Dextroscope虚拟现实系统在乳腺疾病临床教学中的应用

刘宝胤,骆成玉,张 键,罗 雯,韩春姿

(首都医科大学附属复兴医院普外科,北京 100038)

Dextroscope虚拟现实系统在乳腺疾病临床教学中的应用

刘宝胤,骆成玉,张 键,罗 雯,韩春姿

(首都医科大学附属复兴医院普外科,北京 100038)

根据乳腺疾病的临床特点,用 Dextroscope工作站制作虚拟现实模型并应用于乳腺疾病的临床教学中,能明显提高教学效率,同时可以缓解学生实习难的矛盾。

虚拟现实;乳腺疾病;临床教学

乳腺疾病的临床教学是一门实践性很强的科目,但乳腺是一个敏感区域,以往的教学模式多以看为主,特别是乳腺手术术野较小,学生所处的位置角度及观看人数都受到限制,不能达到从手术设计到手术过程都直接参与的目的,学习的自主性得不到充分发挥。随着计算机图像技术的不断完善以及虚似人研究的不断发展,三维重建技术在教学与科研中得到广泛应用[1-4]。Dextroscope工作站是一种新的创建和拾取三维模型的工具,它应用的是一种将虚拟现实技术 (virtual reality,VR)与实时体积测量和三维透视相结合的医学成像软件,Dextroscope会对来自于计算机射线断层摄影 (CT)、核磁共振成像(MR I)和B超的数据进行处理,然后可以创造出一种具有较高真实感的虚拟环境[5-6]。我们利用Dextroscope系统制作出了典型的乳腺疾病模型,学生可以在临床实习时应用乳腺疾病模型进行一系列的实践操作,以弥补传统教学的不足。

1 乳腺疾病模型的制作

Dextroscope系统是由新加坡Volume Interactions公司开发的医学成像软件,在制作疾病模型之前先采集各类病人影像资料。可将 D ICOM3、TIFF或7.5 I

mage等多种格式的 CT、MRI、DSA数据转换为 Radio Dexter的原始格式,处理加工后导入 Dextroscope VR环境,形成三维立体图形。透过立体眼镜并将双手伸到反射镜后面在虚拟操作平台上工作,可使操作者体会真实环境、测量病变范围并模拟手术操作。

我们利用Dextroscope系统制作出了乳腺增生症、浆细胞性乳腺炎、乳腺纤维腺瘤、乳腺癌等乳腺疾病的虚拟模型,下面简要介绍乳腺肿瘤模型的制作。

乳腺MRI资料采用美国 GE公司生产的 1.5T MRI系统采集,用乳腺专用线圈进行双乳扫描,病人取俯卧位。双乳轴面,层厚 5 mm,层距 1 mm,脂肪抑制T2W I(TR4300 ms,TE90.6 ms),T1W I(TR500 ms,TE 10.8 ms);动态增强前、后行 3D LAVA(TR3.9 ms,TE 1.8ms,带宽 62.5 KHz)扫描。将 D ICOM3格式乳腺MRI资料数据导入 Dextroscope工作站被转换为 Radio Dexter原始格式 (8-bit)。加载数据到 Radiodexter后通过预处理排除图像干扰,优化图像后,导入 Dextroscope VR环境进行可视化操作。图 1所示为经乳腺MR I导入工作站制作出来的乳腺立体模型,调整透明度后可见左乳肿瘤。

图1 左乳腺带瘤立体模型

2 虚拟模型在乳腺疾病临床教学中的应用

乳腺外科教学工作中以女性为主,临床诊疗和操作部分常涉及病人的敏感部位和隐私,很多病人不愿过多的人参与诊疗。目前,病人及家属的自我保护意识增强,特别是在手术操作方面医学生更没有直接参与的特权,使得临床教学受到影响。

为配合乳腺临床教学,根据教学大纲要求掌握的典型病种,我们通过真实资料在 Dextroscope系统上制作出虚拟三维乳腺模型,利用 Dextroscope系统每位学生都可充当主治医师的角色,学生在模型上熟练基本的诊疗性操作,有一定基础后再进行临床真实的检查和操作,能使他们在实习中更有信心。

学生通过虚拟三维模型的旋转、调整透明度、强化病变部分及着色,可观察到乳腺整体轮廓外形、乳腺内部血流分布情况、病变部分与整体乳腺的关系,通过虚拟提示笔在矢状面、冠状面、水平面上的纵深移动可详细体会乳腺内部情况。

图2 设计病变切除范围示意图

学生可去除多余影像信息,保留病变侧乳腺图像,通过对病变部位的观察设计手术方案,按照病变部位寻找最佳手术入路及手术范围。图2所示根据瘤体部位设计乳腺区段切除范围。图 3所示利用虚拟提示笔进行手术入路的演示,并对病变进行精确测量。前期同学可通过虚拟工具进入立体图像中自主进行手术操作,之后带教教师根据操作后结果修复错误,演示正确步骤,复原模型后其他学生可继续进行自主操作。

图3 设计手术入路及测量瘤体大小示意图

目前,用该系统对学生进行虚拟训练,能够促进医学生临床技能的提高,是对乳腺外科临床教学的有利补充。但该系统不能完全代替真实环境,学生还需要更多地结合实际进行临床教学。

3 教学效果

3.1 丰富教学资料,提高教学效率

我们在平时临床工作中应注意积累典型病例资料,制成虚拟现实模型,既减少了对乳腺病人的干扰,又解决了见习难的矛盾。Dextroscope虚拟现实系统,可以让学生通过图像配准融合,获得一个细节丰富的三维立体图形。可以单独提取病变部位,对其进行强化结构和着色,再放回原位,与周围结构形成鲜明对比,更直接地了解乳腺疾病,优化课堂教学结构,提高课堂教学效率。

3.2 激发学习兴趣,参与临床实践

利用虚拟现实技术,改变以往旧的教学模式,充分发挥教师的主导、学生的主体作用。Dextroscope系统制作出来的现实重现,学生通过 Dextroscope系统运用VR技术亲自充当术者进行真实模拟操作,测量病变周围空间距离、模拟活检针穿刺及正确寻找手术入路,并可进入模型内部进行纵深操作,突破三维,达到“四维”阶段,这是以往学生不能体会到的。所有操作动作均可被记录和反复回放,使学生从单调的课本文字中解脱出来,学习兴趣得到很大提高。同时,病例的虚拟现实模型可供学生反复操作和修改。

3.3 提高学习效率,增强综合能力

教师借助 Dextroscope系统,与学生进行互动交流,能节省大量的“纸上谈兵”时间,以便教师能抽出更多时间对典型病例进行分析,讲授更多学生感兴趣的问题,提高学生单位时间内获取的信息量,增加学生接触实际问题的机会,提高解决实际问题的综合能力。

3.4 强化学习记忆,理论结合实际

学生可以从不同的角度和层次去观察乳腺的三维形态结构,将一些难以想象的空间结构、难以理解的毗邻关系可视化,对手术操作过程实现了方便、生动、形象地模拟。通过在我校 2006级五年制临床专业外科学乳腺疾病教学中使用,学生普遍反映 Dextroscope系统虚拟现实模型方位感、层次感强,大大降低了学习的难度,提高了学习效率。

3.5 提高主观能动性,培养创新素质

通过学生自己动手操作,在虚拟现实中不断探索,主动发现乳腺疾病特点,制定手术方案,讨论并加以实施,不断吸取经验教训,在教师的引导下提升自己的临床实践技能。

3.6 提高教师专业素质

通过对 Dextroscope系统的应用和对现实的虚拟重建,使教师得到一次对先进计算机软件技术和专业知识进行深入钻研的机会。利用开发平台,结合教学目标,对教学内容精心设计并认真组织实施,既可提高普外科教师专业素质,又有利于疾病模型制作和应用的进一步完善,形成良性循环,推动教学改革的深入发展。

4 Dextroscope系统应用于教学的局限

①Dextroscope系统受屏幕大小、示踪设备及 VR眼镜数量的影响,使参与实施操作和观摩的学生数量会有所限制;②Dextroscope系统操作需要经短期培训,新的教师在操作上会遇到一些技术上问题;③因Dextroscope系统刚应用于临床教学,所制作的病例模型不全面,数量及典型性上有所欠缺;④乳腺MR I图像的清晰度、断层间距、制作者的计算机软件应用水平决定了病例模型的完善程度;⑤长时间注视屏幕会让学生感到视觉疲劳。

总之,Dextroscope系统在乳腺疾病教学中的应用,有助于处理好临床教学需要与病人隐私权保护之间的矛盾。熟练应用虚拟乳腺疾病模型进行操作提高了学生的自信心,学生反馈较好。但病例的选定和模型的设计仍需要该专业教师反复推敲,这需要我们在今后教学中进行不断的完善和改进。

[1]Tomazevic D,Likar B,Pemus F.Reconstruction-based 3D/2D i mage registration[J].Med I mage Comput Assist Interv 2005;8(2):231-238

[2]刘鹏涛,游英慧,王金才,等.医学实验教学中虚拟仪器技术的应用[J].中国医学教育技术,2010,24(1):52-54

[3]原林,黄文华,唐雷,等.数字化虚拟中国人女性 1号数据图像处理[J].中国临床解剖学杂志,2003,21(3):193-196

[4]柴慧臻,杜光伟,罗述谦,等.中国第 1例数字化女虚拟人的三维重建[J].中国医学影像技术,2003,19(4)387-389

[5]陈永严,刘宏毅,邹元杰,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

[6]卜博,许百男,周定标,等.Dextroscope手术计划系统在颅脑手术中的应用及评估 [J].中华神经外科杂志,2007,(23):750

Application of Dextroscope virtual reality system in clin ical teaching of breast diseases

L iu Baoyin,Luo Chengyu,Zhang Jian,LuoW en,Han Chunzi
(Depar tm ent of General Surgery,Fuxing Hospital of CapitalM edical University,Beijing100038,China)

According to the clinical characteristics of breast diseases,we apply Dextroscope virtual reality system in clinical teaching of breast diseases. It can obviously improve the efficiency of education and relieve students’difficulty in finding practice opportunities.

virtual reality;breast disease;clinical teaching

G642.0

A

1004-5287(2011)01-0044-03

2010-09-25

刘宝胤 (1978-),男,北京人,硕士,主治医师,主要研究方向:乳腺疾病、胃肠、微创手术。