浅谈以练代教为主体的脊柱手术模拟演习

陈海艳，彭鳒侨，刘子卿

(1.广东省惠东县人民医院外科，广东 惠州 516300； 2.广州医科大学附属第一医院 广东省矫形植入骨科重点实验室，广东 广州 510120； 3.佛山市三水区人民医院，广东 佛山 528100)

脊柱形状特异、结构复杂，属于解剖教学的难点，传统的“先见习后实习”教学模式枯燥无味、效果不佳。本研究采用“以练代教”的方式，即让学生以三维可视化技术重建脊柱(腰椎/骶椎)等硬组织生理曲段的高清影像,准确反映出脊椎的生理病理特征，比尸体标本更加形象。脊椎病变临床上多数为脊椎结核、椎体肿瘤、椎体骨折、椎间盘脱出，其中以腰椎间盘突出症发病率最高，如何高效地治愈上述病变一直以来是学者们研究的热点。随着医疗技术的进步和微创手术理念的广泛传播，以内窥镜行腰椎间盘突出的椎盘摘除术越来越流行，它具有创伤小、病灶切除干净、恢复快的优势。本实验让学生以自由设计模型Freeform Modeling制定个体化的手术计划[1]、演练虚拟椎盘摘除仿真[2]全程。传统的骨科带教方法以教师授课、标本观察、集体查房、参观手术等“眼看手勿动”的方式为主，学生缺乏独立操作的机会；而计算机辅助骨科教学为学生提供了量身定做的实践平台，是革除应试教育弊端、培养学生创造能力的突破口。

1 材料与方法

1.1 材料设备

64排螺旋CT薄层扫描腰骶图像一套(以*.dicom格式保存)、医学图像处理软件Mimics-17.0、三维绘图软件ProE-5、自由设计模型FreeForm Modeling[3]软件及其内带的力反馈操纵杆Phantom[4]。

1.2 研究方法

1.2.1三维重建 学生将CT扫描病人腰骶股部的*.dicom数据导入到Mimics软件，设定骨骼的CT阈值为1250-2732，经阈值分割(Thresholding)、区域增长(Region growing)等功能分离椎骨，经蒙版(Mask)编辑(Edit mask),再经擦除、绘制、计算、重建出脊椎及髋骨，以*.stl格式保存导出，建立含腰、髋、腿部的三维模型(见图1)。

1.2.2术械绘制 根据临床手术器械形状、规格，在三维绘图软件Pro-E中绘制手术器械，获得椎盘摘除手术的仿真[5]器械：肌肉扩张器、工作通道管、神经拉钩、咬钳等，均以*.stl格式保存；内置物材料规格根据手术需要而定；手术刀、骨凿及摆锯等切割术械[6]在FreeForm Modeling的自定义工具中二次开发获得(见图2)。

1.2.3模具导入 将骨骼模型及术械模型一同导入FreeForm Modeling中，配以颜色渲染直观效果，通过放大、缩小、旋转、透视等，全方位演示出高清的空间构造及毗邻关系。

1.2.4脊柱手术的仿真演习 虚拟切割“腰5/骶1椎盘向左后突出压迫腰5神经根”病例手术全程如下；

(a)模型导入：将内镜手术器械及腰椎间盘突出的腰骶模型导入Freeform Modeling，通过隐藏、透视、旋转，观察椎间盘压迫神经根的情况[7](见图2)；

(b)手术入路：取后路在病变节段(腰5/骶1)椎间隙向左旁10—15 mm处开15 mm纵型切口；以肌肉扩张器从切口垂直插入，分开两旁肌肉、直达椎板(见图3)，沿扩张管放入工作通道管，撤出扩张管[8]；

(c)椎板钻孔：用FreeForm的球形雕刻工具设置适当的尺寸作为椎板钻孔器，打磨椎板直至显露突出的椎间盘及受压的神经根[9](见图4)；

(d)组织牵开：以神经拉钩牵开神经根，避免切除椎间盘时伤及神经(见图5)；

(e)病灶切割：通过Phantom操纵手术刀，切割病变椎间盘[10](见图6)；

(f)组织钳取：操纵咬钳，钳取切除的椎间盘组织(见图7)；

(g)器械撤离：缝合伤口，术毕(见图8)。

图1 骨骼3D模型 图2 术械绘制/导入

2 结 果

通过分割、区域增长等步骤建立了含脊骨、髋骨、股骨等骨性结构的三维模型，然后通过Mimics/FreeForm放大、缩小、旋转、透视等，可清楚地观察到各结构的解剖层次，从Pro-E及Ghost SDK开发的虚拟术器与真实术械酷似无异，完全满足“手术”的需要，在操纵杆Phantom控制下，人体模型、手术器械在Freeform Modeling中互动，成功模拟出椎盘摘除的手术过程，仿真度高、效果逼真(见图1-图8)。

图3 扩张管插入 图4 椎板钻孔

图5 神经根牵开 图6 椎间盘切除

图7 椎间盘钳取 图8 器械撤离

3 讨 论

本研究基于CT扫描数据重建脊柱模型，并以CAD软件Pro-E绘制椎盘摘除手术器械及植入材料，在自由设计模型Freeform Modeling中模拟椎盘摘除仿真手术。虚拟环境具有真实感、临场感、交互性和力反馈功能，通过力反馈感受到切割、钻孔等操作“浸润”。仿真平台能在切割前测量方位、勾画预切线并沿划线精准地切割。系统的雕刻功能可组合器械在髋臼壁上自由设定孔径、打孔或其他复杂的工序。此外，还可用内部的“撤销”功能逆控20步程序，反复修订手术步骤、调整手术模板后，可大大缩短“手术”时间。经过两年的实验表明，这一临床电子教学平台深受医学生喜爱，成为实体训练的首选工具。

中国医学教育现存的一个突出问题是“师缺实训、学缺实操”的“高分导向”，教育改革的对症药方就是“师重实训、学重实操”的“高能导向”。传统“以教代练”教学方式的弊端在于老师对命题诸如“如何骑自行车”，对学生“纸上谈车”，以致他们最后不会骑车。西方“以练代教”的宗旨是从实践中培养学生“提出问题、分析问题和解决问题”的能力,其指导理念是爱因斯坦“提出问题比回答问题更难”、“解决问题比回答问题更强”的论断。“以练代教”的基本框架在于教学角色的定位：导师自我调整为配角，总览大局而非总揽全局，适当辅导而非谆谆教导。具体到课程部分“以练代教”方案的要点有：重点设计个性化教材、以小课取代大课、以实验带动理论、以小组讨论兼顾独角演讲；同时推进课堂民主化，营造良性的互动环境和轻松活泼的学术气氛，调动学生“我要学习”而非“要我学习”，让学生转变为主角。实习部分的“以练代教”方案的要点有：导师角色自我调整为幕后推手，适时督导而非布置任务，把学生推向前台，让他们根据自己的爱好和特长主导选题，完成“检索文献、提出热点疑题、分析重点、切入奇点课题、以创新点突破难题”这一学习过程。这些教学方针一旦调整之后必须持之以恒，切忌一曝十寒，教育强国的打造少不了“十年树木、百年树人”的长期积累。

4 结 论

本文阐述了利用临床医学院现存的资源和公共软件配置让学生制作色彩鲜艳、轮廓分明的脊柱实体模型，并保存在笔记本电脑，如同流动“解剖室”，随时随地全方位观摩，同时让学生以Pro-E及Ghost SDK开发手术器械在Freeform环境下设计可视化仿真手术，令手术者清楚了解解剖结构，对个体化手术方案的制定、缩短术程具有重要价值。另外，虚拟手术特具的沉浸感、真实感为骨科教技注入了新鲜“血液”。总之，我们秉承实践出真知的古训，大胆启用“以练代教、能力教育”的培养模式，进行了与时俱进的教学改革创新。