数字虚拟技术在肝胆外科临床教学中的应用研究

曾宁 范应方 杨剑 项楠 祝文 白小屏 石磊 方驰华，

一位合格的肝胆外科医生需要熟悉掌握肝脏解剖及肝内各管道的空间关系，因此肝胆外科医生的培养周期至少需要10年，甚至更长。如何缩短这一周期、用更好的方法培养出合格的肝胆外科医生，是教学医院中每位临床指导教师都需要思考并解决的问题[1-2]。近年来，三维可视化3D技术在临床医疗、教学上应用得越来越广泛，临床教学也随之不断优化进步[3]。为了解决上述问题，本研究将三维可视化3D打印技术、VR技术等应用在我院研究生的临床教学中，随着教学的进展，教学效果得到了明显的提升[4]。

1 资料与方法

1.1 三维重建及3D打印模型的构建

收集患者256层螺旋CT（Philips Brilliance，荷兰）平扫、动脉期、门静脉期和肝静脉期薄层CT数据，将CT数据导入到自主研发的腹部医学图像三维可视化软件系统（medical image three dimensional visualization software，MI-3DVS），利用区域生长法的原理截取感兴趣区域（ROI），并重建三维模型。具体参数及方法见文献[5-7]。

将之前获取的三维重建模型转换为标准模板库（standard template library，STL）文件，并将其导入快速成型软件ZEditTM3.21（3D systems，US）进行处理，最后使用3D系统打印机Spectrum ZTM 510打印出等比3D模型[8]。

1.2 三维可视化3D打印模型教学方法

将进入临床实习的学生分组，每组3～5人。教学前，要求学生根据临床教学病例所涉及的内容进行有针对性的预习，明确病例所涉及的病理基础；教学时，学生结合病例的临床表现，学习研究相关影像学资料，然后进行病例讨论[9]。学生首先针对病史、B超、CT以及MRI进行学习。学生通过传统的MRI和CT显示的二维影像，针对肝脏肿瘤病例进行分析讨论。

采取开放式的教学方法，主要目标是令学生学会CT及MRI影像的阅读方法，在学生对以上病例进行深入的讨论之后，判断疾病的性质和部位，做出初步诊断。在学生学习完患者病史及CT、MRI影像学资料后，带领学生查看患者三维重建及3D模型[10]。三维可视化3D打印模型可以360°观察患者肝脏解剖、肝内肿瘤位置及肿瘤与肝内各管道的关系，且可以通过透明化、隐藏各管道，让每个学生对肝门部、肝内解剖进行全方位的观察，让学生在脑海形成三维立体概念，加深学生对肝内及肝门部解剖的立体空间关系的理解[11]。

三维可视化3D打印模型对于学生更好地学习肝胆、腹部外科解剖是非常有利的[12]。对于初学者而言，腹腔动脉系统、门静脉系统变异种类多，个体化差异大[13]。教科书上的彩图和二维影像资料上的信息常常难以理解，学习效率低。通过三维可视化模型的学习，学生们可直观地观察每一支血管的起源、走形，可定量测量血管的长度及角度，从定性观察进一步定量测量，不仅对提高学习效果，研究成果也是很有临床意义。

1.3 三维可视化3D打印对治疗方案的确定

三维可视化3D模型可以清楚直观地显示肝门部及肝内解剖、肝内管道有无变异；可清楚测量肿瘤的大小、肿瘤与肝内各管道的关系。然后通过测量分析，选择合适的手术入路，对其进行术前模拟手术操作，制定出详尽及个体化的手术方案。

1.4 三维重建3D打印技术、术前虚拟手术在肝胆外科临床教学中的实施效果

肝门部及肝内解剖复杂抽象，传统的肝胆外科教学依靠超声、CT及MRI影像学资料，学生理解相对困难，印象不深刻，在脑海不能形成三维立体概念。我中心结合应用自主研发的拥有自主知识产权的MI-3DVS系统软件于肝胆胰外科已达10余年，取得了良好的疗效[14]。

结合我科数字医学三维可视化优势，打印等比例3D模型，再用3D打印的实体模型，结合患者具体的病例，进行实物教学，更加直观深入了解肝门部及肝内解剖[15]。学生在进行3D打印模型的学习后，首先会对患者的影像学资料有一个初步了解，学会通过准确地阅片初步诊断患者的病情，并通过这些影像学的信息对疾病进行分型，最后综合患者的病史和体征系统地把握整个病例。通过这种方式的教学，学生的阅片能力及对相关疾病的临床诊断能力都会获得显著提高。

由于学生过去是通过影像学二维图像进行学习，对于复杂的肝内解剖缺乏三维立体的认识，本研究通过三维可视化3D打印，打印等比例肝脏实体，能360度观察，可清楚地显示肝内解剖特点，尤其是还可以个体化观察有无血管变异，结合患者病史、体征，讨论疾病的诊断、手术治疗方式和过程及围手术期处理。此外，临床带教老师还可以此对学生进行手术方法的训练。借助三维可视化虚拟手术的技术，每一个学生都可以在带教老师的指导下，通过机器进行术前的虚拟手术，带教老师实时讲解手术的方法和过程，包括肝门部解剖特点、手术入路、操作技巧等[16]。通过3D可视化技术进行手术的培训，学生对复杂的肝门部解剖及肝内管道有三维立体空间概念，能尽快熟悉掌握以往难以掌握的复杂知识点，并加以灵活运用，教学效果显著。

2 虚拟现实技术在肝胆外科临床教学中的应用

虚拟现实技术（virtual reality，VR）是指利用计算机对现实场景进行三维模拟仿真的虚拟环境，集成了计算机图形、三维建模仿真技术、传感技术、人工智能、显示技术等，可提供使用者关于各种感官的模拟，进行可视化操作与交互[17]。本研究在前期三维可视化3D打印技术的基础上，引入虚拟和增强现实技术用于肝胆外科的临床教学。学生们在阅读三维重建虚拟模型和触摸学习3D打印实体模型后，能有助于理解解剖结构及手术方案，但对于实际手术暴露出来的解剖标志还很难准确把握，虚拟现实技术可将术前三维图像与实际手术暴露切面有效链接，使观摩者可直观地识别画面中的解剖。在实际手术过程中，虚拟现实技术的应用，可使教授们结合自己的理论知识和临床经验，在实际手术创面和屏幕影像图像的配合下，能将文字知识、图像、视频等信息整合到一起，形成一种生动、活泼、积极、有趣的教学方式，学习者可结合虚拟现实画面，最大限度地发挥主动性和积极性与教授们进行沟通交流，可达到一种现学现会的效果。

3 讨论

3.1 三维可视化3D打印对传统教学方式的影响

在传统的肝胆外科研究生临床教学中，往往采用带领学生查房、病史汇报的教学模式，再对特定病例进行CT、MRI的阅片，并对其进行讨论、讲解说明，常用PPT进行辅助教学，使学生积累经验。借助于患者的影像学资料，这种教学模式显然比课堂教学更加立体多元，然而学生的反馈表示，这些资料依然显得抽象和枯燥，学习中很难理解与应用，肝脏是一个解剖结构极为复杂的器官，肝内的各管道和肝门部解剖尤其难以熟悉掌握。在三维可视化3D打印技术的帮助下，影像学资料、三维可视化和3D打印实体模型可以有机结合、互为补充，三位一体地帮助学生的学习。通常首先学习传统影像学资料及三维可视化图像，再研究3D打印模型，采取渐进式的方法，充分启发学生的思维方式，使其能够迅速学会阅片，正确地做出诊断，并用模拟手术的途径直接地了解手术过程。学生的学习效率得到极大提升，同时学习热情也会被充分调动起来[18]。

3.2 三维可视化3D打印对肝胆外科术前阅片及肝脏解剖的决定作用

肝脏实质大而厚，病灶深浅不一，常常隐匿其中。因此，肝胆外科医生在术前需要反复阅读患者的CT及MRI等影像资料，才能做好术前准备，保证手术的成功率。其中，三维CT、MRI等图像，虽然在计算机处理后，以三维立体的形式呈现出来，但始终只是平面上的立体图像。肝胆外科的研究生面对这些影像学资料，往往难以形成直观的认识，对其学习阅片和手术造成了困难。而本研究所述的三维可视化3D打印技术则可以打印出病变的肝脏是实体，充分立体地显示病灶，学生可以任意旋转模型，以任意角度观察感兴趣区域，反复研究3D模型与影像资料的关系，研究肝脏手术过程，并结合患者体征，高效地学习肝脏肿瘤的阅片、临床诊断和手术过程。

3.3 虚拟现实技术在肝胆外科临床教学中的应用

肝胆外科研究生可以借助虚拟实验室，反复进行虚拟的尸体解剖和各种手术练习，直至熟练掌握。由于虚拟的手术练习不受标本资源、配套处理和场地的限制，所以练习和培训的成本大大降低。目前，很多VR系统已经应用于医学培训、临床实习和科学研究，仿真程度极高，几乎可以达到与真实标本同样的效果，同时节省资源，便利而高效，具有不可估量的优越性和使用价值。VR预手术可以帮助临床医生和医学生更加直观和感性地观察目标，可任意完成各种交互，并且可通过可视化技术获得疾病定性和定量分析的数据和工具，诊断、治疗和教学的准确性与科学性都会因此获得极大的提高。

虚拟现实技术发展迅速、应用广泛。孙国城等[19]将基于多模态功能神经导航的虚拟现实和增强现实技术应用于神经外科的临床教学，将抽象的，原本“不可见”的神经解剖及功能结构三维可视化，提高了神经外科的教学效率，缩短了青年神经外科医师的成长时间。吴琛等[20]将虚拟现实技术应用于肝脏外科超声介入教学中，达到了更好的培训效果，提高了培训效率。本研究中在三维可视化及3D打印基础上，将虚拟现实技术应用于肝胆外科的临床教学中，也有助于学生理解复杂的肝脏解剖结构，有效地提高了教学效果[20]。

4 小结

三维可视化3D打印、虚拟现实技术在肝胆外科研究生临床教学中得到初步的应用，取得了良好的教学效果，使教学资源得到更高效地利用，体现出极大的利用和推广价值。