3D 可視化技術在骨科教學中的應用

許航，章曉云，陳躍平，董盼鋒，卓映宏

廣西中醫藥大學附屬瑞康臨床醫學院骨傷教研室，廣西南寧 530011

外科手術常具有不可預見性與復雜性，由于科學技術的快速發展，醫學技術水平不斷提高，傳統的外科學技能培訓模式在某種程度上已無法滿足當今社會對復合型、創新型及應用型高級醫療人才的培養需求。骨科屬于外科的一個分支學科，病種繁雜，理論和技術復雜，學習過程中需要熟悉影像學、解剖學及生物力學等知識，因此增加了培養一名骨科醫師的時間成本。目前臨床骨科的教學資源相對稀缺，尤其在傳統的“理論-臨床”教學模式對學生理論水平和臨床能力提升不高的現狀下，骨科教學受限于無法直觀、高效地開展教學。改革骨科教學模式，將更直觀、高效的教學方法引入到骨科教學中，調動學生們學習的主觀能動性和學習熱情，培養學生的創新思維，提高學生們的手術規劃能力和實際動手操作能力。本文針對教學團隊在骨科教學上的探索與經驗體會作一論述，現報道如下。

1 3D可視化技術的應用現狀分析

經歷了半個世紀的發展，3D 可視化技術已逐漸應用于各種領域，逐漸輻射到醫學教育領域，預示著在此領域有著較好的應用前景。

1.1 3D 可視化技術概述

1962 年，Ivan Edward Sutherland 開發著名的Sketchpad 系統，開創了交互式電腦繪圖的先河。至上個世紀80 年代中期，在前人的基礎上，人們研究了一項基于計算機數據處理和圖像顯示的新型技術——3D 可視化技術，通過此項技術用戶可快捷、高效地制作出所對應需求的3D 圖像。利用相關軟件還可對物體進行切割、旋轉等操作，能立體、直觀和清晰地從不同方位對物體進行觀察，彌補傳統2D 圖像的不足，從而賦予模型立體感，還可將物體通過3D實物打印，在其上面進行一系列操作[1]。

目前，隨著因特網和電子計算機相關軟硬件水平的大幅度發展，3D 可視化技術的開發與應用邁上了新的征程，在基建、航天、醫學、教學等領域發揮著重要作用[2-3]。我國的3D 可視化技術本身起步較晚，發展緩慢，但目前已獲得各方重視，相關研究也陸續開展[4]。

1.2 3D 可視化技術在醫學教學領域中的應用進展

3D 可視化技術的出現給臨床醫學教學帶來革命性的影響，其立體性、真實性、交互性等特點受到廣大師生們的一致好評[5]。在授課過程中，3D 可視化技術可展示3D 立體化圖像，提供逼真的視覺效應，激發學生的學習興趣，有利于教學工作的開展。此外，為加快教育信息化進程，相關部門出臺若干鼓勵措施。2018 年，教育部研究制定《教育信息化2.0 行動計劃》，鼓勵提倡大數據、人工智能等新技術在教學中的應用。由于臨床醫學知識較為繁雜，優質的教學資源較難獲取，3D 可視化技術的到來改善了傳統臨床醫學教學的枯燥。

在胰腺外科解剖教學中，胰腺外科手術需要扎實的胰腺解剖和影像學知識作鋪墊，這是胰腺外科教學的痛點與難點。利用患者術前CT 血管造影檢查數據，重建胰腺和病灶，通過3D 可視化技術提供移動、切除及結扎等術中操作，模擬從切開皮膚到暴露病灶、切除病灶等過程，使學員熟練掌握手術操作，減少手術風險，提升手術操作水平[6]。

在肝膽外科臨床解剖教學中，由于肝門附近解剖構造復雜、解剖分型多且個體差異大，因而解剖學是該學科的重點和難點。利用3D 可視化技術可使肝臟膽囊可視化，提供全面和精確的肝膽解剖信息，還可顯示少有的變異類型[7]。

在婦科臨床教學培訓中，由于盆腔解剖構造復雜，器官位置較深、形態各異，且婦科檢查的內容具有較強的隱私性，故在現有的醫療環境下，患者及患者家屬可能會因此拒絕有關的臨床示教，以上原因給婦科臨床帶教施加強大的阻力，而3D 可視化技術可在倫理范圍內，為學員的婦科學習提供方便[8]。

2 3D可視化技術應用于骨科教學的必要性

解剖學是外科手術的基礎，術者通常需要對相關解剖結構及相鄰臟器有清晰認識。據報道，美國醫學院校的解剖學教學課時呈減少趨勢，人體標本稀缺、維護成本較大、不能反復使用等因素也制約著解剖學課程的開展，傳統優質的解剖學教育資源相對匱乏[9-10]。以上說明，傳統的解剖學教育模式已無法適應外科學。對骨科而言，尤其是脊柱外科，手術中面對的重要神經血管較多，對手術基本功的要求極高，因此，3D 可視化技術對骨科教學具有一定的優勢。

2.1 提高學生的解剖水平

在傳統手術教學中，學員只能以助手的身份接觸手術，因站位離術野較遠，無法清晰觀察術區的解剖構造。3D 可視化人體解剖學軟件可將人體解剖結構數據信息應用計算機技術重建成全數字化人體真實結構的三維模型，將人體結構數字化與可視化[11]。還可利用后處理工作站軟件對3D 模型進行適當的切割、旋轉角度，從而達到教學所需的圖像，3D 打印模型則可供學員練習一系列的骨科手術操作，使學員的技能水平得到提高。此外，3D 可視化教學資源可反復使用，學員可有目的性地反復學習，在大腦中形成牢固記憶；也正是由于其可重復使用的特性，便于教學流程和內容的標準化，減少教學過程中的隨機誤差。由于3D 可視化常基于影像學數據重構，故在解析、拆分上存在一定的優勢，其可任意改變比例與角度，顯示正常組織或病灶等內部結構。另外，還可進行術前與術后的對比分析及個體差異的分析，使學員養成求證診療的習慣。黃義星等[12]采用相關的人體數據，通過3D 可視化軟件重建上胸椎前方入路重要解剖的3D 可視化模型，使學員充分了解該區域復雜的解剖，亦可用于術前上胸椎前路手術方案的制定。

2.2 增強學生的操作能力

在骨科教學中，骨折切開復位內固定、椎管開窗減壓等操作需要扎實的解剖學和骨科影像學知識作鋪墊，而這也是骨科教學中的難點。利用患者CT影像進行3D 打印手術標本模型，然后學生可在3D打印的骨折實物模型上進行相關操作和練習，從而更快地熟練掌握手術技術，最大程度減少手術風險、提高手術效果。周建華等[13]利用3D 打印結合有限元分析，通過3D 模型操作和課堂討論等環節，使學生對骨科生物力學有更進一步認識。黃帥等[14]研究發現，在提高學習興趣、對骨折局部解剖特點和手術過程的理解掌握方面，3D 打印教學具有明顯的優勢。

3 3D可視化技術運用的注意事項

3.1 不能僅依靠3D 可視化技術而忽略先進的教育理念

3D 可視化技術應用于骨科手術學教學中起輔助作用，但教師在教學中仍發揮主導作用。教學理念、思想現代化遠比技術現代化更重要。因此，應用3D可視化技術教學除對教師的新科技工具的操作水平提出要求外，也對教師的教學能力提出更高的要求。教育理念僵化、教學能力欠缺的教師應用3D 可視化技術，很難達到預期效果。

3.2 3D 可視化技術的應用不可抵消教師在教學中的主導地位

3D 可視化技術在骨科手術學教學中的確能夠提升教學效果，但過多追求和利用3D 可視化技術可能導致學生注意力不夠集中，感覺在“玩游戲”，難以提高學生抵抗壓力的水平。作為教師，應充分發揮其指導作用，通過備課和課堂講解，使3D 可視化技術發揮最大優勢。

3.3 勿過分夸大3D 可視化技術的效果而放棄傳統教學方法

現代技術已逐漸取代傳統的教師板書，這是教師使用現代技術時普遍的現象。當教師使用3D 可視化技術輔助教學時，較多學生不記筆記，可能因為信息的切換過快，許多學生怕筆記會耽誤聽課。甚至有的教師放棄板書，直接在3D 可視化技術演示下授課，這種做法似乎節省了時間，但忽略了學生的接受能力。黑板和粉筆是傳統教學的工具，有時是3D 可視化技術無法取代的。此外，3D 可視化技術難以讓學生感受到真實的手術場景和術區的聽覺、觸覺、嗅覺等感覺反饋，可能導致教學與臨床的脫節。因此，骨科手術學教學中必須有見習和實習課程。總之，對骨科手術學教學采用正確的教學方法，充分合理地使用各種教學手段，可激發學生學習的積極性，提高學習效率。

近年來，3D 可視化技術發展相當迅速，已受到各行各業的青睞。在臨床醫學教學中，該技術以其直觀性、可反復使用等優點，成為現今多媒體教學中不可忽視的一部分。在骨科手術學教學中，教師應充分發揮3D 可視化技術的長處，但完全不能丟棄傳統的教學方法，相信3D 可視化技術在骨科手術學教學中會發揮重要作用。