基于云计算的在线医学可视化在心脏教学中的应用研究

潘海燕，周 庆，高 瞻，贾中正，于小红*

(1.南通大学附属医院；2.南通大学信息科学技术学院，江苏 南通 226000)

心脏是人体的动力泵，也是体循环与肺循环的枢纽站。其解剖结构复杂，左心系统连接着肺静脉和主动脉，右心系统连接着腔静脉和肺动脉。心脏还有着自身的血液循环系统，包括冠状动脉和冠状静脉，这些血管的分支和走形分布非常复杂。心脏因其独特的血流动力结构以及传导系统复杂的电生理机制，对其各个方位和任意切面上精细解剖结构的识别一直是心脏解剖教学、心脏疾病诊断和治疗中的难点和热点[1]。在临床心脏教学过程中，准确掌握心脏的解剖结构对了解心脏的病理生理机制及功能至关重要。由于心脏结构的特殊性和复杂性，很多学生对心血管系统理论知识的学习有着很强的畏惧感[2]。如何提高学生对心血管系统理论知识的学习兴趣，精准掌握心脏解剖结构及其病理生理机制，是心脏教学和医学生临床技能培训过程中面临并亟待解决的一个重要课题。

目前的教学模式，无论是用传统的挂图还是播放视频等方法[3]，学生都无法主动参与,教学过程中无法根据学生对教学内容的理解程度和课堂反馈来动态调整要展示的内容，缺乏可以师生互动的医学影像三维可视化教学方法。通过计算机断层扫描(CT)技术获取脏器影像是进行临床诊断及治疗的常用手段。CT等设备只能产生一系列平行的二维断层图片，体渲染技术可以通过CT等设备产生的离散三维标量数据，形成能够直观传递三维数据形状、深度和大小信息的图片，观察者可以根据自己的目的，有选择的观察感兴趣的部位，真实感更强。基于云计算的心脏结构可视化，使得复杂的心脏影像三维可视化在云端服务器执行，教师通过平板电脑或手机进行交互操作，即可显示可视化效果。本研究将比较基于云计算的心脏结构可视化教学和传统的教学方法在心脏理论课教学过程中的效果，以期为心脏教学探索更有效的教学方法。

一、对象和方法

(一)教学对象。

从南通大学医学院2015级、2016级临床医学本科专业招募志愿学员100人，按随机表随机分为对照组和实验组，每组50人。

(二)研究方法。

由南通大学信息科学技术学院老师在学校校园网内部部署一套医学影像三维可视化服务器，并调试、测试教室内讲台上的教学用计算机，授课教师上课用此计算机的Web浏览器连接登录三维可视化服务器，在Web页面上进行交互。同时从南通大学附属医院影像科收集正常与典型病例的心脏CT影像数据集，用于课堂教学。

对照组和实验组由同一老师对同一章节内容进行授课。对照组采取传统幻灯授课方式，根据教材内容对心脏的结构、功能、相关疾病的病因、表现和诊治依次给予讲解。实验组通过采用三维可视化服务器，结合教材内容，将从影像科收集过来的正常及相关疾病的心脏影像学资料，在Web页面上进行三维显示，并根据学生的学习难点或感兴趣的结构部位进行全方位任意角度的影像呈现，鼓励学生根据心脏影像资料的结构改变自主思考心脏病理生理改变。

(三)评价指标。

教学结束后，以问卷调查形式了解两组学生对所学内容的兴趣程度、对知识的理解能力、课堂师生互动性以及对教学效果的满意程度等进行测评，并通过组织理论考试，对两组学生知识掌握能力进行比较，对理论测试的评分进行统计分析。

(四)统计学分析。

采用SigmaStat 3.5统计软件，对采集的数据进行统计分析。计数资料采用卡方检验和Fishier精确检验，计量资料以均数±标准差表示，采用t检验。以P<0.05表示差异有统计学意义。

二、研究结果

(一)学生对两种教学方式满意度比较。

对教学方式满意度问卷调查表明，对照组和实验组整体满意率分别88%和96%，两组整体满意率比较虽无显著差异(P=0.269)，但心脏结构可视化教学可以使很满意的学生比例显著提高(P=0.035)(见表1)。

表1 学生对两种教学方式满意度评价表(n)

(二)两种教学方式下学生上课兴趣度和理解力比较。

以问卷调查方式对两种教学方式的教学效果进行了评估，结果显示，心脏结构可视化教学能够显著提高学生对授课内容的兴趣，提升对心脏解剖结构、生理功能和心脏疾病的认识能力(均P<0.05)，师生互动的积极性显著提高(P<0.01)(见表2)。

表2 学生上课兴趣度和理解力评价表(n)

(三)两种教学方式下学生理论测试成绩比较。

对实验组和对照组的学生进行理论测试，测试分数比较显示，对照组测试分数在70～79段的学生人数比实验组多(P<0.05)，而实验组测试分数在80～89段的人数多于对照组(P<0.05)。实验组平均测试分数显著高于对照组(P<0.01)(见表3)。

表3 学生理论测试成绩比较(n)

三、讨 论

传统心脏教学中的挂图或视频播放都只能展示心脏的二维影像，无法三维立体显示心脏任意切面和角度解剖结构。学生必须根据其已有的解剖学知识在脑海中构建出心脏的三维解剖结构。体渲染技术能够将CT设备产生的离散三维标量数据转变成呈现三维形状、深度和角度的真实图片，再加入全局光照效果，在视觉上给出了组织结构之间的空间位置差异，使观察者能够更容易理解心脏的内部结构。基于云计算的心脏结构可视化改变了传统心脏解剖学教学的模式，由实体的心脏解剖变为虚拟的数字解剖，医学生可通过计算机上三维可视化心脏模型从多方位、任意切面学习心脏内部的解剖结构，从而有助于他们对心脏内部细微解剖结构的识别和理解，为心脏教学提供了一种新方法。

本课题通过搜集临床正常与各类心脏疾病的CT影像资料，构建了心脏结构可视化教学模型，在我校五年制本科志愿学员中开展了心脏结构可视化教学，比较了其与传统授课方式的教学效果和学生满意程度。课题开展过程中，为排除由于不同老师授课经验不同对教学效果产生的影响，同一章节的内容，两组学员均由同一老师进行授课。教师授课时，结合教学内容，通过移动鼠标，将心脏结构进行任意角度的三维显示，学生也可以根据自己的学习难点或兴趣部位拖动鼠标全方位观看心脏的立体结构和内部排列，有效地调动了师生互动积极性，提高了学生的学习兴趣。由于能够结合临床疾病展示心脏的三维结构，学生对心脏的生理结构及病理改变有了更真实深入的理解和体会，对心脏解剖结构、心脏生理功能及疾病的理解和认识能力得到的显著提升，理论测试平均成绩也显著提高。

智能手机与平板电脑等移动设备现在已是每个学生的日常标配。本研究利用基于云计算的远程可视化技术，使得每位学生都可以动手尝试CT数据的可视化，从而自主学习与观察心脏解剖结构。有研究显示，互联网的使用可以提高医学生自主学习水平[4]。本研究结果表明，基于云计算的心脏结构可视化教学能够激发学生学习兴趣，提高师生互动积极性，加深学生对心脏解剖及相关疾病的理解，增强对理论知识的掌握能力，在课堂教学中值得推广应用。