顱腦解剖三維仿真系統構建在神經外科臨床教學中的應用

唐勇 李翔 史巖 錢正庭 樊友武 吳鶴鳴

南京醫科大學附屬南京醫院（南京市第一醫院）神經外科

臨床解剖學一直以來都被視為連接醫學基礎理論與臨床實踐的必備橋梁和基礎課程之一。但是傳統的臨床解剖教學比較抽象，較難獲得自身體驗感覺過程，存在許多臨床信息遺漏和掌握困難等問題。例如臨床教學講授過程中多使用書本的二維圖片或者教具模型，有條件的教研室也配備尸體解剖標本作為教學輔助。但由于神經解剖的立體抽象感，書本的二維圖片明顯缺乏對神經系統空間結構的準確而詳細的描述；教具模型的選擇比二維圖片具有較好的空間解剖結構，但對人體解剖的細節表達又存在一定的失真，且對于神經結構的內部聯系關系也無法準確表達；遺體捐獻者的尸體標本是傳統臨床解剖學教學的必備教學資源之一，但是由于遺體捐獻政策的調整，尸體的供體源非常緊張，標本來之不易，尸體解剖顯得尤為珍貴，導致臨床學生利用尸體標本進行神經系統的全面觀察和解剖的機會也明顯減少。這些問題都導致了學生在神經解剖學習過程中對神經系統的空間結構理解程度降低，不利于學生對神經外科解剖及手術相關知識的理解和掌握。近年來,三維仿真系統在科技工業領域得到廣泛應用[1，2]，其定義是指利用計算機技術生成的一個仿真并具有三維空間感知的虛擬環境，操作者可以依靠各種傳感設備在虛擬的操作環境中與實體相互作用的一種技術[3]。隨著三維仿真系統技術的發展及應用，如何通過計算機三維仿真技術解決以上神經解剖教學矛盾成為神經外科教學中的重點研究方向之一。通過數字醫學技術,應用于醫學的三維重建軟件可將CT、MRI二維圖像轉化為虛擬三維模型以及以此為基礎建立三維仿真系統,可將三維仿真系統應用在神經外科臨床教學中，可讓規培同學在教學中獲得生動直接的視覺感受[4]。三維神經仿真系統技術可以使同學從各個方位仔細觀察神經解剖結構，還可以從腦組織和腦血管的不同層面、位置和角度顯示它們的形態、空間毗鄰位置關系。針對神經外科的規培生對神經系統的解剖知識難以掌握問題5，南京市第一醫院神經外科嘗試將臨床顱底腫瘤患者的顱腦解剖實現三維仿真系統構建，使神經解剖學與三維仿真系統進行學科交叉融合,使學習者獲得更好的臨床教學的效果，提高臨床教學滿意度，加強了學生們對神經外科解剖知識的認識和理解，收到了較好的神經外科規培教學效果，現將我們教學中的體會介紹如下：

一、資料與方法

1.研究對象：在南京市第一醫院神經外科學習的規范化培訓學生（共40人）。將學生隨機分為三維學習組和常規學習對照組（每組20人）。所有參與者完成知情同意數據采集，在性別、年齡、學科背景、課程學習等方面差異無統計學意義。

2.方法：兩組規培教師對1例顱底腦膜瘤的位置、大小、形態及腫瘤與周圍血管神經關系進行詳細講解。常規學習組以幻燈和圖片講解為主，配合患者頭顱磁共振和CT影像資料，按照具體知識點進行講解。三維仿真系統組采用三維虛擬仿真系統結合影像學資料進行講解，具體如下：選取顱底腦膜瘤患者對其行三維薄層MRI平掃+增強，薄層CTA掃描，然后將綜合影像Dicom數據導入 MIMICS軟件進行三維重建，生成微信二維碼，學生可通過手機掃描二維碼進入三維仿真系統觀察顱底腫瘤解剖結構，包括顱骨，腦組織，腦膜瘤及其周圍動靜脈等，并可使用Virtual Reality眼鏡對解剖結構進行結構增減、三維旋轉、調整和觀察（如圖1）。課堂教學時教師通過該系統教學實現顱腦區域和分層解剖的教學，通過虛擬解剖過程對顱腦和血管解剖結構的特征細節以及相互之間的空間關系進行講解。學生可通過虛擬系統對某個解剖結構進行有目的性的深入觀察和標注，甚至模擬手術入路。

圖1.通過軟件可添加或減少解剖結構，還可旋轉角度觀察

3.評價方式

教學結束后對兩組規培生進行相應臨床理論知識考核，內容主要為填空題以及問答題，滿分為100分，內容以臨床解剖教學內容為主，同時采用自行設計的教學滿意調查問卷進行調查，調查內容：學生對神經外科課程理解及喜愛重視程度比較，調查問卷集中在課后 10 分鐘發放填寫并于當場回收。

4.統計學方法

二、結果

1.出科理論考核成績：對兩組學生出科理論考核成績進行比較，三維學習組學生理論知識考核成績明顯優于常規學習對照組（P <0.05），如表1所示。

表1.兩組學生出科理論考核成績比較（n=40）（）

表1.兩組學生出科理論考核成績比較（n=40）（）

＊與對照組比較有統計學差異（P<0.05）

2.教學滿意度調查結果：對兩組學生教學滿意度調查結果進行比較，三維學習組除了在對教學方式的接受程度方面與對照組無明顯差異（P >0.05）外，在其他方面（能夠激發學習興趣、有助于掌握理論知識、有助于手術觀摩時對手術入路的了解），三維學習組均優于常規學習對照組（P <0.05），如表2所示。c2

表2 兩組學生教學滿意程度調查結果（n=20）n(%)

討論：解剖知識是所有醫學基礎理論內容，是基礎醫學教學中的重點之一。在神經外科規培教學中，腦組織形態，血管走行及它們相互的空間結構等都需要用到解剖知識。人類的知識記憶過程主要依靠自對外界的視、聽、讀，但其中90%以上信息主要來源于視覺和聽覺。但是由于規培學生通常只簡單掌握了書本理論知識，缺乏對神經解剖的立體直觀概念，所以在臨床教學中很難將神經解剖知識很好地進行認識和理解。而且傳統的解剖學教學之中，利用于課堂教學之用的人體解剖圖像通常是一種呈靜止狀態并且保持在一個特定狀態的圖像，這一解剖圖像較難讓學生對人體解剖學變化產生詳細的理解，學生無法想象人體在患病之后，特定病變部位所產生的具體變化，以及產生對應的認知感，因此需要學生們發揮自身想象力來完善大部分的解剖變化內容，在這種情況下所達到的課堂教學效果并不會非常樂觀。顱腦解剖結構包括顱腦、神經、血管解剖結構復雜，即使細微的結構變化也可能在顱腦神經疾病中出現重要的影響,這要求神經外科醫生必須非常熟悉掌握顱腦相關解剖知識,具備良好的空間想象能力,才能達到精準定位病灶，順利完成臨床診斷和外科手術。以往常規教學主要通過解剖圖譜或臨床教師的抽象語言描述，少數條件好的臨床解剖教研室可以利用模型和稀有的尸頭進行現場教學，但規培生往往對相關解剖結構在認知中無法形成直觀生動的感性認識，學習體驗較差，效果欠佳[6，

7]。

重視將神經解剖與神經外科手術相關知識的整合優化，讓神經解剖知識有效的與神經外科疾病、體征結合起來，形成學生們自己系統而完整的認知概念，有利于他們對神經外科學知識的理解、記憶及掌握。引入三維模型將大大幫助學生理解顱腦解剖。但在早期的三維模型需要教師來進行制作，解剖教師會采用一些可塑泥或者塑料材料制作顱腦解剖學的模型。隨著數字化計算機技術的不斷發展，現在三維模型通常會通過計算機中的三維模型設計軟件來對顱腦解剖學的模型進行構建，三維仿真系統可以將通過影像融合技術將個體顱腦解剖結構原比例地呈現出來，同時可以根據顱骨、血管、以及神經的影像參數，按照不同的顏色反應出來，立體地呈現在學習者面前，能夠為觀看者提供更加形象而生動的神經解剖描述，有的甚至可以將文字和圖片有機結合，使得知識圖文并茂，將使大腦更快速地做出視覺反應。而且通過佩戴的Virtual Reality系統還可以在三維角度便捷地對顱腦進行360度旋轉以及斷層、平移、縮放等操作,多角度全方位展示顱腦病灶的大小、位置，以及其與腦血管和神經間毗鄰關系，從不同視角去觀察顱腦解剖結構。這將顯著提高規培同學學習效率，通過對學生出科理論考試成績和對教學滿意程度的對照研究分析，可以得出以下結論：（1）與之前常規的基礎理論學習知識進行對照，三維仿真系統將使規培學生對學科前沿知識理解更加深刻，作為規培新生的教學手段，更容易引起他們的興趣，提高他們的學習熱情和學習參與度，激發學生的積極性和主動性；（2）建立仿真的腦組織、顱骨、重要血管顱神經走行、腫瘤與血管之間的毗鄰關系等多種解剖元素相結合的模型，使得神經外科教學模型更加真實。可以更好地幫助規培同學形成良好且形象的解剖概念，為后期臨床手術操作熟練度打下基礎,幫助同學更好地掌握理論知識，可提高學生的自主學習能力，發現和解決問題的能力；（3）神經外科疾病尤其是顱腦腫瘤疾病，通常腫瘤會將周圍的神經和血管包繞或推擠等，即使低年資的住院醫師通過長時間的臨床手術觀摩也很難熟練和完整地掌握相關顱腦解剖知識點，同時由于神經外科顯微操作使用顯微鏡導致的操作視角問題，學習者對解剖中的一些重要復雜結構也很難觀察到。三維仿真系統應用于復雜的顱底腦膜瘤模型建立，通過軟件系統建立的三維模型可以讓學習者在三維空間任意旋轉、剝離、覆蓋，從不同角度觀察和講解顱底腫瘤大小，腫瘤與周圍血管和神經的關系，使得學習者得到更直觀的視覺效果，有利于他們形成空間概念，結合影像學閱片，將使學習者對于實際解剖與影像學之間的關系更好的展現出來，教學內容更加直觀和形象，可以使學習者學會如何更好閱片，更清晰判斷病情及手術可能遇到的困難，極大地提高規培生的閱片以及對顱底腫瘤疾病的臨床診斷能力。（4）傳統的臨床解剖學實驗課通常受限于學習的場景和時間,學生在講堂上的問題與困惑,課后并不能得到很好解決,這使得問題累計,甚至進入惡性循環，并最終將未解決的疑問帶入以后的臨床工作中,這導致神經外科規培教學質量以及培育神經外科合格醫學人才帶來極其不利的影響。三維軟件操作簡單方便,使用應用的場景更加靈活，借助三維仿真系統解剖學習軟件,在個人筆記本或臺式電腦中都可以導入虛擬的顱腦三維模型,可對顱腦臨床解剖學的教學資源實現最大程度上的共享和利用。這樣在規培教學上,可發揮規培學生主動軟件操作性,對顱腦解剖的疑難點與重點進行綜合把控。課前學生就可通過個人電腦的三維軟件打開三維解剖模型,在教室、宿舍提前預習，提出自己的疑問；課后也可使用該三維模型對課堂上的知識點進行查漏補缺，及時發現未真正解決的解剖問題,并進行歸納總結,為以后的顱腦解剖學實驗打下堅實的基礎。（5）交互式教學是被稱為主體教學思想的核心內容，并被西方發達國家推薦為優選教學方法。與傳統教學方法相比，三維仿真顱腦解剖系統將更多增加教師和學生之間的交互性，讓教學具有更好的互動性，進而增加課程的吸引力，有利于學生接受和理解知識，同時也將規培同學以往抄寫、整理的傳統學習方式上解放出來，可以將更多精力放在思考和理解，與帶教老師的深度交流上，可以顯著提升規培同學的主觀能動性和自我知識體系的建立，提升更多的學習激情，增強對顱腦解剖的探究和創新能力。

目前，國內也有不少單位將三維仿真系統應用于臨床實踐中。例如，有術者術前將患者的MRI、CT數據輸入虛擬操作系統中，通過影像融合、三維重建、數據提取、模擬等操作步驟，綜合設計個體化手術方案，可清晰顯示病變與腦組織、血管、顱骨等的解剖關系，為相關手術入路選擇提供精準和直觀的依據[8]。還有術者將中央功能區膠質瘤患者的CT、CTA、DSA、MRI及fMRI等影像資料輸入虛擬技術工作站，通過圖像融合和三維重建,術前及術中可在虛擬現實影像上觀察病變與周圍結構的空間關系,設計個體化手術入路，可虛擬手術操作過程、術中輔助決策,大大提高了手術安全性與病灶的全切除率,同時也提高了專科醫師教學和訓練的效率[9]。

綜上所述，隨著計算機及信息技術的高速發展，三維仿真概念體現了目前精準醫療的概念，代表了未來信息醫學發展的導向，神經外科在外科學中對于術者的解剖知識要求極高，本教學研究表明，對神經外科實行三維仿真教學后，規培生能更好地掌握專業神經外科相關醫學知識，能夠使傳統的教學模式得到更大的改善和有效補充，可以更好地激發規培學生們的學習熱情和興趣，提高對解剖知識的理解和掌握。