手術實驗網(wǎng)絡教學系統(tǒng),較好的解決了手術實驗解剖教學的問題,使臨床醫(yī)生可以在虛擬手術環(huán)境中,對計算機生成的人體器官反復進行手術模擬,研究手術方案,練習協(xié)同手術。該系統(tǒng)快速提升了對醫(yī)學院的學生及低年資醫(yī)生的培養(yǎng)水準,極大的縮短了醫(yī)生培訓周期,具有極高的實用價值。

一 虛擬手術實驗系統(tǒng)的體系架構

我院是全國綜合性“三級甲等醫(yī)院”,擁有美國分會GE Hispeed NX/i多層螺旋CT、美國綜合GE Signa T核磁共振儀(MRI)等高精尖診斷治療儀器,為有效的利用現(xiàn)有醫(yī)療影像,結合影像特點,構建了本院的三維虛擬手術實驗系統(tǒng),醫(yī)生可以方便快捷的將三維手術模擬和手術計劃的資料輸入到臨床教學系統(tǒng)中,進行多媒體課件的制作及科研課題的學術交流等。圖1為三維虛擬手術實驗網(wǎng)絡教學系統(tǒng)架構圖。

虛擬手術實驗網(wǎng)絡教學系統(tǒng)采用分布式網(wǎng)絡結構,可同時支持100個以上不同權限用戶并發(fā)操作,能夠?qū)T,MR,3D超聲及其它醫(yī)療設備獲得的DICOM (醫(yī)學數(shù)字影像通訊)3.0文件或影像重建為多種影像格式(slice影像,MPR影像,曲面影像等等)。它支持3D醫(yī)學模型的創(chuàng)建、存儲、編輯、手術計劃、手術模擬等功能,并可以方便的為網(wǎng)絡中的師生提供觀摩和實驗操作。

Fig.1 Virtual Surgery network teaching system framework

二 系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)利用醫(yī)學影像數(shù)據(jù),重建三維模型,通過三維手術交互操作來幫助醫(yī)生及醫(yī)學院校學生在計算機上模擬手術的過程、預測手術的效果,最終選擇合理的手術方案。并可輔助觀察者對靶區(qū)和周圍組織進行分析和顯示,可以準確地在確定靶區(qū)體的空間位置、大小、幾何形狀以及與周圍生物組織之間的空間關系。它包括如下功能:

(1) 容積重建(VR):提供交互式的操作方式,醫(yī)生可以自由的添加和去除各種組織,動態(tài)調(diào)整各種組織的透明度。

(2) 快速表面重建(SSD):依據(jù)所用的數(shù)據(jù)不同,根據(jù)組織的密度或組織的信號差別和空間位置,定義不同的重建目標,重建后的各個對象可以任意的組合、旋轉(zhuǎn)、平移、切割等。

(3) 任意平面(曲面)重組(MPR,CPR):將多個連續(xù)的平面斷層圖像組成三維模型,再將模型沿冠狀面、矢狀面或者任意斜面甚至曲面斷開,并形成新的斷層圖像。

(4) 虛擬內(nèi)窺鏡(Endoscopy):使用先進的分割、重建、顯示和自動路徑規(guī)劃算法,使用醫(yī)學影像數(shù)據(jù),生成器官的3D內(nèi)表面模型,模擬視頻內(nèi)窺鏡的功能。

(5) 最大(小)密度投影(MIP):類似X線透視的效果,可以任意的選擇角度進行觀看,模擬出三維的效果。

(6) 手術模擬(Surgery):手術模擬是在SSD的功能基礎上,可以讓醫(yī)生方便的對各種組織進行切割和組合,完整的實現(xiàn)手術過程的展示,過程中會給出精準的手術數(shù)據(jù)。

(7) 測量(Measure):系統(tǒng)提供方便的測量功能,可以測量距離、面積、容積和角度等。對于容積,系統(tǒng)會根據(jù)目標自動計算,也可以手工選取的面積進行復雜結構的容積計算。

系統(tǒng)同時提供師生在線交互功能,學生在觀摩手術實驗的同時,能夠自行反復進行虛擬手術入路模擬,研究手術方案,練習協(xié)同手術,并將結果動態(tài)保存,反饋給老師,以便于教師根據(jù)學生情況提供不同指導,增強教學互動性,提高臨床教學效果。

三 虛擬實驗中的師生

1 虛擬手術實驗中的學生

虛擬手術實驗中的學生是虛擬實驗活動的主體,根據(jù)手術的相關要求,選擇手術器械、設計模擬手術方案、進行虛擬手術實驗操作,觀察每一步手術實驗的現(xiàn)象、環(huán)節(jié),分析實驗過程數(shù)據(jù),得出虛擬手術結果,確定真實手術的方案,并能做出手術評估,從而培養(yǎng)了醫(yī)學學生的實驗能力。在虛擬手術實驗活動中,影響學生實驗活動的因素是多方面的,有內(nèi)部的和外部的因素、認知的和非認知的因素[2]。外部因素有:系統(tǒng)的真實還原性、穩(wěn)定性、反饋環(huán)節(jié)、探索空間、教學組織形式等;內(nèi)部因素有:學生的認知結構、學習動機、自我監(jiān)控等。

在虛擬手術實驗活動中,學生在自己的認知結構和對實驗內(nèi)容理解的基礎上,明確手術實驗的要求,設計模擬手術實驗的方案,選擇變量參數(shù),實現(xiàn)自我調(diào)節(jié)和管理;系統(tǒng)則根據(jù)學生的實驗活動過程予以反饋,并根據(jù)實際情況調(diào)整手術實驗的任務,以便使學生更有效地進行實驗。學生在虛擬實驗過程中的行為結果借助外部反饋返回到認知系統(tǒng)中,以便學生調(diào)整實驗參數(shù),重新生成手術實驗方案,通過這些過程的多次反復,最終獲得與實驗要求相匹配的實驗結果。

虛擬手術實驗成功與否,一方面取決于學生的認知活動,同時也取決于虛擬手術實驗所提供的環(huán)境。這樣有助于學生對虛擬實驗環(huán)境持有正確的認識,有助于學生重視虛擬手術實驗中的體驗和手術過程,有助于促進虛擬手術與真實手術情境遷移的有效發(fā)生[3]。

2 虛擬手術實驗中的教師

本網(wǎng)絡教學系統(tǒng)的使用可以讓教師從儀器設備的準備、設備的使用指導、實驗演示等環(huán)節(jié)中解放出來。然而虛擬的手術并不能完全代替真實的手術,如果學生在虛擬手術實驗中學習和經(jīng)歷的東西不能與實踐相聯(lián)系,就有可能將虛擬與真實之間的差距拉大。因此,教師要發(fā)揮的一個重要作用是提高學生對支持這些虛擬手術實驗的概念、技術和原則意識,從而對自己所處的每個實驗環(huán)節(jié)都有一個較直觀的了解,在虛擬手術實驗中,教師是組織者、指導者、幫助者、促進者。

在虛擬手術實驗中,教師要幫助學生明確使用虛擬手術實驗的目的,及在真實手術過程中應注重的關注點,以使學生在活動過程中進行有效的計劃、觀察和調(diào)控。同時教師可以針對學生的實際水平提出相應的實驗要求,因材施教[4]。

虛擬實驗系統(tǒng)的使用,是在訓練學生掌握實驗的基礎理論、基本方法、基本技能的基礎上,培養(yǎng)學生的實踐與創(chuàng)新能力。學生通過實驗與觀察獲取的感性認識和實驗技能,通過探索與總結獲得科學知識,通過應用與延伸使知識得到鞏固和深化。教師應善于引導學生綜合應用所掌握的知識進行必要的分析、類推或計算論證,以培養(yǎng)醫(yī)學類學生解決實際問題的能力,延伸學生在知識與技能的深度和廣度上的探索能力。

四 虛擬手術實驗教學的相關結論

虛擬手術實驗與真實手術相結合共同構成了較完整的實驗教學體系,在一定程度上滿足了醫(yī)學實驗教學發(fā)展的需要;虛擬手術實驗網(wǎng)絡系統(tǒng)的應用,提高了教學效率和教師的教學科研能力,促進教師業(yè)務知識的更新,使得醫(yī)學實驗教學手段和教學內(nèi)容豐富多樣;在虛擬手術實驗中學生獨立自主思考、主動參與的程度較高,有利于學生能動性的發(fā)揮;同時虛擬手術實驗的應用,使原來枯燥無味的手術解剖課程變得生動形象,激發(fā)了學生的實驗興趣、拓寬了實驗方法和設計思路,提高了知識的應用能力,為今后的醫(yī)療工作的創(chuàng)新能力的形成奠定了一定的基礎。

此外,三維虛擬手術實驗網(wǎng)絡教學系統(tǒng)的應用,使虛擬手術實驗輔助醫(yī)學實驗教學,打破了傳統(tǒng)實驗教學的束縛,很大程度上減少了實驗設備和空間,節(jié)約了資金,改善了實驗條件;虛擬手術與真實手術的有機結合,能有效的克服真實手術過程中盲目操作的現(xiàn)象,為真實的手術工作提供了良好的輔助工具。同時虛擬實驗結果具有良好的可重現(xiàn)性及可逆性,允許學生對同一手術進行重復不同操作,增強了臨床手術實際應用能力 [5]。

針對醫(yī)學院實驗教學中存在的諸多問題,我院引入三維虛擬手術實驗網(wǎng)絡教學系統(tǒng),根據(jù)病人的放射影像資料的二維片,比如CT、核磁共振等成像設備采集來的信息源,通過網(wǎng)絡中心服務器的智能處理,真實的還原成三維動態(tài)的醫(yī)學影像資料,讓臨床醫(yī)學系的學生通過網(wǎng)絡做虛擬手術實驗,模擬各種復雜的切割手術,嘗試解決臨床醫(yī)學診療過程中遇到的真實的各種問題[6]。系統(tǒng)的交互性和快速響應足以保持學習者的興趣,替代真實的醫(yī)療實驗環(huán)境,同時可以為真正的實驗做準備,是真實實驗的有力支持。

參考文獻

[1] 李曼.虛擬手術系統(tǒng)對實踐教學的作用探討[J].東南亞縱橫,2007,3:72-73.

[2] 吳奇,程薇曦.虛擬現(xiàn)實技術在醫(yī)學手術中的實現(xiàn)與應用[J].重慶醫(yī)學,2008,21:2489-2492.

[3] 羅偉,李珊珊,田夫,羅勝濤.虛擬現(xiàn)實技術在醫(yī)療中的應用[J].中華醫(yī)院管理雜志,2005,(12):837-838.

[4] 楊鐵路.虛擬現(xiàn)實技術及其在現(xiàn)代醫(yī)學中的應用[J].信息與控制,運輸,2003,6:251-255.

[5] 廖滇梅,錢宗才.三維醫(yī)學圖像重建的方法與應用[J].現(xiàn)代電子技術,1997,3:41-42.

[6]高文.情境化學習與情境認知[J].教育發(fā)展研究,2001,8:30-35.