增強現實技術結合模擬人應用于骨科臨床教學的效果分析

李 佳，王 茜，劉 真，曹芳芳，張 巍

（1.解放軍總醫院骨科醫學部/國家骨科與運動康復臨床醫學研究中心，北京 100853；2.解放軍京南醫療區，北京 100161）

骨科疾病是常見多發疾病。特別對于骨折治療來說，按骨折位置、分型等分型，手術治療方法可達上千種。因此，成為優秀的創傷骨科醫生需要大量系統化、標準化的教學培訓。傳統授課教學方法僅通過圖片和講述授課，不僅成本高，同時難以達到滿意的治療效果。近年來，增強現實技術的發展為改善傳統骨科教學模式的缺陷提供了新策略。因此，本文將增強現實技術與模擬人相結和的教學模式應用于的骨科臨床教學，并對其效果進行評價探討。

1 對象與方法

1.1 教學準備

1.1.1 建立病例三維模型

從我院住院病例中選取老年肱骨近端骨折、股骨近端骨折各一例作為教學案例。將兩例病例影像資料原始數據導入VisualVolume 三維重構軟件系統，制作出骨折部位及周邊軟組織解剖結構的三維模型。三維模型可通過佩戴Microsoft 公司的HoloLens 增強現實眼鏡觀察。

1.1.2 模擬人體骨骼準備

根據上一步重建的三維結構，在相應部位進行顯示。

1.2 教學實施

教學實施前三天，將兩病例所有病歷及相關檢查報告、影像學圖片資料下發給兩組學生象，以便其熟悉病例情況。實驗組：

1.2.1 建立病例增強現實影像并進行觀察

學生可以360 度旋轉、調整距離遠近、縮放大小，可改變各個結構的顏色以及透明度，同時可對不同部位進行拆分，便于觀察細節信息；

1.2.2 多人交互模式

在同一網絡環境中可多視角觀看、操作及討論；

1.2.3 通過對病例模型的全息影像多角度、多維度的反復觀察，了解病變的形態和位置。在討論制定合適的手術方案。

1.2.4 學生術前進行模擬預手術操作，熟練手術流程及方案。

對照組：按照傳統規培教學方式進行，根據現有病例資料以課堂形式進行相關理論授課及病例討論。

1.3 教學效果評價

本研究從兩個方面進行效果評價：教學考核（滿分100分）以及教學滿意度問卷調查。其中，教學滿意度通過問卷調查方式進行。所有問卷統一發放收回，并分析結果。

1.4 統計學處理

采用SPSS 20.0 軟件系統對獲得數據進行統計學分析，計數資料采用百分比表示，用χ2進行檢驗；計量資料采用（±s）表示，用t檢驗，以P＜0.05 表示組間差異具有統計學意義。

2 結果

2.1 教學考核結果

實驗組學生成績為（89.05±8.82）分，對照組學生的成績為（72.45±14.92）分，實驗組成績顯著高于傳統教學組，差異具有統計學意義（t=4.283，P<0.001）。

2.2 教學滿意度問卷調查結果

實驗組學生滿意度為（97.05±8.5）分，對照組學生的滿意度為（83.3±10.5）分，實驗組滿意度顯著高于傳統教學組，差異具有統計學意義（t=4.543，P<0.001）。

3 討論

骨科知識體系繁雜、手術治療方法術式多且有大量高難度手術。教學方法單一存在成本高、學習曲線長等缺點。如何通過改進教學方法，取得更好的教學效果一直是骨科教學方面的難題。增強現實技術是近年來飛速發展，由于其具有所具有的豐富認知、突破時空、實時交互等優勢，已經在醫學教學領域有了一些應用[1]。Halic 等借助增強現實技術，年輕醫師可在段時間內學習解剖、手術設計與操作技巧、病理、生理及影像等知識，獲得與實際操作近乎一樣的培訓效果，并能更深刻地理解理論知識與實踐[2]技巧。此外，借助增強現實技術，學生可以第一視角沉浸式地學習存儲在云端的手術操作視頻，并在自己動手操作時，抬頭即可觀察老師的示范視頻，低頭即可繼續根據3D 虛擬圖像的融合，掌握準確的解剖結構，從而更安全、快捷地學習手術[3]。

耶魯大學的一項研究表明[4]，基于AR 技術進行教學訓練后，學員減少了30%的操作時間和85%的操作錯誤。Stefan P 等[5]將該術用于C 型臂手術，將患者數據的3D 模型和C 型臂X 線成像技術相結合，比單純的X 線成像有更高的精確性，適用于初學者對手術的學習。

單純應用模擬人輔助教學在傳統的醫學教學中已具有廣泛應用，且可以顯著提高教學效果。但是，既往將增強現實技術結合模擬人的方法較少報道。這可能是因為對此應用的內科科室不需要手術治療，因此單純應用模擬人/虛擬現實/增強現實技術已可實現較好的效果[6]。但是對于創傷骨科教學，其涉及到的手術入路、器材、技術等非常多，因此我們提出，應用增強現實技術結合模擬人的方法提高教學效果。

本研究將模擬人與增強現實技術相結合，不僅有了實時視覺交互，使學生從不同角度的對解剖模型細節進行細致觀察，還具有觸覺感知，能夠產生更強的真實性，讓學生通過看、聽、動等多種方式更加全面的完成學習。與傳統教學模式相對比，這種新穎的教學方式不僅提高了學生的教學考試成績，還大幅提升了教學滿意度，使骨科教學變得簡單高效。

增強現實技術結合模擬人的教學模式可以將臨床教學更加形象化和具體化，同時可以彌補教學條件中的不足，是信息化時代中教學改革的創新模式[7]。然而，該模式目前仍處于探索階段，當前的技術支撐還存在諸多亟待改進的方面。例如：軟硬件價格昂貴，無法模擬真實操作中的觸覺反饋以及對軟組織模擬效果欠佳等。而隨著增強現實技術的日趨完善和成熟，在不就的將來這種新型的教學模式，也有望取得更好的效果[8]。

綜上所述，增強現實技術結合模擬人教學模式可以將虛擬畫面與真實世界相互融合，使臨床教學更加形象化和具體化，不僅可以彌補教學條件中的不足，還可以讓學生獲得更真實的操作體驗。這種新型的教學方法不僅可以為骨科規范化教學的推進提供參考，在其他醫學教學培訓中也值得進一步探索應用。