混合現實技術在骶骨骨折固定術教學中的應用效果

郝曉東，張元智，吳 超，劉亞歐，莫偉鵬，胡旭鋒

混合現實是繼虛擬現實、增強現實問世后出現的又一全新的3D數字技術[1]。該技術將現實圖像、虛擬數字圖像與屏幕上的虛擬世界分離，從而實現三維虛擬模型與現實世界物體的精確融合[2-3]。目前在醫學領域，混合現實技術可將真實解剖組織與術前三維虛擬影像匹配融合，允許用戶與之交互，進行三維視覺實時定位，提高手術導航的安全性和精準性[4-5]；借助混合現實技術，還可基于對術區解剖結構三維影像的呈現來模擬手術過程，進而幫助外科醫生選擇最佳手術方案[6]。

在臨床教學工作中，運用混合現實技術可以對復雜的醫學教學內容進行生動呈現，為學生帶來沉浸式體驗[7-8]；此外，基于其多功能和移動性的特點，學生能夠自由訪問教學平臺進行學習，不受地點和時間的限制。對于醫學教育工作者，混合現實技術提供了全新的教學模式，拓寬了知識傳授的途徑和渠道。近期研究表明，運用虛擬現實技術輔助教學比傳統臨床教育模式更為有效[9-10]，但就骨科臨床教學而言，目前尚缺乏相關的對照研究報道。本研究對比分析混合現實輔助教學和傳統教學模式在醫學生骶骨骨折經皮骶髂關節螺釘固定術學習中的應用效果，現報道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2020 年1 月—6 月在內蒙古醫科大學附屬醫院骨科進行課間實習輪轉的24名醫學生，男14 人，女10 人，年齡21～26 歲，平均年齡（23.1 士1.4）歲，研究生8人，本科生16人。所有學生均無骨科實踐操作經歷。采用隨機數字表法，按不同授課方式將學生隨機分成混合現實組和傳統教學組（n=12），其中混合現實組采用混合現實技術輔助教學，傳統教學組運用傳統教學方式授課。

1.2 骶骨骨折三維解剖模型和內固定手術演示模型建立

收集1 例采用經皮骶髂關節螺釘固定術治療的Denis Ⅱ型單純骶骨骨折患者的影像學資料（圖1A～1E），制作骨折三維重建模型和手術演示模型（圖1F，1G）。標注病例模型，導入重要操作方法、重點手術步驟等信息，并在自主研發的全息影像教學平臺中上傳全息病例信息。

圖1 單純骶骨骨折患者影像學圖片及手術演示模型1A，1B 腰椎X線正側位片1C～1E 骨盆及腰椎CT斷層圖像1F 骨盆及腰椎三維重建1G 手術演示模型

1.3 教學方法

混合現實組采用混合現實技術體驗手術過程（圖2），授課時學生需佩戴頭戴式HoloLens 全息眼鏡（Microsoft公司，美國）；對照組采用傳統教學模式，通過傳統手術視頻講解的方法了解手術過程。

圖2 混合現實技術在骶骨骨折內固定臨床教學中的應用2A 三維模型與實際場景疊加2B 授課者教學手術實景

1.4 教學效果評估

采用紙質問卷調查的形式，運用分數量化評分，“1～5分”分別代表“不符合～完全符合”，對學生的學習主動性、三維立體感、教學滿意度、知識掌握能力及學習專注性進行評估[11]；針對骶骨解剖及骨折治療方法，對兩組學生進行課后測驗，記錄考核成績。

1.5 統計學方法

采用SPSS 18.0統計軟件進行數據分析，計量資料以均數±標準差（）表示，兩組比較采用兩獨立樣本t檢驗，P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

如表1 所示，混合現實組學生在學習主動性、三維立體感、教學滿意度評分方面高于傳統教學組（P＜0.05）；在學習專注性、知識掌握能力評分方面，兩組比較，差異無統計學意義（P＞0.05）。混合現實組和傳統教學組課后測驗成績分別為（88.2±4.4）、（78.2±5.7）分，兩組比較，差異有統計學意義（t=4.811，P＜0.001）。

表1 兩種教學模式在骶骨骨折經皮骶髂螺釘固定術教學中的應用效果比較（分，，n=12）

表1 兩種教學模式在骶骨骨折經皮骶髂螺釘固定術教學中的應用效果比較（分，，n=12）

3 討論

3.1 混合現實技術在骨科領域的應用

混合現實技術是在虛擬現實、增強現實技術基礎上發展起來的一種全新的數字全息影像技術，其具有將復雜抽象的醫學信息可視化、簡單化、形象化的特點，因此自問世以來，就引起醫學界的廣泛興趣[12-13]。有學者在實驗室環境中采用徒手置釘技術和混合現實技術置入椎弓根螺釘，結果發現后者骨皮質穿破發生率明顯降低[14-15]；Wu等[16]在一項椎體模型試驗中，借助混合現實技術輔助導航C1和C2椎弓根釘置入，108 枚螺釘無一錯位。Gregory 等[17]將混合現實技術用于反向肩關節置換術，患者解剖結構得到精確展示，術者在此基礎上對手術操作進行實時規劃，術后假體位置適當，患者恢復良好，無手術相關并發癥發生。近期的臨床研究亦證實，混合現實技術有助于術者在手術區域獲得良好的三維立體視覺，對解剖結構有更清楚的理解和認識，手術操作過程更加簡便優化[18-19]。

3.2 混合現實技術輔助骨科教學的優勢

虛擬現實技術主要基于計算機生成的虛擬模型，增強現實是將虛擬模型與真實物體融合在一起，混合現實則是在增強現實的基礎上，用戶在虛擬模型中選定視角，并與之交互。基于三種技術各自的特點，相應的教學模式也存在差異，虛擬現實和增強現實的教學模式僅為學生提供單一視角的三維立體視覺，而混合現實教學模式則允許學生自由地選擇觀看視角，并與三維模型進行交互，模擬手術操作過程。

在骨科臨床教學領域，由于人體標本短缺，價格昂貴，導致教學成本不斷上升，學生進行手術實踐操作的機會日益減少。目前通常采取視頻教學、臨床演示的方式，提高學生對復雜3D 解剖結構和空間關系的把握能力，但效果不甚理想。通過混合現實技術，可以創造一個虛擬與現實完美結合的教學環境，通過網絡將學生與虛擬三維空間課堂相連接，然后借助混合現實設備，培養學生的參與度，改善傳統學習中交互性、積極性和體驗感等方面的不足。

在骨科教學中，混合現實技術的優勢具體表現在：①教學方式從使用二維圖像和視頻轉變為通過交互式移動環境促進學習[4]，學生對人體復雜的解剖結構有更直觀的了解，訓練更為有效；學生有機會觀看和體驗復雜骨科手術，無需進入手術室就有身臨其境的感覺[20]，提高教學滿意度，提升教學效果。余可誼等[11]對比混合現實技術與傳統教學模式在經皮椎間孔入路腰椎間盤切除術臨床教學中的差異，結果表明，接受混合現實技術教學模式的學生在學習主動性、三維想像力上具有明顯優勢，可提高醫學教育的形象化和交互性。②提供無風險培訓[21]，以更自然、更逼真的方式呈現手術操作可能對患者造成的傷害[22]，通過反復的互動和體驗，深刻理解骨科手術并發癥，提高學生的實踐技能。③教師授課時無須使用實體標本，避免標本消耗，課程安排更為自由，節約教學成本和時間成本。④該技術可疊加術前計劃，用以進行術前模擬與訓練[23-24]。

在本研究中，混合現實組學生通過佩戴全息眼鏡體驗手術過程，相較于傳統骨科手術視頻講解，可以更直觀地呈現立體解剖結構，使學生對骨骼以及神經血管走行的認識不再局限于二維圖像；學生在接收知識的同時，成為主動和自主學習者，與手術過程形成交互，通過實踐經驗設定自己的學習節奏，參與感大幅提升。混合現實組學生在學習主動性、三維立體感、教學滿意度等方面優于傳統教學組，課后測試成績亦高于傳統教學組，學習效果顯著。但在知識掌握、學習專注性上兩種教學模式差異不大。

本研究存在以下局限性：①研究處于起步階段，受限于全息眼鏡設備數量的限制，樣本量較小，下一步將擴充樣本量，并根據醫學生的學歷、性別等進行分組研究。②采用問卷調查形式進行評估，可能會因學生的主觀性而造成一定偏倚，需要繼續優化問卷內容，細化評估標準。在未來研究中，教學內容將不局限于骶骨骨折固定，而是擴展到骨盆、脊柱和關節等復雜手術，以此豐富混合現實技術在骨科教學中的運用。