虛擬現實技術在胸外科實踐教學中的應用

郝蒙福，黃壯士，張文強，宋宣克

（鄭州大學第二附屬醫院 胸外科，河南 鄭州 450000）

0 引言

胸外科的疾病主要有：肺部疾病、食管疾病和縱隔疾病，由于胸部器官具有復雜的解剖結構和重要的生理功能，所以在臨床教學過程中，需要強調臨床醫師實踐的重要性[1]。傳統教學多采用專業課教材、PPT、解剖圖譜、尸體標本等作為載體來實施教學活動，有其局限性。近年來，虛擬現實（virtual reality,VR）技術和三維可視化3D打印技術在醫學領域中也有了快速發展，在臨床中應用得越來越廣泛[2]。VR技術是由計算機產生的一個集視聽觸等感覺于一體的沉浸式交互虛擬環境，他允許操作者進行可視化操作，將抽象的、原本“不可見”的解剖及結構三維化[3]。目前，VR技術已廣泛應用于電子游戲、航空、軍事演練、醫學培訓及學科教育等領域[4]，VR技術具有沉浸性、交互性和感知性等特征。三維可視化3D打印技術[5]是將數字模型制作成實體的三維模型，在許多醫學領域也得到了廣泛應用,如模擬麻醉、肝移植和胸部手術[6-7]。VR技術和三維可視化3D打印技術能夠將醫學教學中抽象的內容生動化、形象化及立體化，從而提高學生學習積極性，提升臨床教學效果[8]。目前國內尚未有將VR及三維可視化3D打印技術應用于胸外科臨床教學中的報道。本研究把VR及三維可視化3D打印技術應用于胸外科臨床帶教中，探究該教學方法的應用效果。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2018年10月-2019年10月在我院胸外科臨床實習的100名學生作為受試對象。排除標準：累及請假>2次、遲到/早退>3次。參加學員被告知研究的方法、目的及意義，并自愿參加。采用隨機數字表將其分為試驗組和對照組，每組50人。試驗組50人，男生21人，女生29人，平均年齡（21.12±0.98）歲；對照組50人，男生26人，女生24人，平均年齡（21.26±0.78）歲。兩組實習生在性別、年齡、學歷等一般資料方面比較，差異無統計學意義（P﹥0.05）。

1.2 教學方法

全部教學工作由2名長期從事胸外科臨床教學的醫師負責，他們均接受了統一的臨床教學培訓。試驗組和對照組所處的教學環境、教學內容及考核標準相同。

對照組：采用傳統教學模式，使用第九版《外科學》，主要內容為胸部疾病的相關章節。首先利用胸部模型的解剖來講解主要的解剖學知識和結構功能，接下來將相關內容與病例結合起來在ppt上演示并教學。

試驗組：在傳統教學基礎上將VR和三維可視化3D打印技術引入教學中，將患者胸部薄層CT等影像學資料的醫學數字成像和通信（digital imaging and communications in medicine，DICOM）數據下載并導入到DeepInsight軟件中，處理后可以直觀、準確地重建出胸部三維解剖模型[9]，重建后的胸部解剖模型圖像可以自由旋轉、著色、移動、縮放、測量和分割，能夠使學生直觀的了解和掌握解剖結構[10]，然后還可以根據需要將重建后的圖像通過3D打印機打印出相應的實體模型。

1.3 教學效果評價

在臨床實習結束后對兩組實習生進行考核和問卷調查，考核方法為：①理論考核，采用試卷形式，總分100分，選擇題和問答題（解剖結構標注、重要解剖位置及毗鄰等）；②操作考核，總分100分，包含查體、換藥、胸穿。問卷調查為：①自制教學滿意度調查表，總分20分，由教學態度、教學內容、教學方法、教學效果四部分組成；②自制問卷調查表，包括知識掌握程度、三維立體感、提高學習興趣、提高自主學習能力四部分。評分采用Likert5級評分法，1～5分分別對應非常不符合、不太符合、難以判斷、比較符合、非常符合。

1.4 統計學分析

采用SPSS 21.0軟件和Excel2016對數據進行整理分析，計量資料使用（）表示，組間比較采用獨立樣本t檢驗，計數資料的組間比較采用χ2檢驗；以P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 兩組實習生理論考核與操作考核成績比較

見表1。

表1 兩組實習生理論考核、操作考核成績比較（）

表1 兩組實習生理論考核、操作考核成績比較（）

2.2 兩組實習生調查問卷表及教學滿意度比較

見表2。

表2 兩組實習生問卷調查及教學滿意度比較（）

表2 兩組實習生問卷調查及教學滿意度比較（）

3 討論

3.1 VR+3D打印技術在胸外科臨床教學中應用的優勢

由于胸部解剖概念復雜、結構抽象，傳統的教學模式利用解剖圖譜、幻燈片等工具講解，而且填鴨式的教學不能調動實習生的積極性，從而使得教學質量不高[11]。將VR及3D打印技術引入到臨床教學中，使得枯燥無味的解剖知識變得生動，便于實習生的理解和記憶。有利于提高實習生的學習積極性和自主學習能力。

3.2 在胸外科臨床教學中應用VR+3D打印技術能提高實習生的教學質量

我們將VR+3D打印技術應用到臨床教學中，結果顯示：試驗組的理論考核和操作考核成績得分均高于對照組（P<0.05）。褚婕[12]等對160名實習護士進行分組研究，發現VR教學組的教學質量較對照組有明顯提高。國外有學者[13]研究發現VR技術在外科教育培訓中能夠顯著提高培訓者外科技能的獲取速度。Francesco Volonte[14]等研究發現利用開源OsiriX軟件將肺癌患者的CT圖像進行三維重建，這樣可以使住院醫師能夠很清楚、直觀的了解肺內解剖，通過圖像分割、平移、隱藏等明確病變與周圍組織的關系，可以提高住院醫師的技能成績。Takuro Miyazaki[5]等報道應用3D打印技術成功重建患者的氣管、支氣管，順利完成手術，并幫助住院醫師了解氣管的解剖。T.Joda[15]等通過一項系統回顧研究發現將VR技術運用到本科生的培訓中，可以對其學習課程的質量有積極的影響，并使學生在快樂中掌握知識及技能。Sule Biyik Bayram[16]等通過一項隨機對照試驗發現試驗組學生（應用VR技術組）的平均期末考試成績顯著高于對照組平均期末考試成績。Christopher Cao[17]等研究發現目前VR技術在外科教育中應用廣泛，在解剖學教育中，與傳統2D圖像相比，3D圖像能使受訓者對關鍵解剖特征的識別能力有明顯提高。本研究進一步證明了將VR+3D打印技術應用到胸外科臨床教學中可以提高學生的理論考核和操作考核成績。

3.3 VR+3D打印技術在胸外科臨床教學中應用可提高實習生的臨床教學滿意度

本研究結果顯示：試驗組在知識掌握程度、三維立體感、提高學習積極性、提高自主學習能力、教學滿意度5個方面的得分均高于對照組（P<0.05）。Yeshwanth Pulijala[18]等通過一項隨機對照研究發現VR技術在外科醫師的培訓中不但可以提高其理論知識成績，而且更重要的是能提高其興趣和自信心。Marie-Stéphanie Bracq[4]通過一項可行性研究發現VR技術可作為初級外科培訓工具，受訓者對其有很好的滿意度和評價。Claudia Villanueva[19]等研究發現VR作為外科教育技術的一部分，在心胸外科學員培訓中是一個很有前途和價值的輔助工具，可以在一定程度上提高學員的學習體驗。本研究將VR技術引入臨床教學中，彌補了傳統臨床帶教的不足之處，使教學內容更加生動有趣，提高實習生的學習積極性和自主學習能力。

4 小結

近年來，VR和3D打印技術得到了越來越多的研究，其更廣泛的應用于臨床教育中，允許醫學生和住院醫師能在受控的環境中練習，從而避免嚴重錯誤的發生[20]。通過將VR+3D打印技術應用于臨床帶教中，實現教學立體化，提高了實習生的學習積極性，從而提高臨床帶教效果。但是，VR和3D打印技術仍有其局限性，使用者的體驗感較差、設備昂貴以及研發成本高等，隨著光學、處理能力、圖像保真性的不斷發展，未來這些問題都能被解決[21]。

目前，國內關于將VR和三維可視化3D打印技術應用于胸外科臨床教學中的報道并不多見，本文屬于初步探究，我們期望將來會有更多的研究，以評價虛擬現實技術和三維可視化3D打印技術在胸外科臨床帶教中的優缺點。