RadioDexter系统在临床基本操作技能教学中的应用

张消克,罗 雯,赵 燕,韩春姿,杨 明,庄小明,何悦明

首都医科大学附属复兴医院内科教研室,北京 100038

胸穿、腰穿、骨穿、腹穿等临床基本操作技能是每一个医师必须掌握的最基本的操作技能,也是医学生临床内科实践的一项非常重要的内容。近年来,随着医疗体制改革和医疗事故处理条例的实施,患者的自我保护意识加强,使得床边教学阻力加大;高校扩招后,学生人数的大量增加也使得教学资源相对不足,出现学生多、病人少的局面,学生很难有机会像过去那样在病人身上直接实习,而且也更难获得重复训练的机会,临床技能培养面临更加困难的局面。目前常用的平面解剖图谱缺乏真实性,不能充分显示人体组织器官的毗邻关系,学生理解有一定的困难。

因此,我们利用RadioDexter系统平台,将最先进的虚拟现实技术与实时体积测量相结合,进行三维透视医学成像,它对来自于计算机X射线断层摄影(CT)、核磁共振成像(MRI)和B超的数据进行处理,创造出一种具有立体效果的虚拟现实环境,用户可以利用双手通过“进入”的方式,以交互式方式利用实时三维数据进行工作[1]。并在2006级本科医学生中尝试应用Radio Dexter软件系统进行临床基本操作技能教学,为学生早期接触临床提供机会和条件,取得了较好的教学效果,提高了学生临床技能操作能力及临床综合诊断思维能力[2]。

1 资料与方法

1.1 图像资料准备

以胸腔积液穿刺为主题,在我院放射科选择胸腔积液患者电子版胸部螺旋CT连续断面图像数据(即1 307-1 574层),共计268层,每层层厚为0.25 mm,断面图像摄影分辨率为1 024×768像素,每层图像文件大小217 KB(TIFF格式)。

1.2 Radio Dexter系统

RadioDexter软件系统采用新加坡VI公司的Dextroscope工作站为计算机平台,具有功能多样、操作简便、能自动分割等特点。能进行任一平面的切割,在实施横断面、矢状面、冠状面切割时,重建的图像立体感较强,结构清晰,且可赋予任意不同颜色,跟周围的组织能够清楚地分离出来,能够让学生清楚地看到重建图像同周围组织的毗邻关系。

操作者可以随意进行解剖操作,而不必担心会对受检者造成任何影响;另一方面,它又同真实的穿刺操作存在着惊人的相似之处,因为用于穿刺仿真的数据来自患者自身,在计算机上看到的组织结构和具体位置、尺寸都同真实穿刺过程一致。

1.3 操作方法

通过光盘将X射线断层摄影(CT)数据图像传输至经光驱导入Dextroscope平台中的计算机硬盘。应用RadioDexter软件进行三维模型重建及模拟切割教学演示,通过佩戴的立体眼镜在工具台上观察呈现的三维预览图像。

操作者左手控制对象的位置,可随意移动、旋转;右手利用虚拟现实操作台上的操作笔对虚拟键盘点击,进行各种细致、精确的操作,双手互动,具有很真实的模拟效果。移动Transparency滑块,改变图像的透明度,该图像的软组织、骨骼及血管可因其灰度值不同可以被透明化或保留;再运用Color键进行着色,拖动分割框的各个边,使其恰好处于需要观察的胸廓切面;利用阈值滑块调节阈值,从而可以清楚地看到胸腔及胸腔各部分结构;再以激光笔模拟穿刺针从穿刺点指向胸腔,可以清楚地观察穿刺针的位置。

2 系统应用

2.1 学生准备

随机抽取2006级本科学生20名作为实验组,应用RadioDexter虚拟系统进行临床基本操作技能培训;另抽取20名学生作为对照组,应用教学录像片进行培训。

2.2 教学过程

图1 RadioDexter系统显示胸腔穿刺进针部位

对实验组培训方法(以胸腔积液穿刺为例):所有学生分成4组,每组5人,一次培训2学时。教师在工作站控制台进行操作,间断让学生练习,结合三维可视化模型的图像(如图1所示)讲授胸腔积液穿刺相关的解剖结构、适应证、禁忌证以及操作步骤(包括物品的准备、病人的准备、麻醉及穿刺的过程、穿刺后的固定、术后的观察、每一步的注意事项及动作要领);对照组结合教学录像片进行教学;然后二组分别进行小结、答疑。

2.3 考核评价

全部培训课程完成后第二天,对两组学生进行临床基本操作技能的理论及实践考核,考核由未参加培训及临床带教的教研室教师完成。

采用与学生座谈及问卷调查等方式进行总体效果评估。

2.4 统计学方法

3 应用效果

通过比较,实验组临床实践操作成绩比对照组学生有明显增高,实验组成绩为(89.9±9.8)分,对照组成绩为(78.9±11.9)分,实验组与对照组成绩两两比较,P＜0.05,有统计学意义(如表1所示)。

表1 实验组与对照组学生成绩比较

参加RadioDexter系统临床基本操作技能培训的学生对这种培训及教学方式的认可度较高。在对受训学生的调查问卷中显示:所有学生表示愿意接受这种形式的临床培训,并对这种教学形式和结果表示满意。但学生也提出了一些意见:最主要是目前RadioDexter系统只有一台显示屏,不能满足学生人数较多时的教学要求。

4 讨论

虚拟现实(virtual reality,VR)是在计算机基础上发展起来的一种新技术。确切地说,虚拟现实技术是人们通过三维图形生成技术、多传感交互技术以及高分辨显示等技术,生成逼真的虚拟环境,得到一个经过计算机处理、控制的人们可以看到、听到甚至触摸到,并能进行实时交互,感知和操作虚拟世界中的各种对象,从而获得身临其境的感受和体会[3]。在VR环境下,人体的各个部位、功能、行为最终都能够实现模拟,包括人体骨骼肌肉模拟、人体动力学的模拟、器官的模拟、神经及血管的模拟等。VR技术在医学领域具有极其重要的应用前景,目前已广泛地应用于虚拟外科手术、实验室、医学教育、技能康复、心理、精神疾病的治疗等领域[4-5]。

随着电脑软件技术的发展,VR技术可创造一个全功能的临床模拟教学环境。德国汉堡大学医用数学和计算机研究所进行的解剖三维可视化研究虚拟人体图谱(VOXEL2 MAN),用受试者的CT和MRI横截面映像或组织学切片建立起空间模型,学生则可以自由地在三维人体空间进行各种操作[6]。美国耶鲁大学医学院的一个随机、双盲研究中,应用虚拟现实技术进行手术模拟的技能训练可以提高手术效率,减少差错[7]。

该系统经过应用,取得了较好的效果。经对比研究显示,经过RadioDexter系统培训的学生与一般使用录像片教学的学生相比,学生的学习兴趣浓厚,对于各项临床基本操作技能的掌握程度明显要高。RadioDexter系统建立的三维可视化立体模型,可以让学生对该模型进行任意角度、任意方位的观察。在胸腔穿刺的学习中,学生可以从多层面或旋转方式观察胸壁的组织结构及其解剖关系,突破了客观条件的限制,容易理解和判断穿刺针进针深度以及避免穿刺并发症等问题。

该研究中我们发现问题还是存在的,最主要的还是RadioDexter系统的数量难以保证大量学生的临床实践教学需要。目前,除了更加合理地安排教具的使用外,更多资金的投入将是必要的。当然最根本的解决方法还是要开发具有自主知识产权的相关模拟设备。此外,RadioDexter系统毕竟不是真实的人,很难像真实的病人那样进行反馈、配合和交流。所以,将临床的实践与虚拟现实系统教学相结合,保持一个良好的教学与实践的延续性,将虚拟现实系统训练取得的成果应用到临床实践中,两者相结合才能得到更好的学习效果,掌握的程度也必然会更好。因而,改变传统灌输式的教学模式,激发实习学生的学习积极性和主动性仍然是一个非常关键的问题。

三维可视化模型的建立不仅可以应用于教学中,更重要的是有助于临床工作。目前一些研究应用三维可视化模型设计最理想的手术路径,预见并决定术中的下一步操作,保证手术的准确性,并减少术中出错的几率;在手术过程中,由于手术工具周围的结构可以显示出来,医师可以尽量避开血管和神经以及重要的功能区[8]。此外,VR技术对很多临床治疗都有帮助,比如减轻疼痛[9]等。国内郭燕舞等利用Dextroscope系统,对15例颅底肿瘤患者进行手术计划和模拟手术操作,形成的三维立体虚拟影像清晰、逼真,可非常直观地显示肿瘤的位置、大小及其与血管、神经、颅骨的解剖关系[10]。但目前由于技术不够成熟、成本较高以及一些医学伦理学问题等原因,虚拟手术系统还没有大规模地进入临床应用,科学的发展推动社会的进步,计算机和医学技术的进步必定推动虚拟手术系统的进一步研发,虚拟手术技术将会给传统医疗及医科实践教学带来革命性的变化。

RadioDexter系统在我国医学临床教学中应用的时间还不长,在很多医学高等院校都尚未开展,通过该次教学,学生不仅学到了医学专业知识,重要的是认识了有这样先进的技术,使学生开阔了视野,激发了学生进一步探索的兴趣,为以后虚拟技术在临床及教学中的广泛应用有所准备。

[1]黄文华,彭浩,王明炎,等.应用Dextroscope软件系统三维重建腰椎及其相关结构的可视化模型[J].中国组织工程研究与临床康复,2007,11(31):6211-6213

[2]霍刚.计算机虚拟现实技术在临床医学教育中的应用初探[J].继续医学教育,2008,22(2):24-27

[3]张大新.虚拟现实技术(VR)在医学教育和实验中的广泛应用及意义[J].科技创新导报,2008,(30):211

[4]徐茂云,卢兆桐,刘世君.虚拟现实技术在医学中的应用进展[J].实用医药杂志,2007,24(11):1379-1381

[5]罗伟,李珊珊,蔡宇,等.虚拟现实技术在医学临床教学中的应用[J].中国误诊学杂志,2008,8(16):3873-3874

[6]张晗,李雪梅,吕青.浅谈医学教育中虚拟现实技术的应用发展[J].中国高等医学教育,2010,(5):63-64

[7]SeymourN E,GallagherA G,Roman SA,et al.Virtual Reality Training Improves Operating Room Perfor mance:results of a randomized,double-blinded study[J].Ann Surg,2002 Oct;236(4):458-64

[8]Var ma T R,Eldridge P R.Use of the Neuro Mate stereotactic robot in a frameless mode for movement disorder surgery[J].Stereotact FunctNeurosurg,2003,80(1-4):132-135

[9]Carrougher G J,Hoffman H G,Nakamura D,et al.The effect of virtual reality on pain and range of motion in adults with burn injuries[J].JBurn Care Res,2009 Sep-Oct;30(5):785-91

[10]郭燕舞,张世忠,柯以铨,等.虚拟现实技术在颅底肿瘤手术计划中的应用[J].中国临床解剖学杂志,2008,26(2):206-208