3D打印模型輔助混合現實（MR）沉浸式教學課堂在脊柱腫瘤外科教學中的應用

張丹　矯健　楊興海　劉鐵龍　肖建如

[摘要] 目的 為解決脊柱腫瘤發病率快速增長與脊柱腫瘤外科醫生的稀缺及培養困難相矛盾的問題，提出新的有效的教學方法。方法 在以病例為基礎的教學模式指導下，初步探索了運用新型MR沉浸式課堂教育為主同時輔助以個性化3D打印模型局部增強的新型教學方法對于脊柱腫瘤外科年輕醫生培養的可行性。之后通過有聲思維法、書面測驗及學生滿意度問卷評估教學效果。結果 接受新型教學方法的學生其在有聲思維法、書面測試中成績明顯優于傳統教學組，差異有統計學意義（P<0.05）。同時該組學生對教學滿意度更高。結論 這種“虛擬+局部增強”的教學課堂改革，很好的克服了傳統脊柱腫瘤外科教學中的諸多缺點。

[關鍵詞] 混合現實技術;3D打印模型;沉浸式教學;脊柱腫瘤外科

[中圖分類號] G642.45 [文獻標識碼] A [文章編號] 1672-5654（2020）07（c）-0152-03

Application of 3D Printing Model-assisted Mixed Reality （MR） Immersive Teaching Cassroom in Spinal Tumor Surgery Teaching

ZHANG Dan， JIAO Jian， YANG Xing-hai， LIU Tie-long， XIAO Jian-ru

Department of Orthopedic Oncology， Changzheng Hospital， Naval Military Medical University， Shanghai， 200003 China

[Abstract] Objective In order to solve the contradiction between the rapid increase in the incidence of spinal tumors and the scarcity and difficulty of training spinal tumor surgeons， a new and effective teaching method is proposed. Methods Under the guidance of a case-based teaching model， we initially explored the feasibility of using new MR immersive classroom education while assisting with the local enhancement of personalized 3D printing models for the training of young doctors in spinal tumor surgery. After that， the teaching effect is evaluated through the voice thinking method， written test and student satisfaction questionnaire. Results The students who received the new teaching method performed significantly better than the traditional teaching group in the voice thinking method and written test， and the difference was statistically significant（P<0.05）. At the same time， students in this group were more satisfied with teaching. Conclusion This "virtual + local enhancement" teaching class reform has overcome many shortcomings in traditional spinal tumor surgery teaching.

[Key words] Mixed reality technology; 3D printing model; Immersive teaching; Spinal tumor surgery

隨著環境惡化，人們飲食生活習慣的改變，腫瘤特別是惡性腫瘤逐漸成為了威脅人類生命健康的頭號疾病[1]。因為惡性腫瘤治療手段的進步，惡性腫瘤患者帶瘤生存的時間也逐漸延長，臨床上越來越容易見到原發或繼發轉移性的脊柱腫瘤患者，脊柱腫瘤外科也因此逐漸發展壯大。但與脊柱腫瘤發病率快速增長相矛盾的是由于脊柱腫瘤解剖復雜性及手術技術要求高而導致的脊柱腫瘤外科醫生的稀缺及培養困難。

脊柱作為人體的中軸骨，有著極為精密的解剖結構和極為重要的生理功能。其除了有支撐人體全身重量保持身體直立與平衡的作用外，還有著保護中樞神經系統—脊髓的重要職責。因為脊柱解剖結構的復雜，以及神經易損及不可再生的特點，而導致脊柱外科成為一門精細度要求極高的學科。脊柱腫瘤外科作為脊柱外科重要部門，有著更為復雜的疾病特點及治療要求。可以說每一例脊柱腫瘤都可以視為一個不同的疾病，因而對于脊柱腫瘤及周邊重要結構關系的整體解剖理解是脊柱腫瘤外科醫生入門的基本要求。脊柱的空間立體結構復雜以及脊柱周圍涉及到的重要組織結構繁多，傳統教學方法多難以理清學生思路，達到滿意的教學效果。

該文選取合適且典型的各部位脊柱腫瘤病例，創造性地將較為成熟的脊柱腫瘤3D打印技術與最新的MR混合現實技術相結合，形成新型“混合現實沉浸式課堂+3D打印局部現實增強”的新型教學方法，并引入到脊柱腫瘤研究生及年輕醫生的培養和教學工作之中。通過與傳統教學方法比較，發現新型教學方法可以明顯增加學生學習趣味，并有機會在安全可靠的情況下不斷的嘗試特定手術操作，對手術進行模擬，快速掌握特定部位脊柱腫瘤相關解剖及手術知識，從而更好地達到教育教學的目的。

1? 對象與方法

選取上海長征醫院骨腫瘤科收治的典型頸椎腫瘤和胸椎腫瘤病例各1例，分別制作成普通PPT教學課件及3D打印模型+混合現實MR教學情境。選取2017—2018學年兩批次骨腫瘤科在讀及聯合培養研究生共計37名，根據其研究生入學西醫綜合統考成績高低排列將其隨機分為兩組，一組18名學生進行普通傳統PPT教學，另一組19名學生接受新型“混合現實沉浸式課堂+3D打印局部現實增強”教學。教學內容主要以個案引入，詳細講解脊柱腫瘤的WBB分期，腫瘤周圍解剖結構，脊柱腫瘤手術的入路選擇，手術切除方式，以及手術前后根據腫瘤特點進行的其他相關治療手段。課程均由骨腫瘤科同一名講師授課，授課完成后即以相似病例進行有聲思維法（Think aloud protocols）、書面測驗及滿意度問卷對學生相關脊柱腫瘤手術治療知識、解剖知識掌握及理解程度、滿意度進行量化評估，收集到的影音數據和試卷由骨腫瘤科資深的3位副主任醫師進行分別判卷，由另一位講師統計分數并進行統計學分析。

有聲思維法作為一種常用的可用性分析方法廣泛應用于臨床教學效果評估領域，即通過錄像或錄音的方法在學生模擬手術過程中，記錄其所有想法從而實現學生思維的具象化，使研究者有機會掌握學生的內心想法并通過豐富的影音數據進行量化分析[2-4]。而書面測驗為閉卷考試，主要由相關解剖學知識點（50分）加2例脊柱腫瘤病例分析（50分）構成。

2? 結果

3位上海長征醫院骨腫瘤科資深的副教授對所有學生每人10 min的模擬脊柱腫瘤手術有聲思維法音頻進行百分制打分，3人給出的平均成績作為學生有聲思維法考核的最終成績進行記錄。最終接受新型教學法的學生其平均分為（74.1±5.5）分較接受傳統教學方法的學生平均分（64.6±6.3）分高，單尾兩獨立樣本T檢驗結果（t=4.894，P<0.05），提示兩種教學組有聲思維法手術操作考核成績差異有統計學意義（P<0.05），接受新型3D打印模型+混合現實MR沉浸式教學的學生有聲思維考核成績明顯優于接受傳統教學法學生的成績。同時對所有學生書面測驗進行判卷，結果顯示接受新型教學法的學生其平均分為（80.8±5.1）分較接受傳統教學方法的學生平均分（70.8±4.9）分高，經過統計學分析（t=3.863，P<0.05），也提示兩教學組考核成績差異有統計學意義（P<0.05），接受新型教學法的學生對知識的掌握度優于接受傳統教學法的學生。最后，根據學生對于兩種教學方法滿意度的回饋打分情況發現學生認為新型教學方法趣味性更強，同時對教學滿意度也更高。

3? 討論

MR技術即混合現實技術可以說是虛擬現實技術（VR）和增強現實技術（AR）的進一步發展，該技術通過在虛擬環境中引入現實場景信息，在虛擬世界、現實世界和用戶之間搭起一個交互反饋的信息回路，以增強用戶體驗的真實感。在新的可視化環境里物理和數字對象共存，并實時互動。在過去的數年時間中，VR及AR技術得到了長足的發展，在包括航天、影視娛樂及醫療等領域廣泛應用，部分敏銳的教育教學工作者也將其引入到了臨床教學之中并取得了巨大的成功[5-7]。不同于VR使用者只能沉浸于人造的虛擬世界以及AR僅僅是在現實世界中加入虛擬物品而無法對其進行操作。MR作為最新一代的交互技術，同樣是虛擬與現實的結合。MR技術投射出來的數字化信息，可以真實世界為載體，且更立體逼真，使用戶可以與虛擬的物品產生交互。最早的沉浸式混合現實系統于1994年由美國空軍建立用來進行飛行員實際操作能力的培訓并取得了成功。當代醫學教育利用MR技術建立沉浸式的教學課堂，則可以使學生特別是外科學生能夠在老師講解的同時更為直觀并實時地觀察相應的解剖結構，從而更為深刻理解并掌握相關知識。

3D打印作為新興技術手段越來越多地融入到了人們的生產生活中，各行各業對于3D打印技術的需求及應用也在不斷發展。在醫療領域，3D打印輔助腫瘤外科治療越來越成為一個流行且必要的手段[8-12]。面對復雜的腫瘤手術，3D打印通過制造出一個一模一樣的模型來研究分析，不僅使醫生可以提前熟悉解剖結構從而在術前設計合理化的手術方案，還可以在術中輔助手術醫生確定周圍組織關系及切除范圍[13-15]。脊柱外科手術圍繞著保護脊髓這一重要的中樞神經結構使得脊柱外科成為一門精細度極高的學科。脊柱腫瘤外科作為脊柱外科領域重要部分，對于醫生對疾病的認識，特別是解剖的熟悉和理解程度提出了嚴苛的要求。這也就導致了當代脊柱腫瘤外科醫生培養的困難及稀缺。而3D打印技術作為現實的局部補充，在脊柱腫瘤手術術前設計方案，術中指導手術，理解術區解剖都有著重要的意義。

該文開創性的將兩種技術相結合，在以病例為基礎的教學模式（case-based learning，CBL）指導下，初步探索了運用新型MR沉浸式課堂教育為主同時輔助以個性化3D打印模型局部增強的新型教學方法對于脊柱腫瘤外科年輕醫生培養的可行性，并取得了良好的效果。通過混合現實技術本身無語倫比的代入能力，使學生能夠完全沉浸于教學環境中，更為直觀地觀察局部解剖結構及組織毗鄰關系，配合教員的講解，更易理解，并且使學習更具有趣味性，學生主動獲取知識，更為快速深刻的理解記憶知識點。同時輔助個性化的3D打印模型能夠使學生在看見之余觸摸到各種結構，使得視覺、聽覺及觸覺相結合，便于細節的掌握并加深理解。相較于在傳統實物模型上實施手術操作難以反復進行，虛擬世界為學生提供了在安全環境下快速反復進行同一手術操作的可能，教學效果更為顯著。同時實物模型易損壞，保存攜帶困難的缺點在虛擬數據世界也得到了徹底解決，只需備份數據便能輕松攜帶，甚至可以通過數據傳輸將課堂實時遠程傳遞。

綜上所述，通過這種虛擬+局部增強的教學課堂改革，很好地克服了傳統脊柱腫瘤外科教學中因為知識晦澀難懂，課堂枯燥乏味而難以吸引學生注意力，以及脊柱腫瘤結構復雜，課堂上學生聯想理解困難的缺點，為脊柱腫瘤外科研究生教學及年輕醫生的培養提供了更為直觀有吸引力的方法，值得進一步優化推廣。

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（收稿日期：2020-04-27）

[基金項目] 國家自然科學基金（81702658），上海長征醫院轉化醫學孵育基金項目（2018CZZH08）。

[作者簡介] 張丹（1988-），男，博士，主治醫師，研究方向：骨腫瘤的診治及其發生發展的機制研究。

[通信作者] 肖建如（1963-），男，博士，教授，研究方向：骨腫瘤的診治及其發生發展的機制研究，E-mail：jianruxiao83@163.com。