3D-Slicer 軟件在神經外科教學過程中的應用

降建新，凌 薇，劉瑞紅，王小林，魯 峻，高廣忠，顧愛芹

（泰州市人民醫院，江蘇 泰州 225300）

神經外科教學是外科學教學中非常重要的一部分，具有專業性強、知識點多、理論抽象、解剖結構復雜等特點[1]，這些特點在很大程度上影響著神經外科教學的效果，理論教學和實踐教學都是教學中的難點。3D-Slicer軟件是由麻省理工和哈佛大學聯合開發的一款開源、免費和可擴展的醫學圖像處理和可視化的醫學圖像處理和分析應用平臺，開發3D-Slice的最初設想是用于神經外科手術引導治療、可視化和分析的系統，但是經過十幾年的發展，3D-Slice已經成為一個不僅能夠適用于各種臨床和臨床前的研究應用，還能夠用于非醫療圖像分析的綜合平臺。本研究將3DSlicer軟件應用于神經外科教學過程中，構建以病例為基礎，按亞專科疾病進行分類的神經外科疾病案例庫，將原有的解剖學、影像學與可視化的重建圖像相結合，讓學生將復雜的解剖結構與影像學、疾病通過可視化的模型結合起來學習，并且通過身臨其境的學習各種解剖知識和疾病的案例資料來鞏固解剖學知識和理解治療方案，進一步提高臨床思維能力[2]。

1 對象和方法

1.1 研究對象選取2020年1月～2021年6月在神經外科參加規范培養的104名學員作為研究對象，研究學員的納入標準：（1）年齡21～25歲；（2）學歷為在讀非神經外科專業研究生；（3）所有學員均無神經外科的臨床實踐經驗，進入本研究的所有成員均完成了知情同意。排除標準：（1）身體不適及溝通不良；（2）無故曠課，出勤率＜90%。剔除標準：問卷回收數據不完整者。實驗組和對照組成員在性別、年齡、基礎成績等方面相似，其差異沒有統計學意義。

1.2 研究方法本實驗根據輪轉病區的不同隨機分為實驗和對照組，實驗組成員50名，對照組成員54名。兩組成員除了3D-Slicer軟件的應用以外均接受相同的培訓課程。（1）對照組教學。對照組采用傳統教學方式即利用掛圖、影像及頭顱模型等教具，以理論教學結合病例分析的方法進行顱腦解剖、顱腦疾病診斷和手術方式的講解，在教學中我們對疾病均按照顱腦外傷、血管性疾病、功能性疾病、腫瘤性疾病的分類進行疾病的講解。（2）實驗組教學。實驗組教學同樣以理論教學結合病例分析的方法進行顱腦解剖、顱腦疾病診斷和手術方式的講解，在教學中我們按照顱腦外傷、血管性疾病、功能性疾病、腫瘤性疾病的分類利用3D-Slicer軟件對原始的影像學數據處理構建各種疾病的模型，將病理性結構、周圍相關結構分層構建，并進行神經外科疾病的術前分析和規劃。該教學方式以疾病為基礎，以學員為中心，在構建模型的過程中將相關解剖知識、治療方案、影像學圖像同步對照學習。以三叉神經痛微血管減壓術為例，利用3D-Slicer軟件重建血管、三叉神經、面聽神經、腦干等重要結構，顯示責任血管與三叉神經、腦干之間的關系，以此為基礎進行術前手術方案的規劃以及手術步驟的學習和講解。

1.3 實施效果評價

1.3.1 出科考核 所有規培人員出科時均進行出科考核，考核包括理論考核和實踐考核兩個部分。理論考核主要以神經系統解剖、影像學診斷為主，題型主要有選擇題及案例分析題，選擇題20題，每題1分，案例分析2題，每題15分，共50分。實踐技能考核主要以神經外科常見疾病的診斷、治療方案及手術方案制定為主。實驗組和對照組均實施理論及操作考核，總分100分。

1.3.2 問卷調查 在參照相關文獻的基礎上，我們課題組設計了調查問卷，對兩組學員進行教學效果的調查分析。問卷包括教學模式的合理性、教學方式的靈活性、對專業的興趣、對知識點的理解程度、學習效率、對定位診斷的認識、手術方式及過程的理解等7個方面，每項評分為5～1分，分為非常同意、同意、基本同意、不同意、非常不同意5個等級。問卷在出科考核后現場發放，學員匿名填寫后回收，本次共發放了問卷110分，剔除數據不完整的問卷，實際有效為104，問卷調查回收有效率為94.55%。

1.4 統計學分析使用SPSS 20.0軟件對相關數據進行分析，計量資料采用（xˉ±s），組間用獨立樣本t檢驗，計數資料用%表示，用x2檢驗，α=0.05，分析有差異，P＜0.05，有統計學意義。

2 結果

2.1 兩組學員年齡、入組前一般資料的比較實驗組和對照組學員在年齡、入組基礎成績、性別等方面差異無統計學意義，詳見表1，表2。

表1 神經外科規范化培養學員年齡、入組基礎成績分析(分，x±s)

表2 實驗組和對照組性別差異分析（n）

2.2 兩組學員出科成績比較對實驗組和對照組學員在理論考核及實踐考核方面進行T檢驗，P＜0.05，其差異有統計學差異，具體結果詳見表3。

表3 神經外科規范化培養學員出科成績比較(分，x±s)

2.3 學員問卷調查結果問卷調查的結果經統計學分析顯示，將3D-Slicer軟件應用于神經外科教學過程中，教學模式的合理性、教學方式的靈活性、對專業的興趣、對知識點的理解程度、學習效率、對定位診斷的認識、對手術方式及過程的理解等各個方面的評價結果顯示均優于對照組，其差異均具有統計學意義。具體結果見表4。

表4 實驗組與對照組對不同結果的影響比較(分，x±s)

3 討論

3.1 神經外科教學中存在的問題神經外科教學是外科學教學中的難點，在實踐中存在很多的不足和問題。首先，神經系統的解剖復雜，內容繁多，概念抽象，教學過程中學生容易產生厭學情緒；其次，神經外科的教學內容復雜，教學過程中學員容易產生畏難逃避思想；第三，部分學生認為，神經外科是小科室，理解難度大、考試內容少，學生的重視程度不夠；第四，傳統的教學內容單一、形式枯燥，即便是多媒體時代，形式和內容上也沒有根本性改變；第五，神經外科實踐中，患者的查體、技能的操作都比較復雜，練習的機會有限。上述這些原因都影響著神經外科整體教學的效果，從系統解剖學、生理學的神經傳導通路、局部解剖學、外科學最后到臨床實踐，神經外科教學的這些特點都始終存在，并產生持續性的影響。我們在神經外科的教學中一直探索如何讓神經外科的教學從抽象、難懂的困境中走出來，建立一種直觀的、立體的、可視的教學方式，提高神經外科教學的效果[3]。

3.2 3D-Slicer軟件應用于神經外科教學有助于學員對神經系統解剖的掌握神經系統的解剖是解剖學的難點，將3D-Slicer軟件應用于神經系統解剖的教學中，我們可以利用正常人的影像學資料建立顱腦系統的正常結構系統，將三維重建的立體模型與傳統影像學資料的橫斷面、矢狀面、冠狀面圖像同步顯示，實現二維圖像向三維圖像的轉換并進行同步顯示，讓學員更全面地掌握解剖結構，并將解剖結構與影像資料相對應[4]。研究結果顯示學員對神經系統的解剖能更好的掌握和理解。鞍區占位通過顱骨薄層掃描重建、頸內動脈重建了解蝶竇內各種分隔情況，在術中能更好確定鞍底磨除鞍底時注意避開頸內動脈，降低手術風險。

3.3 3D-Slicer軟件應用于神經外科教學有助于學員對相關疾病的理解以及對手術相關內容的掌握神經系統解剖結構復雜，各結構之間毗鄰關系密切，個體之間存在很大的差異，在外科方案的制定中，強調個體化的手術方案，這些都增加了規培學員在神經外科學習的難度。傳統教學活動中，學員只能通過老師的講解進行逐步的積累，掌握的效率非常低。在將3D-Slicer軟件應用于神經外科教學實踐后，我們根據神經外科亞專科分類建立了顱腦創傷、腦血管疾病、腫瘤性疾病、功能性疾病四類疾病的模型數據庫，在針對一種疾病的講解中，可以用具體的實例將病例資料、影像學資料、手術視頻、構建的疾病模型有機結合起來進行講解，并根據個體病例的特點，進行術前的規劃和手術方案的制定，后續可以在具體的手術過程中或者使用手術錄像來進行進一步的教學，加深對手術相關部位解剖的理解，提高疾病的掌握程度和臨床的思維能力[5]。研究結果表明本方法的使用有助于學員對相關疾病的理解和對手術內容的掌握。

3.4 3D-Slicer軟件應用于神經外科教學有助于提高規培學員的學習興趣由于神經外科教學內容自身的特點，很多學員在學習中對該專業興趣不足，認為該部分內容太復雜，同時自己也不從事該專業，沒有興趣也沒必要花大量時間和精力去學習。通過術前三維重建和手術模擬可讓術者更清楚了解術區的解剖關系，在術前談話中利用重建像向病人更好解釋手術方案及風險。同時制定各種應急預案，3D-Slicer軟件應用于神經外科教學后既往抽象難懂的知識現在躍然紙上，能夠立體地對相關結構進行多角度觀察，激發了規培學員的學習興趣，讓學習變得更加生動和形象，加深對手術定位診斷的認識、對手術方式及過程的理解等。同時教學中實現了教學互動，變灌輸式教育為病例引導型教育，提高了教學的效率。

3.5 3D-Slicer軟件是提高神經外科教學能力的重要工具神經外科教學能力的提升依賴于臨床醫生的自身素質，但工欲善其事必先利其器，3DSlicer軟件因其獨特的功能完善了教學模式，從結果顯示，與對照組相比，實驗組教學模式的合理性評分高達3.72分，同時教學中實現了將3D模型構建與臨床實際案例相結合，從根本上改變了傳統的教學手段，學員可通過軟件不斷加強理論學習，將課本知識點與臨床實際患者模型對比學習，形成了基于3D-Slicer軟件的神經外科學臨床教學方式，學員滿意度較高。而且在實際手術中亦可按照術前計劃對一些淺表腫瘤將重建后虛擬圖像導入手機并通過軟件將導入圖像與病人頭部相應解剖位置及標記位置融合，或者通過Ipad內軟件結合投影儀將虛擬圖片疊加到病人頭部；達到簡易增強現實效果以增加手術精確度。3D-Slicer軟件可在官網免費下載并有相應教程，對國內大部分臨床神經外科帶教老師來說，掌握3D-Slicer軟件并運用于手術操作能有效提高手術成功率，是一種可行的手術輔助和教學的重要工具。

4 結論

綜上所述，將3D-Slicer軟件應用于神經外科教學實踐中，能夠實現傳統的病例資料、影像學資料、手術錄像資料與重建的模型資料在教學中的融合，可以激發學員的學習興趣，提高學員對相關解剖學知識的理解和掌握，提高臨床思維能力及對疾病處理的能力，是一種積極、有效的教學手段和方法。但在實踐還有很多的不足，如數據庫內的病例資料還比較少。該方法的實施需要帶教老師有一定的圖像處理能力并且需要花費大量的精力進行數據資料的準備和處理，同時對硬設備提出更高的要求。后續我們主要將進一步完善相關疾病典型病例的收集讓病例數據庫更加完善和豐富，同時建立標準化的教學流程，讓其在教學中發揮更大的作用。