三維模擬技術在關節外科培訓教學中的應用

許杰+李登+蔡志清+李春海+許冰

摘要：臨床住院醫師在關節外科的培養因受到執業環境及傳統培訓模式等影響而效果欠佳。三維模擬技術作為一種新興的培訓形式在臨床專業臨床技能操作培訓方面有著廣闊的應用前景，很好地彌補傳統臨床培訓中存在的不足，三維解剖結構的呈現及虛擬空間中的模擬操作有助于加深培訓醫師對手術方式的理解。所以三維仿真技術必將成為未來臨床培訓的重要構成。

關鍵詞：醫學模擬技術；關節外科；臨床教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）32-0164-03

關節專科主要涉及關節疾患的診治，人體中諸多關節結構各異，骨性關節周圍韌帶、神經血管豐富，構造復雜，對培訓醫師的空間思維能力要求高。目前培訓教學手段由傳統的粉筆、掛圖升級為二維圖片、Flash加手術錄像播放，教學方式雖然有了很大的進步，但仍然存在很多不足之處，比如顯示病變解剖結構缺乏空間立體感、住院醫師不能參與互動、更無法模擬手術后解剖結構重建的效果，與臨床實踐不能銜接等問題。這使得關節專科的住院醫師培訓效果欠佳。

一、傳統的臨床培訓教學模式面臨的困境

關節外科實踐性強，操作上包括軟組織暴露、韌帶的松解與平衡、血管神經的規避及骨結構的重塑，是技能要求較高的學科。現階段，隨著手術操作分級制的推進，患者的維權意識不斷加強，且隨著我國醫療法規及行醫權限法律法規的進一步完善，住院醫師臨床實踐的機會減少，特別是對于偏復雜病例，更有操作權限。其次，關節外科術式多樣，新的手術方式不斷涌現，單以膝關節置換為例，就包括有后交叉韌帶保留與替代型、髁限制性、鉸鏈型置換等多種形式，所針對的解剖結構異常及手術操作均有不同，給臨床醫學培訓帶來了挑戰。再者，關節外科的許多手術均具有手術時限性，還以膝關節手術為例，為達到手術野顯示清晰、減少出血，膝關節鏡檢或關節置換手術中均會使用止血帶，阻斷下肢血流具有時限性，這使得術中演示或說教的傳統帶教過程顯得十分倉促，受培訓者往往囫圇吞棗。針對上述情況，既往有培訓機構采用實體模型或尸體標本進行手術的模擬訓練，但無論是實體模型還是尸體標本均價格昂貴且不可反復使用。這種高成本臨床操作形式在臨床培訓中舉步為艱。

二、構建基于三維模擬技術的臨床技能教學平臺的必要性

國內外許多醫學院校都加大投入，模擬臨床真實場景進行培訓教學。這其中，利用虛擬仿真技術進行臨床場景的模擬是研究的熱點。對于這方面的研究與嘗試，國內的一些醫學高等院校也在開展，并希望以此而對傳統的教學方式進行改進或替代。初步的對比研究顯示，在教學質量方面有所提高，在教學效果的滿意度調查中也得到師生的一致好評。在專業軟件的幫助下，目前已經可以實現CT、MR等二維影像向三維影像的立體構建。但是，計算機屏幕所顯示的三維構建圖像僅限于解剖形態的顯示，距三維模擬平臺的構建完成還有較大的差距。遵循“培養臨床實踐能力和創新能力為核心”的教學理念，平臺的構建必須能讓受訓者參與其中，充分發揮主觀能動性，進行模擬操作并提供相應的結果評價。由此，以培養高層次醫學人才為教學目標，探索外科操作技能教學的新方法，構建全方位的模擬教學平臺，全面提升教學質量，將三維模擬技術應用到關節外科教學的各個環節，改革已成為今后教學模式的必由之路。

三、基于三維模擬技術的臨床技能教學平臺的組成部分

1.三維解剖形態的建立與呈現。目前，X線、CT、MRI等臨床常用的影像顯示手段呈現的是二維成像，對CT所進行的后臺重建，給到醫護人員手中往往是打印在膠片上的某幾個視角角度。無論是在臨床診療過程中還是在教學一個用過程中，人體各器官、骨骼、肌肉等的精確體現均有賴于三維虛擬技術的介入。通過三維虛擬，關節復雜的解剖結構可通過平移及旋轉來多角度呈現。由此，更便于受訓者在較短時間內能更正確的搭建關節解剖的空間思維能力。更進一步基于Mimics等專業軟件進行3D圖像轉化，傳輸到3D打印機，進行等比例、精確打印患者手術區域解剖結構。與三維數字模型相比，3D打印的實物模型直觀性更強，所提供的解剖學信息比醫學影像資料更為詳細，由而實現由二維到三維、由平面到立體、虛擬到現實的轉變。

2.精準制定手術方案，并完成手術操作的模擬。通過三維模擬系統，醫師針對所搭建的三維解剖形態進行手術方案的設定，并模擬進行手術操作，在此過程中熟悉手術操作流程及要點，規避可能被忽略的細節而造成的手術風險。如圖1A所示，我們以人工膝關節置換手術為例，通過對CT和MRI所采集的數據進行三維重建，搭建人體膝關節的三維解剖結構，在虛擬影像系統中，借助軟件所提供的工具，受訓醫師可進行對骨骼虛擬影像的切割處理（圖1C、D），模擬真實手術中的截骨操作，并將數字化三維虛擬人工關節假體（圖1B）與骨性結構進行配對、擬合，完成手術的模擬，最終手術效果通過三維虛擬影像的呈現而進行直觀的評價（圖1E）。

四、討論

作為實踐性強、注重積累的學科，臨床醫學的教學是一個漫長的過程，三維模擬技術的應用，在保證病人安全，不違背臨床倫理的前提下，通過所建立的虛擬仿真設施，可反復多次進行手術過程的模擬操作，把經典及疑難的病例資源有效地向教學資源轉化，并得到最充分、最安全的利用。在培訓教學過程中，三維影像、虛擬模擬操作、可變角度觀察，對受訓者有較強的吸引力和感染力，極大地煥發了受訓者學習熱情，充分調動學習過程的積極性及主觀能動性，加深對抽象知識的理解，做到事半功倍而提高培訓醫師的綜合素質。我們對解剖結構畸形的病例進行手術關節的實體三維打印，對培訓醫師進行實物講解，針對實物或是在建立的三維虛擬環境中，并讓其進行畸形骨截骨、匹配關節假體的選擇及置入，并比對操作前后解剖畸形的糾正情況，普遍反映收效巨大。更為重要的是，三維模擬技術的接觸更是臨床外科發展的需要。目前，臨床外科的治療手段已逐漸由傳統大切口直視操作向微創化發展，通過內窺鏡的視野輔助，以往如腹部肝膽胰腺及胃腸手術、泌尿外科的大多手術均可完成。而近十年機器人手術平臺的出現，顯示在手術微創化進程中三維模擬技術強大的應用前景：應用手術機器人進行手術時，外科醫生在原理手術臺的工作站中，面對屏幕所顯示的由術野景象所構建的影像進行操作，通過控制器操控機器人的機械臂進行手術操作，而非傳統手術中的直接握持器械對患者進行手術。

以培養高層次醫學人才為教學目標，探索外科操作技能教學的新方法，構建全方位的模擬教學平臺，全面提升教學質量，將三維模擬技術應用到關節外科教學的各個環節，改革已成為今后教學模式的必由之路。

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