混合現實全息影像在心血管教學中的應用價值

李濤，張興華，李欣，羅春材，張晶，楊立

隨著科技的發展，新技術不斷推陳出新，使得影像醫學得到空前的發展。由于專業劃分越來越細，心血管影像作為影像醫學中新興的最活躍的分支，越來越被臨床所依賴。心血管影像又是心血管臨床介入醫師的必備基礎，但是心血管影像教學在心血管臨床介入醫師的繼續教育中長期未被重視［1］。另外，由于心血管影像知識新，內容多，加之心血管解剖結構復雜，病種繁多，大多數醫生在醫學院學習時心血管影像課時短，因此掌握心血管影像專業知識的放射科醫生有限［2］，如何能夠在較短的時間內，推廣心血管影像知識，提高教學效率和教學效果，培養優秀的心血管影像專業人才，是擺在我們面前亟待解決的重要課題。混合現實全息影像（Mixed reality holographic image，MRHI）呈現技術的出現，為我們提供了一個非常有力的工具。

混合現實是結合增強現實與虛擬現實的新技術，它將數字化的信息全息投射到真實的物理環境中，突破常規二維影像，從而獲得直觀、立體的體驗。混合現實全息影像呈現技術，目前在外科領域，如骨科、肝膽外科、神經外科、血管外科剛剛開始應用，在病變的診斷、手術計劃的制定方面，展現出明顯的優勢［3-5］。但是，可否將這種最新技術，應用到影像教學方面、是否優于常規教學方法、提高教學水平，目前并無科學設計的對照研究。為此，我們在日常教學工作的基礎上，嘗試將該技術用于初、中級醫師的心血管影像診斷培訓教學，探討MRHC 在心血管影像教學中的應用價值。現報告如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選取2017 年12 月至2018 年12 月間在解放軍總醫院放射科新入科進修的未接觸過心血管影像工作的進修醫生30名，隨機平均分成兩組，A 組（n＝15 名），B 組（n＝15 名），分別進行傳統教學方法（TT）（傳遞-接受）及混合現實全息影像技術結合傳統教學方法（MRHC-TT）進行心血管影像培訓。所有學員均為本科學歷，職稱均為住院醫師，工作時間相差不超過3年，在接受培訓之前都沒有接受過心血管影像診斷方面的工作，在我院學習期間也沒有在心血管影像組輪轉過。

1.2 研究方法

1.2.1 A組 采用傳統教學模式，即傳遞-接受式的教學模式，培訓內容包括主動脈縮窄，主動脈弓離斷，主動脈瓣狹窄，主動脈夾層，主動脈動脈瘤，動脈導管未閉，肺動脈狹窄，肺靜脈畸形引流，房間隔缺損，室間隔缺損，法洛氏四聯癥，右室雙出口，大動脈轉位、單心室畸形等內容。

1.2.2 B 組 采用混合現實全息影像技術結合傳統教學方法進行教學，教學內容與A 組完全相同，且同一相關內容由同一講師講述，但教學方式有很大的不同，教學方法如下：教學前獲取每一種疾病的患者CT 的原始DICOM 數據，將其導入到三維醫學影像工作站（StarSource Medical Image Workstation，Visual3D，北京維卓致遠醫療科技發展有限責任公司）進行分割和重建，得到網格模型（STL）文件；所有重建的STL 文件被輸入到工作站內部的場景編輯模塊（Scene Editor）進行材質設定，包括顏色賦值和透明度預設等。編輯好的模型，再通過“星圖”混合現實影像系統（StarAtlas Holographic Medical Image System，Visual3D，北京維卓致遠醫療科技發展有限責任公司），以v3d 格式（北京維卓致遠醫療科技發展有限責任公司內部的一種數據傳輸格式，內部封裝有網格模型和壓縮后的DICOM 體數據）進行輸出，獲得全息影像數據。老師用較短的時間進行PPT 理論授課后，然后和學生通過混合現實全息眼鏡（Hololens，Microsoft Corp，USA）（放置在眼前的這個小型計算機的屏幕，高分辨率的透鏡）觀看患者的全息數字影像，虛擬的全息模型通過平板（HUAWEI M3 tablet with Android system），根據需求進行放大、移動、隱藏、改變顏色和透明度調節等操作，實時進行教學和討論（圖1～3）。

圖1 教師與學生通過混合現實全息影像進行教學討論示右室雙出口

圖2 混合現實全息影像顯示主動脈縮窄

圖3 混合現實全息影像顯

1.3 教學效果評估 每次教學課后，分別對兩組學員的心血管疾病影像診斷能力進行評估，測試內容包括理論知識和病例分析兩部分，采用相同的試卷和病例，根據教學內容自建題庫，理論知識和病例分析各占50分，滿分100分。

教學結束后，還通過教學滿意度調查評價兩種教學方法的教學效果。教學滿意度調查根據自制的調查問卷進行，包括教學難度、教學方法、學習興趣、師生互動、知識面、信息量等方面的內容，滿分為100分，滿意度根據得分分為四個檔次，評分＞90分為非常滿意，75～90 分為滿意，60～74 分為一般，＜60 分為不滿意，教學滿意度＝［（非常滿意人數+滿意的人數）/總人數］×100%。

1.4 統計學方法 采用SPSS 19.0統計學軟件進行分析。計量資料采用表示，兩組之間考試得分采用成組t檢驗進行統計學分析。滿意度調查等計數資料，采用χ2檢驗進行比較。P＜0.05 代表差異有統計學意義。

2 結果

2.1 兩組學員考試成績的比較 兩組學員到課率均為100%，兩組學員均能積極地參與教學活動。在接受培訓前，兩組學員均未接觸過心血管影像方面的工作，經過6次培訓，混合現實結合傳統教學組的平均考試成績高于傳統教學組，差異有統計學意義（P＜0.05）。見表1。

表1 心血管疾病影像教學兩種教學方法效果的比較/（分，）

表1 心血管疾病影像教學兩種教學方法效果的比較/（分，）

總分67.7±3.0 74.9±4.0 5.577 0.000組別傳統教學組MR結合傳統教學組t值P值人數15 15理論知識得分30.4±2.4 34.8±2.2 5.234 0.000病例分析得分37.0±2.7 40.1±2.4*3.324 0.002

2.2 兩組學員的教學滿意度的調查 混合現實結合傳統教學組的教學滿意度（86.7%）與傳統教學組（60.0%）差異無統計學意義（χ2＝2.727，P＝0.099）。見表2。

表2 學員對兩種教學方法教學滿意度調查/名（%）

3 討論

混合現實全息影像呈現技術是增強現實技術的延伸，是虛擬現實技術的進一步發展。它是將計算機虛擬模型引用和整合到真實的物理世界，使得在虛擬世界、真實世界、用戶之間形成一個交互反饋的信息回路［6-8］。混合現實可以提供一個有效的工具看到醫學影像的三維的數字化的信息，從而在心血管影像教學中發揮重要的作用。混合現實的一個重要媒介就是微軟的Hololens 眼鏡，它是頭戴式混合現實全息計算機，允許操作者維持虛擬世界與真實世界之間的聯系，從而在虛擬世界、真實世界以及用戶之間搭建起一個交互反饋的平臺。

混合現實全息影像技術目前在外科中已經開始應用。在胸外科，湯軼等［9］率先在胸壁腫瘤手術中進行了應用。在骨科，Wu等［10-11］率先在頸椎骨折需要手術治療的患者進行了應用。頸椎骨折（尤其寰樞椎的骨折）通常造成脊髓的損傷、感覺的喪失、麻痹、甚至死亡，外科手術（椎弓根的內固定、減壓）是有效的治療方法，然而術中對于血管、神經的損傷對病人無疑是雪上加霜。以往手術過程更多的是依靠手術醫生對于CT、MRI等影像資料在腦中的重建，即使有3D 重建的影像，很好地顯示骨折周圍的神經、血管也是很困難的。因此手術過程是否順利，很大程度上取決于術者對于解剖結構及變異的認識、對于術中緊急情況的應急處理能力。混合現實顯示技術，將數字化的全息影像重疊在病變上，醫生可以在術中進行實時的觀察、判斷，從而提高椎弓根減壓、內固定手術的準確性、安全性，也使操作更加簡單。在神經外科，混合現實全息影像也有了開拓性的應用［4］，通過混合現實全息計算機成功地進行全息影像幫助下的腦室外引流手術，在這種最新技術的幫助下，使得神經外科醫生能夠直接看到患者腦內的高分辨的3D 全息影像及插入導管的路徑，結果顯示腦室插管的路徑更加準確，最大可能杜絕導管偏離位置。

本研究探討MRHI技術在心血管影像教學方面的應用，檢索文獻，未見相關嚴格對照研究的報道。本研究納入兩組未接觸過心血管影像的年資和職稱相近的醫師，采用相同的教學內容，以不同的教學方法進行教學。對于傳統教學模式組，我們采用以傳遞-接受的教學方式，加上觀察CT斷面的方法。對于混合現實全息影像技術結合傳統教學模式組，我們使用了混合現實全息影像。通過混合現實全息影像進行教學，教師和學生可以360。觀察數字化的模型，邊觀察邊討論，這樣可以對解剖細節、解剖變異、疾病的位置及表現有更加深刻的理解。比如對于主動脈縮窄這個疾病的教學，傳統教學主要觀察的是CT 橫斷面表現，通過混合現實全息影像教學，可以非常清晰、立體、直觀地顯示主動脈縮窄的位置，是管狀的縮窄還是隔膜狀的縮窄，縮窄的程度及范圍如何，縮窄后胸廓內動脈、肋間動脈側枝血管的建立如何，這樣就會給學生留下非常直觀、立體的印象，既容易理解，又記憶深刻，從而大大提高教學水平。再比如對于右室雙出口疾病的教學，通過混合現實全息影像技術提供實時的全息影像，可以把右心室、左心室、主動脈、肺動脈分別采用不同的顏色及透明化的效果顯示出來，還可以隱藏干擾的結構，比如左右心房可以隱藏起來，這樣就更直觀地顯示兩個大動脈和兩個心室之間的關系，即兩個大動脈均從右心室發出，這種三維的立體化的教學比單純的從二維斷面對疾病的解讀更加清晰，受到了學生的認可及歡迎。通過6 次的教學之后，采用相同的試卷及病例進行測試，發現采用混合現實全息影像技術結合傳統教學方法進行教學，學員對于心血管影像的掌握高于接受傳統教學模式的學員，這說明采用混合現實全息影像技術結合傳統教學方法，能夠較好地提升教學效果，適合在心血管影像教學中推廣和應用。

總之，混合現實全息影像技術打破了虛實之間的界限，將醫學信息以更加立體直觀的方式呈現在學生眼前，使得學生徹底告別枯燥、乏味、死記硬背的學習方式，使學習變得更加簡單、形象，記憶深刻，可以大大提高學習效率。從而會徹底改變教學模式、溝通方式，推動教學模式的變革。