数字化立体显示系统在口腔颌面医学影像诊断学教学中的应用

谢理哲 胡轶宁 孙超 吴大明 赵桢祺 周广超 严斌

口腔颌面医学影像诊断学的教学目标是训练学生对颌面部不同影像的观察、分析、归纳与总结的能力，提高学生对不同口腔颌面疾病影像学表现的理解，作出准确的影像学诊断，具有较高的理论理解和实践应用的要求[1-2]。现有的口腔颌面医学影像诊断学教学方式通常采用教科书、示例图谱等以二维影像展示为基础的教学手段进行教授，对具有三维复杂结构的解剖结构和异常区域难以很好的诠释，难以适应口腔颌面医学影像诊断学的教学要求。

立体视觉（Stereo Vision）是基于视差原理并利用成像设备从不同的位置获取被观测物体的两幅图像，通过计算图像对应点间的位置偏差，来获取物体三维几何信息的方法。上世纪的60年代中期，美国MIT（Massachusetts Institute of Technology）的Roberts通过从数字图像中提取简单规则多面体的三维结构，通过对物体的形状和空间关系进行描述，重现了三维场景，标志着立体视觉技术的诞生[3-4]。上世纪80年代初，Marr首次创立了视觉计算理论框架[5]，该项技术的发展使得人们能借助专有设备观察三维立体的物体图像完成立体显示系统的构建。

Technology Based Learning是指基于新兴的科学技术的教学模式[6]，其主要利用新兴的科学技术实现对传统教学中的教学环境和教学手段的改进，在现今有着越来越重要的地位。本文尝试将立体视觉这种新兴技术引入口腔颌面医学影像诊断学的教学中，针对传统基于二维影像片的影像学教学手段的局限性，丰富现有口腔颌面医学影像诊断学教学手段，探索立体视觉技术在医学影像学这类对三维空间理解有着较高要求课程中的应用效果。

1 教学方法与对象

1.1 对象

教学对象为2016—2017学年南京医科大学口腔医学院2012级五、七年制口腔专业学生共82名，同时接受口腔颌面医学影像诊断学的基础理论知识学习。教学示例的收集包括牙和牙周组织疾病、颌骨炎症、颌面部囊肿以及肿瘤、颞下颌关节疾病，同时收集典型病例的完整医学影像数据，包括三维CBCT数据与二维X线片（如牙片与全景片）数据。

1.2 方法

教学模式：口腔颌面医学影像学教学中，一般以传统的课堂讲授方式为框架，辅以多媒体幻灯课件和板书进行理论知识的教授，主要利用文字说明和影像片示例对基础知识点进行阐明和展示。我们利用锥形束CT（Cone Beam Computed Tomography，简称CBCT）重建出的三维影像数据，并显示于自主研发的交互式裸眼3D实时显示系统。分别从轴位、冠状位和矢状位以及任意切面和角度在三维空间进行口腔颌面部组织的展示，实现对组织多角度、多断层的观察，帮助学生熟悉三维解剖结构与二维影像之间的空间联系与对应关系，特别是对病变区域的组织结构变化及其相应影像改变的深入理解，提高学生对口腔颌面医学影像的诊断和分析能力。

采用Mimics软件（Materialise，美国）对CBCT采集的影像数据进行三维重建。利用我们自主开发的交互式裸眼3D显示系统对CBCT三维影像数据可视化。该系统支持用户实时控制绘制目标的缩放，旋转以及视角变换，且只需要一个裸眼3D专用显示器，对辅助设备依赖较小，使用灵活性高，非常便于课堂教学的使用。CBCT的重建效果如图1，显示效果如图2，由于裸眼3D的效果必须配合专用的显示器显示，该图只能展示传统显示器上的显示效果，教学现场图如图3所示。

1.3 教学效果评价

教学效果的评价主要包括：（1）学生考核：教学完成后，每个学生分别对指定影像片的影像学特征进行描述、诊断和解释。由两名口腔影像学专家对学生的描述、理解和诊断内容等进行考核，考察学生对理论知识特别是解剖结构以及影像片特征的理解、掌握和分析能力。评分登记为优、良、中和差。对于描述正确、理解无误、诊断无重大错误的评级为中，不满足该条件的评级为差，对于描述基本完善、理解具有一定深度、诊断基本正确的评级为良，优于该条件的评级为优。（2）网络问卷调查：针对基于立体视觉的教学模式设置调查内容，包括讲授明晰度、课堂互动度、教学帮助度和课程满意度，由学生填写该门课程网络问卷进行打分。（3）教学督导组评估：由5名具有多年教学经验的老师组成教学督导组，对现场教学效果进行评估，包括教师的讲授方式的规范性、知识阐明的清晰性、逻辑性等方面，评价等级为优、良、中、差。

图1 CBCT的重建结果

图2 三维显示效果

图3 教学现场

2 教学结果

学生考核的优良率为87.7％，无差评。共82名学生进行了网上打分，98.75％对教学效果满意，对教学模式感兴趣，觉得教学模式对学习理解有帮助。网络问卷调查结果显示，教师重视度高，讲课明晰，课堂互动度好，课程总体满意，综合评分为99.43分，教学帮助度为99.14分。结果如表1所示。教学督导组的抽查结果为优，认为利用立体显示系统的教学方式新颖、讲解生动，通过真实的病例资料以及高清晰多维度的影像分析，调动学生的学习积极性，更好地训练学生的思维能力、理解能力和实践能力。

表1 教学效果评测结果

3 讨论

对口腔颌面医学影像的理解是影像学教学的重要部分，是学生巩固、复习所学理论及提高实际阅片能力的重要基础同时，结合解剖、病理、生理、临床，培养学生的辩证思维和创新意识[7-9]。而现有的医学影像学教学通常为采用教科书、示例图谱进行教授，尽管可结合影像片展示、多媒体课件等基础教学手段进行知识讲授，教学模式仍然比较简单、抽象，容易造成理论与实践脱节。学生常常能记得很好的理论知识却依然对影像片的理解不够，导致面对各种复杂多变的临床情况，学生对影像片的判断的难度更高，准确度更低。此外，由于传统教学模式受外部环境的影响较大，其不仅受到资料数量的限制，还受个人视力、影像图像质量、环境照度等诸多因素的影响[10-11]，学生对知识的接受程度不均等。在口腔颅颌面的影像学诊断教学中，传统的授课内容中通常只有二维的影像片，学生首先需要很好的空间想象力才能构建出复杂的颅颌面结构，进一步理解各种病区的结构改变以及其对于二维影像片的影响，理解病区及其形成二维影像的图像特征的原因及其逻辑关系。对于一个初次接触口腔颌面影像学的医学生，其难度相当大。对老师而言，采用教科书或示例片授课，单纯用语言表达描述一个立体概念讲述复杂的病区结构变化情况，并讲授其对周围组织、环境的影响同样十分困难。这样的教学过程是老师机械的灌输，学生应付性的死记硬背，并没有真正掌握医学知识。

随着计算机相关技术的发展，越来越多的新兴技术被应用于不同学科的教学中，促进了各学科教学环境和授课模式的改变，引发了教学的革新[12-13]。随着医学图像技术的发展，出现了立体视觉技术，本文尝试将该项技术引入口腔颌面医学影像诊断学的教学中，在计算机上重建出口腔颌面部解剖结构的多方位、多角度的三维影像模型，并且方便地在教学课堂上进行展示。在教师方面，该项技术的引入解决传统教学中的二维教学手段的局限与三维知识理解要求的矛盾。将传统教学中抽象的、教师难以讲述清楚的部分转化为形象的、可直观展示观察的、易于讲授的部分。便于教师对人体相关知识的教授。基于对三维解剖结构和影像成像关系的理解，不再是一种死记硬背的学习方式，基于理解之后的临床和影像知识的掌握，更利于临床知识的灵活应用。学生方面，在立体视觉技术的支持下进行口腔颅颌面影像诊断学教学，能实时提供丰富的多层次、多角度图像，更加生动、全面地展示口腔疾病的影像学特征，显著提高学习的趣味性，显著提高学生的阅片能力，也受到学生的欢迎。

在教学实践中，我们也发现该教学模式存在一些需要改进的地方。如带教老师对虚拟显示系统的应用能力直接影响教学进程的流畅度、教学模式对学生的吸引力以及学生对教学内容的接受度。因此，教师需要接受适当的虚拟显示系统应用的相关知识的培训。该项技术的引入对教学质量的提高以及医学生未来的临床实践都有着十分重要的意义。

综上，影像学教学对图像的依赖度较高，对空间想象力和理解力要求较高，传统仅仅基于二维X线平片的教学模式对老师的语言解释能力、授课技巧以及学生的理解能力依赖程度较高，该项技术在口腔颌面医学影像诊断学教学中的引入，丰富了现有口腔颌面医学影像诊断学教学手段，以计算机技术为基础将抽象的内容做一个更好的诠释，激发学生的学习兴趣，增强学生影像学知识点的深入理解，培养学生的综合分析能力，提高学生解决临床问题的能力，提高口腔颌面医学影像诊断学的教学效果，具有较好的应用前景。