基于云計算的在線醫學可視化在心臟教學中的應用研究

潘海燕，周 慶，高 瞻，賈中正，于小紅*

(1.南通大學附屬醫院；2.南通大學信息科學技術學院，江蘇 南通 226000)

心臟是人體的動力泵，也是體循環與肺循環的樞紐站。其解剖結構復雜，左心系統連接著肺靜脈和主動脈，右心系統連接著腔靜脈和肺動脈。心臟還有著自身的血液循環系統，包括冠狀動脈和冠狀靜脈，這些血管的分支和走形分布非常復雜。心臟因其獨特的血流動力結構以及傳導系統復雜的電生理機制，對其各個方位和任意切面上精細解剖結構的識別一直是心臟解剖教學、心臟疾病診斷和治療中的難點和熱點[1]。在臨床心臟教學過程中，準確掌握心臟的解剖結構對了解心臟的病理生理機制及功能至關重要。由于心臟結構的特殊性和復雜性，很多學生對心血管系統理論知識的學習有著很強的畏懼感[2]。如何提高學生對心血管系統理論知識的學習興趣，精準掌握心臟解剖結構及其病理生理機制，是心臟教學和醫學生臨床技能培訓過程中面臨并亟待解決的一個重要課題。

目前的教學模式，無論是用傳統的掛圖還是播放視頻等方法[3]，學生都無法主動參與,教學過程中無法根據學生對教學內容的理解程度和課堂反饋來動態調整要展示的內容，缺乏可以師生互動的醫學影像三維可視化教學方法。通過計算機斷層掃描(CT)技術獲取臟器影像是進行臨床診斷及治療的常用手段。CT等設備只能產生一系列平行的二維斷層圖片，體渲染技術可以通過CT等設備產生的離散三維標量數據，形成能夠直觀傳遞三維數據形狀、深度和大小信息的圖片，觀察者可以根據自己的目的，有選擇的觀察感興趣的部位，真實感更強。基于云計算的心臟結構可視化，使得復雜的心臟影像三維可視化在云端服務器執行，教師通過平板電腦或手機進行交互操作，即可顯示可視化效果。本研究將比較基于云計算的心臟結構可視化教學和傳統的教學方法在心臟理論課教學過程中的效果，以期為心臟教學探索更有效的教學方法。

一、對象和方法

(一)教學對象。

從南通大學醫學院2015級、2016級臨床醫學本科專業招募志愿學員100人，按隨機表隨機分為對照組和實驗組，每組50人。

(二)研究方法。

由南通大學信息科學技術學院老師在學校校園網內部部署一套醫學影像三維可視化服務器，并調試、測試教室內講臺上的教學用計算機，授課教師上課用此計算機的Web瀏覽器連接登錄三維可視化服務器，在Web頁面上進行交互。同時從南通大學附屬醫院影像科收集正常與典型病例的心臟CT影像數據集，用于課堂教學。

對照組和實驗組由同一老師對同一章節內容進行授課。對照組采取傳統幻燈授課方式，根據教材內容對心臟的結構、功能、相關疾病的病因、表現和診治依次給予講解。實驗組通過采用三維可視化服務器，結合教材內容，將從影像科收集過來的正常及相關疾病的心臟影像學資料，在Web頁面上進行三維顯示，并根據學生的學習難點或感興趣的結構部位進行全方位任意角度的影像呈現，鼓勵學生根據心臟影像資料的結構改變自主思考心臟病理生理改變。

(三)評價指標。

教學結束后，以問卷調查形式了解兩組學生對所學內容的興趣程度、對知識的理解能力、課堂師生互動性以及對教學效果的滿意程度等進行測評，并通過組織理論考試，對兩組學生知識掌握能力進行比較，對理論測試的評分進行統計分析。

(四)統計學分析。

采用SigmaStat 3.5統計軟件，對采集的數據進行統計分析。計數資料采用卡方檢驗和Fishier精確檢驗，計量資料以均數±標準差表示，采用t檢驗。以P<0.05表示差異有統計學意義。

二、研究結果

(一)學生對兩種教學方式滿意度比較。

對教學方式滿意度問卷調查表明，對照組和實驗組整體滿意率分別88%和96%，兩組整體滿意率比較雖無顯著差異(P=0.269)，但心臟結構可視化教學可以使很滿意的學生比例顯著提高(P=0.035)(見表1)。

表1 學生對兩種教學方式滿意度評價表(n)

(二)兩種教學方式下學生上課興趣度和理解力比較。

以問卷調查方式對兩種教學方式的教學效果進行了評估，結果顯示，心臟結構可視化教學能夠顯著提高學生對授課內容的興趣，提升對心臟解剖結構、生理功能和心臟疾病的認識能力(均P<0.05)，師生互動的積極性顯著提高(P<0.01)(見表2)。

表2 學生上課興趣度和理解力評價表(n)

(三)兩種教學方式下學生理論測試成績比較。

對實驗組和對照組的學生進行理論測試，測試分數比較顯示，對照組測試分數在70～79段的學生人數比實驗組多(P<0.05)，而實驗組測試分數在80～89段的人數多于對照組(P<0.05)。實驗組平均測試分數顯著高于對照組(P<0.01)(見表3)。

表3 學生理論測試成績比較(n)

三、討 論

傳統心臟教學中的掛圖或視頻播放都只能展示心臟的二維影像，無法三維立體顯示心臟任意切面和角度解剖結構。學生必須根據其已有的解剖學知識在腦海中構建出心臟的三維解剖結構。體渲染技術能夠將CT設備產生的離散三維標量數據轉變成呈現三維形狀、深度和角度的真實圖片，再加入全局光照效果，在視覺上給出了組織結構之間的空間位置差異，使觀察者能夠更容易理解心臟的內部結構。基于云計算的心臟結構可視化改變了傳統心臟解剖學教學的模式，由實體的心臟解剖變為虛擬的數字解剖，醫學生可通過計算機上三維可視化心臟模型從多方位、任意切面學習心臟內部的解剖結構，從而有助于他們對心臟內部細微解剖結構的識別和理解，為心臟教學提供了一種新方法。

本課題通過搜集臨床正常與各類心臟疾病的CT影像資料，構建了心臟結構可視化教學模型，在我校五年制本科志愿學員中開展了心臟結構可視化教學，比較了其與傳統授課方式的教學效果和學生滿意程度。課題開展過程中，為排除由于不同老師授課經驗不同對教學效果產生的影響，同一章節的內容，兩組學員均由同一老師進行授課。教師授課時，結合教學內容，通過移動鼠標，將心臟結構進行任意角度的三維顯示，學生也可以根據自己的學習難點或興趣部位拖動鼠標全方位觀看心臟的立體結構和內部排列，有效地調動了師生互動積極性，提高了學生的學習興趣。由于能夠結合臨床疾病展示心臟的三維結構，學生對心臟的生理結構及病理改變有了更真實深入的理解和體會，對心臟解剖結構、心臟生理功能及疾病的理解和認識能力得到的顯著提升，理論測試平均成績也顯著提高。

智能手機與平板電腦等移動設備現在已是每個學生的日常標配。本研究利用基于云計算的遠程可視化技術，使得每位學生都可以動手嘗試CT數據的可視化，從而自主學習與觀察心臟解剖結構。有研究顯示，互聯網的使用可以提高醫學生自主學習水平[4]。本研究結果表明，基于云計算的心臟結構可視化教學能夠激發學生學習興趣，提高師生互動積極性，加深學生對心臟解剖及相關疾病的理解，增強對理論知識的掌握能力，在課堂教學中值得推廣應用。