三維可視化及虛擬手術在肝臟外科臨床教學中的應用價值

彭遠飛， 陸超成， 施杰毅， 史穎弘， 王 征， 王曉穎， 周 儉， 樊 嘉*

1.復旦大學附屬中山醫院肝外科，上海 200032 2.復旦大學附屬中山醫院普通外科，上海 200032

三維可視化及虛擬手術在肝臟外科臨床教學中的應用價值

彭遠飛1， 陸超成2， 施杰毅1， 史穎弘1， 王 征1， 王曉穎1， 周 儉1， 樊 嘉1*

1.復旦大學附屬中山醫院肝外科，上海 200032 2.復旦大學附屬中山醫院普通外科，上海 200032

目的探討三維可視化及虛擬手術在肝臟外科臨床教學中的應用價值。方法選取復旦大學醫學院2012級五年制臨床醫學本科醫學生60名為研究對象，隨機分為傳統教學組(n=30)和三維教學組(n=30)。傳統教學組采用肝臟解剖/手術圖譜、肝臟模具及手術視頻進行肝臟臨床解剖及手術教學；三維教學組實習生采用肝臟三維可視化模型、虛擬手術系統及案例對應手術視頻進行教學。學習周期為6個學時。學習結束后，對兩組學生進行標準化考試考核比較，并調查學生對教學法的評價。結果三維教學組學生的考試成績為(95.5±3.1)分，優于傳統教學組的(81.0±4.1)分，差異有統計學意義(P<0.001)；三維教學組的優秀率(93.3%)顯著高于傳統教學組(40%)，差異有統計學意義(P<0.001)。問卷調查結果顯示，三維教學組所有學生均認為該教學法易于掌握，生動有趣，能調動學習積極性、促進知識的掌握和應用、提高學習效率，并有助于增強自學能力。結論基于三維可視化及虛擬手術的臨床實習帶教效果優于傳統教學，可有效提高教學質量，值得推廣。

肝臟；解剖；三維可視；虛擬手術；臨床實習；教學

肝臟是人體最大的實質器官，內部管道多，解剖結構密集交錯且變異率高，周圍毗鄰器官多、解剖復雜，一直是臨床教學的難點[1-2]。與之對應的肝臟外科手術則因肝臟解剖復雜及手術種類繁多而教學難度更大。傳統的肝臟外科教學方法采用解剖圖譜、肝臟模具講解及尸體標本等學習，醫學生往往感到抽象、難以理解和掌握[1-4]。近年來，三維可視化技術、虛擬手術技術以及高清手術視頻系統等發展迅速，為肝臟外科教學提供了新的方法和手段，為解決肝臟外科教學中的諸多難題提供了可能。因此，本研究采用最新的三維可視、虛擬手術技術及病例對應高清手術視頻等，形成新的肝臟外科教學系統，開展肝臟臨床解剖及手術教學，取得了良好的效果，現總結報告如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選取復旦大學醫學院2012級五年制臨床醫學本科實習生60名為研究對象，隨機分為傳統教學組(n=30)和三維教學組(n=30)。傳統教學組(年齡范圍)平均年齡(22.6±1.1)歲，三維教學組平均年齡(22.8±1.0)歲；兩組男女生比例均為1∶1。兩組學生在年齡、性別及平時學習成績等方面差異無統計學意義。排除標準：既往有肝臟三維可視化及虛擬手術應用的醫學生。

1.2 教學方法 兩組分別采用不同方法進行肝臟臨床解剖及肝臟手術教學。傳統教學組醫學生采用傳統的解剖/手術圖譜、肝臟模具及手術視頻授課教學，三維教學組醫學生采用肝臟三維可視化、虛擬手術及病例對應高清手術視頻實施教學。

1.2.1 傳統教學組 醫學生接受基于《系統解剖學》《局部解剖學》《外科學》《Gray’s Anatomy(40版)》《Sabiston Surgery(19版)》及經典肝臟外科學專著綜合形成的教學用解剖/手術圖譜進行的理論授課。教學的主要形式為講座形式、PPT講解、肝臟模具傳閱觀摩，結合觀看肝臟手術錄像[1-6]。

1.2.2 三維教學組 醫學生接受基于肝臟三維模型、虛擬手術工作站操作以及病例對應肝臟外科手術視頻進行的多媒體教學。三維可視模型、虛擬手術及手術視頻所涉及的健康成人及肝腫瘤病例均取自本中心(復旦大學附屬中山醫院肝外科，上海市肝腫瘤臨床醫學中心，復旦大學肝癌研究所)。教學過程分兩步：首先由帶教老師使用由三維重建/虛擬手術軟件(3D+，旭東數字醫學，中國)構建的肝臟三維模型，從各個角度清晰展示肝臟形態、內部管道結構及Couinaud分葉分段，進行肝臟解剖的系統講解(圖1)，即肝內管道結構、肝臟的Couinaud分葉分段、解剖變異、毗鄰組織，肝腫瘤定位及與周圍管道關系等。在此基礎上使用虛擬手術工作站進行虛擬肝切除，再結合與虛擬手術病例對應的高清手術視頻，系統講解肝臟外科手術，通過旋轉、透明化等操作從不同角度觀察肝斷面走行及需要離斷的肝內管道(圖2)。手術視頻展示病例對應的肝臟臨床解剖及手術過程(圖3)，講解同時演示說明相關軟件的操作方法。然后將三維重建模型軟件U盤及手術視頻光盤(桌面級，可個人電腦打開)發給每個醫學生，由醫學生自行操作。從不同角度觀察肝臟外觀、內部結構、解剖變異等，并通過軟件的透明化、隱藏、選擇等功能分別觀察肝內不同管道結構、肝臟分葉分段、不同部位肝腫瘤的定位、腫瘤毗鄰血管等，再于虛擬手術工作站自行進行手術規劃并虛擬肝切除手術，包括肝左外葉切除、左右半肝、右后葉切除等，繼而觀看病例對應的真實手術視頻，對照分析學習。

1.3 教學質量評價指標 教學完成后，通過統一的標準化試題考試進行教學效果測試，以問卷調查進行難易程度、滿意度等教學評價。(1)標準化試題：采用百分制，考核內容包括肝臟形態、周圍毗鄰臟器組織、管道結構、肝臟的3個肝門、Couinaud肝臟分葉分段、常見解剖變異及分型、肝腫瘤定位描述、規則性肝葉切除等?？己朔绞桨ㄩ]卷考試及肝臟3D打印模具操作考試，兩部分各占50分，學生成績=閉卷考試成績+模型操作考試成績，60分為合格、90分以上優秀。(2)問卷調查：采用問卷調查的形式了解學生對各自教學方法的評價。問卷調查表內容包括教學方法是否生動有趣，相關知識是否易于掌握，學習主動性、積極性，是否提高學習效率，教學方法滿意程度等。

圖1 基于三維可視化技術構建的肝臟教學模型

圖2 基于虛擬手術技術進行的肝臟手術教學模型

圖3 基于高清手術視頻進行肝臟解剖/手術教學截圖

2 結 果

2.1 標準化試題測評 兩組醫學生均100%完成相關教學。三維教學組學生的考試成績為(95.5±3.1)分，傳統教學組為(81.0±4.1)分。三維教學組顯著高于傳統教學組，差異有統計學意義(P<0.001)。三維教學組的優秀率為93.3%，高于傳統教學組(40%)，差異有統計學意義(P<0.001)。

2.2 問卷調查評價 問卷調查發放問卷60份，收回60份，回收率100%。結果(表1)表明：三維教學組所有學生(100%)均認為該教學法易于掌握，生動有趣，調動學習積極性，促進知識的掌握和應用，提高學習效率和增強自學能力。兩組學生在學習難易度評價、學習興趣性、學習主動性、教學滿意度等方面比較，差異有統計學意義(P<0.05)。采用三維教學法可明顯降低學習難度、提高掌握率，提高學生的學習興趣和學習積極性。

表 1 兩組醫學生對各自教學方法的教學效果評價 N=30， n(%)

3 討 論

臨床解剖及手術教學是醫學生從理論走向實踐的關鍵。而現代外科的高速發展，精準外科手術的實施對外科教學也提出了更高的要求。肝臟是人體最為復雜的臟器之一，其臨床解剖及相關手術教學一直是教學的難點，醫學生普遍反映難以掌握。傳統的肝臟外科教學方法采用二維圖像解剖圖譜、肝臟模具講解以及尸體標本等學習[1-6]。解剖圖譜對于醫學大部分授課內容來說能基本滿足教學需要，但是對于肝臟這類需要空間想象才能理解的內容，僅利用二維圖像，醫學生難以清晰地理解其三維結構，學習掌握率低。例如，國內外普遍采用的Couinaud肝葉肝段劃分法是以肝靜脈、門靜脈及其分支的立體走行來劃分的，是一個三維的概念，初學者難以根據二維解剖圖像通過三維空間想象劃分。教學模具則交互性差，絕大部分肝臟模具的功能在設計的時候就已經固定，且高質量的模具成本昂貴。尸體標本學習則因人體標本來源匱乏而不易實施。肝臟手術教學方面，傳統的尸體標本教學及手術現場觀摩最為常用,但通常難以實現；臨床手術雖然最真實、直觀，但是醫學生對肝臟解剖尚不能很好掌握，肝臟手術又復雜多樣，往往無從理解?？偟膩碇v，傳統教學方法效率低、效果差，對于無相關基礎的醫學生來說，短期內掌握難度很大。

自美國及中國可視人體計劃啟動以來，三維可視化技術、虛擬手術技術以及高清手術視頻系統等技術飛速發展，為肝臟外科臨床教學提供了新的方法[7-10]。運用影像數據采集資料建立的肝臟三維重建模型可清晰展示肝臟解剖，直觀掌握肝臟內部復雜的解剖結構。肝內的不同管道、組織可采用不同的顏色顯示，通過透明化處理及組分隱藏、篩選等操作，可單獨顯示各組織結構，并可通過進行任意角度的旋轉、放大、縮小等操作，從各個角度、多方位顯示肝內管道的分支和走行情況，根本性地解決肝臟解剖教學的管道結構顯示困難等關鍵問題。在三維可視基礎上建立的虛擬手術技術則為手術教學提供了前所未有的方法和手段。應用虛擬手術系統進行虛擬肝切除手術，模擬肝腫瘤的切除過程，可以在透明化設置等輔助下，清晰暴露腫瘤與毗鄰管道、肝斷面走行及需離斷的相關管道等，并可反復進行操作，直至醫學生確切掌握相關知識。近年來，高清手術視頻系統，特別是視頻錄制方便的腹腔鏡手術在肝臟外科中應用日益普及，隨著精準肝外科手術的實施，為手術教學提供了大量高質量視頻素材。結合手術對應的術前三維重建及虛擬手術操作，可使醫學生輕松理解并掌握肝臟手術的基本知識。

近年來，本中心應用三維可視化技術及虛擬肝臟手術技術進行術前準備，并繼之在手術時進行相應高清手術錄制，形成了從術前三維重建、虛擬手術到手術視頻的對應的完整數據資料，為肝臟外科的教學提供了全新的手段。本研究采用健康人以及臨床實際工作中的典型病例相關資料整合形成肝臟外科教學系統，制作形成桌面級的教學應用素材，開展肝臟臨床解剖及手術教學。結果顯示，本教學方法較傳統施教方法具有明顯的優勢，教學效果良好。通過肝臟三維解剖模型有助于快速理解、掌握肝臟解剖的基本知識。既往普遍反映難以理解、掌握的肝內管道系統、Couinaud肝分葉分段及肝毗鄰結構等內容，醫學生通過1次授課即掌握。虛擬手術及對應的手術視頻系統則為肝臟手術學習提供了前所未有的體驗，通過虛擬手術反復切除及對應的手術視頻的比對學習，使學生迅速掌握肝手術的基本知識，幫助學生迅速實現從基礎學習到臨床實踐的過渡，大大減小教學培訓難度。教學考核顯示，三維教學組的成績顯著高于傳統教學組，優秀率顯著高于傳統組(P<0.001)。本研究中肝解剖部分的教學結果與新近其他學者發表的研究結果[11]一致。Kong等[11]研究結果亦表明，三維肝臟解剖教學優于傳統教學。問卷調查顯示三維教學反響良好，學生均反映教學新穎、肝解剖/手術相關知識易于理解、學習興趣高、學習主動積極、學習掌握率高，教學滿意度高。

與傳統的教學模式相比，本教學方法有明顯優勢，如肝管道結構三維立體顯示、虛擬手術切除等是傳統的手術圖譜等教學手段無法做到的。其使醫學生從簡單枯燥的二維平面學習轉變為直觀、快速、輕松地學習肝解剖/手術知識，大大降低了學習難度，激發了學習興趣并提高了教學效率。本方法改變了肝臟外科教學的方式，為教學提供了極大的便利，能克服傳統圖譜教學的不足，亦能大大緩解目前臨床教學中的解剖尸體來源有限和醫學生臨床實踐不足等問題。本研究制作的教學系統為桌面級應用，制作的教學內容包括三維肝臟模型、手術視頻等集成于U盤及光盤內，能夠在任何一臺個人電腦打開，操作簡便、人機交互性好，利于醫學生和臨床醫師自學掌握。本教學方法也利于網絡教學，通過建立數字化肝臟解剖教學網絡系統平臺，進行遠程解剖教學互動，可以為更大范圍的解剖/手術教學應用以及公眾健康咨詢提供支持。與采用肝臟三維動畫教學以及中國人可視化來源的三維重建教學相比，本教學中教學素材采用基于臨床真實典型案例建立，具備從術前三維重建到手術的完整的內容展示，教材源于臨床、基于臨床，所示內容能夠立即應用于臨床，能夠有效解決“學了肝解剖還是搞不懂患者的肝解剖”的常見問題。

綜上所述，三維教學法用于肝臟外科教學可以幫助醫學生迅速、高效地掌握肝臟臨床解剖及肝臟手術的基本知識，大大降低學習難度，顯著提高肝臟外科教學質量。本教學方法對于肝臟外科的教學方便和有效，推薦將該方法用于肝臟外科的教學及有志于開展肝膽外科的同仁學習使用。

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Application value of three-dimensional visualization and virtual surgery system in liver surgery teaching

PENG Yuan-fei1, LU Chao-cheng2, SHI Jie-yi1, SHI Ying-hong1, WANG Zheng1, WANG Xiao-ying1, ZHOU Jian1, FAN Jia1*

1. Department of Liver Surgery, Zhongshan Hospital, Fudan University, Shanghai 200032, China 2. Department of General Surgery, Zhongshan Hospital, Fudan University, Shanghai 200032, China

Objective： To explore the application value of three-dimensional visualization and virtual surgery system in liver surgery teaching.MethodsA total of 60 undergraduate interns from Fudan University School of Medicine, Grade 2012, were randomly divided into traditional teaching group (n=30) and three-dimension teaching group (n=30). The atlas of liver anatomy and liver surgery, liver model and operation video were used for teaching in traditional teaching group; the three-dimension reconstruction of liver model, virtual liver surgery system and operation video corresponding to real case were used for teaching in three-dimension teaching group. Standardized examination was given 6 class hours later and the questionnaire was used to investigate the students’ evaluation for the teaching methods.ResultsThe exam score of three-dimension teaching group (95.5±3.1) was significant higher than that of traditional teaching group (81.0±4.1,P<0.001). The excellence rate in three-dimension teaching group (93.3%) was also significant higher than that in traditional teaching group (40%,P<0.001). According to the questionnaire, the new teaching method was valued by all the students in three-dimension teaching group to be easy, vivid and interesting, which could arouse the learning enthusiasm, promote the mastery, improve the learning efficiency and strengthen the self-study ability.ConclusionsNovel clinical teaching using three-dimensional visualization and virtual surgery system is superior to traditional teaching in liver surgery teaching and is recommended for wide application.

liver; anatomy; three-dimension visualization; virtual surgery; clinical practice; teaching

2017-10-20接受日期2017-11-29

國家自然科學基金(81572296)，復旦大學附屬中山醫院科技創新基金(2015). Supported by National Natural Science Foundation of China (81572296) and Zhongshan Science and Technology Innovation Fund (2015).

彭遠飛，博士，主治醫師. E-mail: pengyuanfei@126.com

*通信作者(Corresponding author). Tel: 021-64041990, E-mail: fan.jia@zs-hospital.sh.cn

10.12025/j.issn.1008-6358.2017.20170897

R 197.323.6

A

[本文編輯] 曉 路