三維重建技術在胸心外科住院醫師規范化培訓教學中的應用及效果分析

薛 祥，薛宇航，陳勇兵，徐衛華

（蘇州大學附屬第二醫院，江蘇 蘇州 215000）

臨床住院醫師的規范化培訓是一項系統化工程，是現代臨床醫學教學的特有方式，也是規培醫生成長為臨床醫師的必行之路，建立行之有效且統一規范的臨床醫師教學培訓方法可提高各級醫療機構中住院醫師的整體水平，為地區患者提供優質的醫療服務，推進公共衛生事業的可持續性發展[1]。但傳統的教學方法如板書、模型、掛圖等往往對于解剖結構的講解不充分，達不到預期的教學效果，所有的基礎知識均可能建立在錯誤的空間推理想象能力之上，容易使規培醫師誤入歧途，挫傷學習積極性[2-3]。并且胸心外科手術風險高、解剖復雜、知識煩冗，易導致理論和教學脫節[4-5]。解剖關系是一切臨床醫學的基礎，病理改變是所有疾病發展的關鍵，所有影像資料的判讀、病情的評估、治療方案的選擇，均建立在熟練掌握正確的組織解剖基礎之上[6]。所以，如何精準形象地展現解剖結構、豐富翔實地闡述病理改變是規范化培訓教學中普遍性的難點和關鍵性的問題。鑒于此，本研究組利用三維重建技術對2020年在本院接受住院醫師規范化培訓的非胸心外科規培醫師開展隨機對照研究，評價和探討了三維重建技術在胸心外科住院醫師規范化培訓教學中的應用和效果。

1 對象與方法

1.1 研究對象及分組

將2019年5月—2020年12月期間自愿參加且能夠配合并完成規范化培訓的蘇州大學附屬第二醫院胸心外科輪轉的2020級、2019級、2018級的普通外科、泌尿外科、腦外科等非胸心外科規培醫師作為研究對象。

1.2 研究方法

1.2.1 三維模型重建（1）CT收集和獲取：在蘇州大學附屬第二醫院的影像科數據庫系統中，選取和下載特定病種的采用64排螺旋CT（GE，USA）掃描的胸部平掃和增強序列，層厚0.625 mm。（2）教師實施三維模型重建：采用三維重建軟件Mimics 21（Materialise，Belgium）進行圖像重建。首先，將CT斷層掃描的DI－COM（Digital Imaging and Communication On Medicine）格式圖片導入，使用閾值（Thresholding）進行分割，標記CT中心臟、血管、肺等組織器官的灰度值，利用三維區域增長技術（3D Region Growing）將實體結構區域重建，在編輯模板中選取靶組織器官區域，除去非靶組織器官區域。在3-matic軟件中實施模型重建和運算。最終，設計生成符合臨床和教學要求的三維模型，標記模型中的關鍵特征點。

1.2.2 教學方法實施 通過隨機數字表法將規培醫師分為實驗組（n=30）和對照組（n=30）。（1）實驗組：使用 Mimics三維重建軟件，①學生用方向鍵和鼠標360°展示組織、器官的大體形態和結構層次，用三維重建技術模擬肺腫瘤的形態、性質、位置以及毗鄰結構空間關系，通過鼠標勾選相關模塊，透視肺段支氣管、血管的匯合方式、走行及變異情況，掌握復雜的肺段支氣管、血管等解剖結構的情況；②對冠狀動脈進行三維重建，模擬血管走形，與“金標準”的冠脈造影相對比，幫助規培醫師理解和掌握冠脈造影體位與影像的關系，判斷冠狀動脈狹窄的位置和程度；③對心臟大血管進行精細解剖性重建，判斷夾層類型、血管破口位置和損傷范圍，討論是否行WHEAT術、BENTALL術、DAVID術或介入支架腔內隔絕術，進行法洛氏四聯癥的解剖基礎及其手術過程解析、手術禁忌證的講解，帶教教員布置學習內容，觀察三維組織器官結構，結合三維重建軟件掌握相關課程的重點及難點，最后帶教教員通過三維重建對知識點進行總結和鞏固。（2）對照組：采用傳統教學模式，即理論授課由帶教教員進行常規PPT課堂授課，臨床實踐技能操作由帶教教員至床旁或手術室進行演示教學，規培醫師在課后自行復習，培訓結束后進行統一理論及臨床實踐技能操作考核。除未采用三維重建軟件講解外，其余教學活動均與實驗組一致。

1.3 考核與評價

教學效果通過理論基礎知識和實踐技能考核成績、規培效果滿意度問卷調查等進行綜合評價。（1）對規范化培訓中的理論基礎知識和實踐技能進行考核。規培結束后采用理論考試（40%）、教學查房中問題回答（20%）和實踐技能考試（40%）等對教學效果進行評估，每項總分100分，最后按權重百分比統計總分，再以總分進行等級評定，85分及以上為優秀，84～75分為良好，74～60分為一般，59分及以下為較差。（2）規培效果滿意度問卷調查通過不記名的方式完成，調查項目分別從激發學習興趣、提高學習效率、改善臨床思維、增強臨床實踐能力、緩解學習壓力等方面進行綜合評分，統計有效問卷回收率。

1.4 統計學分析

本研究采用SPSS 22軟件進行統計分析，本研究數據經Shapiro-Wilk檢驗符合正態分布。正態分布的計量資料以（±s）表示，計數資料以[n（%）]表示；計量資料比較采用t檢驗，計數資料比較采用χ2檢驗或Fish's exact檢驗，等級資料使用Mann-Whitney U秩和檢驗，P＜0.05表示差異具有統計學意義。

2 結果

2.1 研究對象的一般資料

實驗組平均年齡（25.9±1.8）歲，對照組平均年齡（26.4±2.1）歲，兩組規培醫師的一般資料比較見表1。結果顯示，兩組規培醫師在性別、年齡、學歷上差別不具有統計學意義（P＞0.05），基線資料具有可比性。

表1 兩組規培醫師的一般資料比較[n（%）]Table 1 Comparison of general data between two groups of trained physicians[n（%）]

2.2 兩組規培醫師理論基礎知識和實踐技能考核成績比較

結果顯示，60%的實驗組規培醫師成績等級為優秀，無人是較差等級；而對照組成績的優秀率僅為20%，還有10%的人成績不理想，為較差等級，兩組相比，差別具有統計學意義（P＜0.05），見表 2。

表2 兩組規培醫師理論基礎知識和實踐技能考核成績比較[n（%）]Table 2 Comparison of the examination results of theoretical basic knowledge and practical skills of the two groups of trained physicians[n（%）]

2.3 兩組規培醫師的培訓效果滿意度比較

對兩組共60名規培醫師進行規培效果滿意度調查，發放問卷60份，回收有效問卷60份，有效回收率為100%。結果顯示，實驗組對激發學習興趣（P=0.00）、提高學習效率（P=0.00）、改善臨床思維（P=0.00）、增強臨床實踐能力（P=0.02）、緩解學習壓力（P=0.00）方面的規培效果滿意度均高于對照組（P＜0.05），見表3。

表3 兩組規培醫師對規培效果滿意度的比較[n（%）]Table 3 Comparison of satisfaction of two groups of regular training physicians with the effect of regular training[n（%）]

3 討論

3.1 三維重建技術在胸心外科臨床教學中鮮有應用

三維重建技術（Three-Dimensional Reconstruction Technology）指利用X線、CT、MRI等醫學影像技術獲取人體組織器官數據，通過平面斷層圖像構建三維容積模型[7]。即根據斷面圖像二維輪廓矢量化數據線圖，在計算機輔助下重新構建組織、器官和病灶等靶區域三維結構模型，可360°展示組織、器官的大體形態和結構層次，分析目標區域與周圍組織的解剖關系和組織結構。目前，臨床上已廣泛利用三維重建技術精準定位手術部位，制定合理手術方案，選擇最佳手術途徑，模擬手術操作，設計手術過程，提高手術成功率[8]。已有研究表明，三維重建技術可與人工智能（AI，Artificial Intelligence）技術相結合，根據三維重建后的病灶形態特征、像素變化、強化程度，對三維重建肺結節進行良、惡性的定性判定，提高了臨床診斷的準確性和科學性。三維重建技術在臨床醫學研究中得到了廣泛應用[9]，成為醫學影像發展中一次新的飛躍。但其在胸心外科規范化培訓教學中的應用卻鮮有報道，因此，本研究組將三維重建技術與胸心外科常見肺惡性腫瘤、先天性心臟病、冠心病、主動脈大血管疾病等基礎知識和相關專業技能相結合，協助規培醫師深入理解和掌握包括胸部CT、冠脈造影等胸心外科相關影像資料的判讀，幫助規培醫師分析和評估病情、決定治療策略等。

3.2 三維重建技術可提高教學質量，為臨床醫師教育提供充分保障

胸心外科涉及心臟、大血管、肺血管、支氣管等，解剖、病理、生理知識較多，如冠狀動脈的走向及支配區域，主動脈夾層涉及的范圍及相關并發癥，肺血管、支氣管和肺結節位置等，對于僅在本科室輪轉的規培醫師和臨床教學都提出嚴格要求。本研究組立足自身前期研究基礎，優化教學方案，以肺、心臟、大血管等影像學圖像數據為基礎，進行了三維模型重建，為規培醫師提供準確、直觀的三維重建圖像，通過三維重建模型可自主學習和操作，可進行課前預習、課后復習，可反復學習胸心外科基礎理論知識中的重點和難點，真實體會組織解剖位置、關系和變異等情況，提高教學質量。另外，三維重建軟件還配置了如解剖學測量、圖像配準、手術規劃、定制化模板設計以及有限元分析等功能模塊[10]，不僅可以重建解剖組織結構，360°展示組織、器官的大體形態和結構層次，還可模擬真實的病情，為技能培訓提供了真實的“演練場”，以進一步提高規范化培訓的質量，并推而廣之，將三維重建技術與規范化培訓有機結合，提高三維重建技術在規范化培訓教學中的應用價值。

3.3 三維重建技術可增加學習興趣，提升學習效果，為臨床醫師的理論和實踐奠定堅實基礎

本研究發現，兩組對激發學習興趣（P=0.00）、提高學習效率（P=0.00）方面的規培效果滿意度差別具有統計學意義。傳統的教育模式以教師為主導，以板書、模型、圖片為教學手段，規培醫師被動學習或實踐，難以完全掌握相關內容。三維重建模型不僅可以進行任意旋轉、平移、縮放、測量，局部放大或透明化，顯示或隱藏目標區域，針對不同目標區域標記顏色加以區分，而且在二維橫斷面圖像中可實施三維模型的定位和分割，其定位精準，操作簡單、靈活，可提高學習參與度和學習效率。同時，三維重建技術可與3D打印技術、3D全息投影、虛擬現實技術（Virtual Reality，VR）聯合應用，通過3D技術進行分層打印，利用計算機生成模擬手術，提供更加全面、深刻的直觀體驗[11]；與全息投影聯用或通過佩戴VR頭盔、借助VR手柄，可調節任意角度、大小；通過透明化、顏色標記與顯示和隱藏，實現了全方位觀察分析組織器官解剖結構，實現模型三維空間中的可視化和人機交互[12-13]，最大限度地調動規培醫師的學習參與度，激發其學習興趣。

3.4 掌握三維重建技術，促進規培醫師向臨床醫師的轉型

調查研究發現，兩組對改善臨床思維（P=0.00）、增強臨床實踐能力（P=0.02）、緩解學習壓力（P=0.00）方面的規培效果滿意度差異具有統計學意義，實驗組的滿意度更高。說明通過三維重建技術，可以幫助規培醫師多層次、多角度審視和判斷病情，正確把握手術適應證，協助規培醫師更容易地掌握胸心外科核心診療技術，對規培醫師培養具有重要的協助作用。

4 結語

三維重建技術能夠全方位展現胸部各臟器解剖關系和組織結構，促進規培醫師充分理解胸部器官組織關系，協助規培醫師精準定位病灶和模擬現實疾病的發展，提高規培醫師對于臨床相關影像圖像的理解，有利于提高教學質量、學習參與度與學習效率，激發學習興趣，有利于規培醫師掌握臨床核心能力，且有利于規培醫師多層次、多角度審視和判斷病情發展，為住院醫師的規培化培訓開辟了一個全新的教育方式和教學方法。