三維重建工具在胸外科教學中的應用探析
——以全自動胸部CT三維重建為例

丁 成，方子堯，沈子青，趙 軍

（蘇州大學附屬第一醫院 胸外科，江蘇 蘇州 215006）

肺癌是全球癌癥死亡的首要原因，根據全球癌癥觀測網（GLOBOCAN）的數據，2020年約有180萬人死于肺癌［1］。隨著胸部計算機斷層掃描（computerized tomography,CT）的廣泛應用，早期肺癌的檢出率已大幅提升，尤其是浸潤前病變，如磨玻璃結節等［2］。目前越來越多的研究表明，亞肺葉切除術，尤其是肺段切除術，是治療早期肺部病變的有效方法之一［3］。一項多中心隨機對照臨床試驗分析了接受不同術式的外周型非小細胞肺癌患者5年內的生存率，發現接受肺段切除術患者的生存率（94.3%）要優于接受肺葉切除術患者的生存率（91.1%）［4］。胸部CT影像在肺部手術過程中起著至關重要的作用，特別是對較為復雜的術式，如肺段切除術、聯合亞段切除術等。由于普通的胸部CT對血管及支氣管的顯影不夠直觀，導致基于二維圖像識別段級或亞段級的解剖結構具有挑戰性。三維重建則可以較好地進行術前病灶三維定位和判定肺段歸屬，并確定安全的切除范圍，進而實施肺段、聯合肺段或亞肺段切除［5］。常用的三維重建軟件主要包括MIMICS、ExoView、OsiriX、DeepInsight等。此外，得益于三維重建的效率，全自動胸部CT三維重建工具如InferVisual等正受到廣泛關注，并在一些臨床試驗中驗證了其血管和支氣管識別的準確率［6］。

由于胸部的專業解剖結構復雜且變異較多，導致胸外科的臨床教學一直存在對學員的空間想象能力要求較高、胸部CT閱片難度較大、學員對胸部專業解剖結構學習興趣較低等問題［7］。同時，受大體標本數量短缺的影響，學員對胸外科解剖學的學習僅局限于解剖圖譜、解剖學教材、器官模型及影像學資料［8］。三維重建技術可以加深學員對胸部復雜解剖結構的理解，同時對病灶的大小、形態以及病灶周圍的氣管、血管有更為直觀的認識。該技術已經在一些教學醫院的臨床教學中得以運用，并驗證了其在提高學員對胸部解剖結構的認知程度及對胸外科解剖學的學習積極性等方面的價值［9］。此前，我們的研究團隊已成功開展了將三維重建應用于手術指導的研究，通過ExoView軟件評估了術前三維CT支氣管造影及血管造影（three-dimensional CT bronchography and angiography，3D-CTBA）在辨認肺血管解剖變異中的效果，并分析了接受單孔胸腔鏡肺葉切除術或肺段切除術的患者術后短期內的情況，驗證了術前3D-CTBA在辨認肺部解剖變異和提升肺葉切除術、肺段切除術安全性等方面有著積極作用［10］。然而，傳統的三維重建軟件仍存在一定的局限性，一名經驗豐富的胸外科醫生對一名患者的肺部解剖結構進行手動三維成像通常需要40分鐘左右，這將大大消耗臨床帶教老師的精力，影響帶教過程中三維重建模型的制作數量和質量。對于學員來說，雖然可以實際操作三維模型，進行旋轉、放大等觀察操作，但是由于傳統三維重建軟件學習成本較高，學習曲線較長，學員通常無法自主進行三維重建，更無法重建自己感興趣病例的胸部CT。因此，我們探索了利用全自動胸部CT三維重建工具結合PBL和手術教學的胸外科臨床教學方法，并驗證了其在胸外科臨床教學過程中的應用效果。

一、研究對象與方法

（一）研究對象

選取2021年10月至2022年9月在蘇州大學附屬第一醫院胸外科規培的84名臨床醫學專業學員為研究對象，男生51名，女生33名，采用隨機數表法分為試驗組（n=42）和對照組（n=42），兩組學員在性別、年齡及本科期間外科學總論課程成績等方面均無統計學差異（p＞0.05），具有可比性，具體結果見表1。兩組學員均由一名副主任醫師與一名高年資主治醫師帶教，高年資主治醫師負責術前帶教，副主任醫師負責術中帶教和術后評分，其中副主任醫師并不知曉學員的分組情況。研究期間無研究對象退出，所有研究對象對該研究內容知情同意。

表1 兩組學員基線資料比較

（二）教學方法

試驗組采用全自動胸部CT三維重建工具結合PBL和手術教學法。學員入科時，帶教老師利用PPT教授肺部解剖學的基礎內容及InferVisual軟件的使用方法。患者入院時，帶教老師帶領學員采集病史、閱讀胸部CT，并講解良性腫瘤和惡性腫瘤的影像學特征及其周圍的肺組織結構。學員利用InferVisual軟件導入平掃CT圖像，對患者的病灶及肺部組織結構進行三維重建。手術前，帶教老師講解亞肺葉切除術的手術原則，并帶領學員基于患者的臨床特點和三維重建模型規劃手術方案。

對照組采用傳統的PBL結合手術教學法。學員入科時，帶教老師利用PPT結合解剖學圖譜和肺臟模型講解肺部解剖學的基礎內容。患者入院時，帶教老師帶領學員采集病史、閱讀胸部CT，講解良性腫瘤和惡性腫瘤的影像學特征及其周圍的肺組織結構。學員利用醫院的PACS系統自行閱讀胸部CT，結合肺臟模型和解剖學圖譜學習肺組織結構。手術前，帶教老師講解亞肺葉切除術的手術原則，并帶領學員基于患者的臨床特點和胸部CT規劃手術方案。

手術當天，兩組學員均作為第二助手參與手術，所有手術均為胸腔鏡下亞肺葉切除術。術中帶教老師將基于電視胸腔鏡的手術畫面進行提問，包括對肺靜脈、肺動脈、支氣管等組織結構的辨認和手術路徑的規劃。手術結束后，帶教老師將根據術中提問的情況對學員進行評分，并講解患者術后病理學和生理學的改變及并發癥的處理。

（三）教學效果評估

規培結束后通過理論考試、實踐技能考試與問卷調研進行教學效果評估。理論知識考試采用閉卷筆試的方式進行，考試內容為胸外科基礎知識，包含選擇題、名詞解釋、問答題，滿分為100分；實踐技能考試包括帶教老師術中評分（20分）、CT影像閱讀（20分）、病灶定位能力（20分）、接診病人與采集病史（20分）、臨床思維（20分）五部分，滿分為100分。采用自制調查問卷對學員的教學滿意度進行調查，調查問卷包括胸外科學習興趣（25分）、胸外科臨床技能掌握程度（25分）、胸外科理論知識掌握程度（25分）、胸外科手術過程認知程度（25分）四部分，以無記名的方式由學員自由評分。

（四）統計學方法

二、結果

（一）兩組學員理論考試和技能考試成績比較

試驗組出科理論考試成績為（87.05±4.41）分，高于對照組的（80.93±5.15）分（p＜0.001）；試驗組的技能考試成績為（78.57±4.29）分，高于對照組的（70.38±5.18）分（p＜0.001）。其中，試驗組技能考試成績中的術中評分、CT影像閱讀評分、病灶定位能力評分及臨床思維評分均高于對照組（p＜0.001）；試驗組與對照組接診病人與采集病史的評分差異沒有統計學意義（p=0.089），具體結果見表2。

表2 兩組學員理論考試和技能考試成績比較

（二）兩組學員問卷調查結果比較

向兩組學員發放教學滿意度調研問卷84份，回收有效問卷84 份，回收率100%。調查問卷結果顯示試驗組總體教學滿意度為（78.88±5.64）分，高于對照組的（70.64±6.12）分（p＜0.001），其中試驗組學員的臨床技能掌握程度、胸外科學習興趣、胸外科手術過程認知程度均高于對照組（p＜0.001）；二者對胸外科理論知識掌握程度的評分差異沒有統計學意義（p=0.089），具體結果見表3。

表3 兩組學員調查問卷結果比較

三、討論

肺外科手術是胸外科臨床教學中的重要組成部分，學習肺部空間解剖結構對臨床醫學學員來說難度較大。在本科階段，臨床醫學學員主要通過系統解剖學、局部解剖學的文字圖譜及解剖標本獲取解剖學知識，其中文字圖譜和解剖學教材以文字描述及二維圖像為主，而解剖標本的短缺導致同一標本被反復使用，易于損毀精細解剖結構，使學員難以準確辨認［8］。這些原因導致學員在胸外科規培過程中，難以全面理解肺部立體解剖結構［11-12］。因此，在傳統胸部CT閱片結合手術演示的教學模式中，學員經常會出現錯誤辨認肺部解剖結構、難以理解手術入路等問題，甚至對胸外科復雜的立體解剖結構產生畏懼心理，大大影響了學員學習胸外科知識的興趣和積極性。

三維重建及3D打印技術的出現，使胸部CT由二維平面圖像變為三維立體圖像，可以更加直觀地展示肺部解剖結構［5］。然而，與三維重建相比，3D打印技術存在價格高昂、打印時間長等限制因素，難以在我國諸多教學醫院中推廣［13］。目前，已有多家教學醫院將三維重建技術應用于胸外科臨床教學中，與傳統的教學方式相比，三維重建技術可以提高胸外科學員或規培生對復雜肺部解剖結構的認知程度及學習積極性［14-15］。但是傳統的胸部CT三維重建工具效率較低，重建用時較長，影響了帶教老師制作三維重建模型的積極性，且學習胸部CT三維重建工具的周期較長，學員在學習過程中只能被動地瀏覽制作好的肺部模型，難以參與到三維重建的過程中去，更無法自主對自己感興趣的胸部CT進行三維重建。

我科嘗試將一種全自動胸部CT三維重建工具——推想手術規劃系統（InferVisual Surgery Planning Research version）應用到臨床教學中，并研究了其在胸外科臨床教學中的應用。該胸部CT三維重建工具已被驗證擁有85%的支氣管和血管鑒別準確率，平均三維重建耗時僅3分鐘［6］。本研究結果顯示，試驗組的胸外科出科理論考試成績高于對照組，這表明自動三維重建工具可以提高學員的胸外科理論知識水平。學員可以利用三維重建模型全方位地觀察肺部解剖結構、血管和支氣管分支情況，更為直觀地學習肺部解剖結構。試驗組的技能考試成績整體高于對照組，且術中評分、CT影像閱讀、病灶定位能力與臨床思維等四部分的評分均高于對照組。兩組接診病人和采集病史的評分沒有統計學差異（p=0.089）。三維重建模型與胸部CT圖像、術中解剖結構相互印證，強化了學員對患者肺血管、支氣管和病灶空間結構的認知以及對手術流程的理解。同時，學員還可以主動上傳自己感興趣的患者胸部CT圖像進行三維重建，將二維圖像與三維模型相結合，鍛煉了學員的CT影像閱讀能力和病灶定位能力。兩組學員接診病人與采集病史的能力無明顯差異，這可能是由于學員接診病人與病史采集能力的提升更依賴于教學查房、管理臨床病人或者標準化病人模擬教學等教學方式［16］。調查問卷結果顯示，試驗組的總體教學滿意度高于對照組，且臨床技能掌握程度、胸外科學習興趣、胸外科手術過程認知程度均高于對照組。全自動胸部CT三維重建模型激發了學員的學習興趣，提升了學員的學習主動性，鼓勵學員主動對臨床上遇到的病例進行三維重建。但是，兩組學員對胸外科理論知識掌握程度的評價沒有統計學差異（p=0.083），這可能是由于作為初步接觸胸外科臨床工作的規培學員，對學科理論知識的認識還停留在病理學、生理學、生物化學等本科學習期間較為重要的學科上，忽略了解剖學的重要性。

綜上所述，全自動胸部CT三維重建工具在胸外科規培學員的臨床教學中起到了良好的作用，不僅增強了學員對胸外科理論知識的學習效果，還提升了學員的臨床技能和學習興趣，值得應用和推廣。但是，基于三維模型的學習始終無法替代基于手術病人的實踐訓練，三維重建時肺處于膨脹狀態，而在術中肺處于萎陷狀態且受到牽拉，使得血管和支氣管的位置與三維重建模型相比存在一定的差異。在術中電視胸腔鏡顯示的仍是二維圖像，且視野范圍有限，對學員的空間想象能力有一定的要求。未來，我科將嘗試帶領規培學員參與使用三維電視胸腔鏡的胸外科手術，在術中將三維手術視野與三維重建圖像相結合，進一步提升教學質量。