全息投影技术在骨肿瘤临床教学中的应用与探索

这些年来，随着人工智能、虚拟现实、智能机器人等迅速发展，科技对社会诸多行业影响巨大，特别使得医学教育领域发生着巨大的改变。全息投影技术是近年来兴起的一种高端展示技术，可以产生立体的空中幻象，使想象与学生老师产生互动，产生令人震撼的教学效果。与传统的平面展示方式相比，全息投影展示技术更能引起学生的好奇心，达到更好的教学目的。由于骨肿瘤教学过程中，由于本身的解剖理论基础复杂，肿瘤生物学行为多变，理解知识点抽象，临床实践困难等特点，此技术在实现骨肿瘤教学中，提高医学生的学习效率，培养学习主动性都有着重要的意义。

1 全息投影相关技术的基本概念

全息投影技术（front-projected holographic display）也称虚拟成像技术，是利用干涉和衍射原理在虚拟空间中再现物体三维图像，其可与现实实物、数字模型结合实现虚拟数字图像交互[1-2]。全息投影技术在骨肿瘤学术范围内有着非常广阔的前景，为此我们针对混合现实在骨肿瘤教学中的应用现状、优势和展望进行阐述与分析。

2 全息投影技术在骨肿瘤教学中的应用

2.1 全息投影技术在骨科教学中的应用

对于医学生而言：由于人体解剖学是基础课，学生通常在1～2年级学习，外科学基础课则是2～3年后进行学习。大多数医学生学习外科学，特别是骨肿瘤学，需要把解剖学知识、病理、影像学、生物力学和骨科专业知识等相结合起来，但由于其病种多，疾病谱广，理解困难等原因，学生非常难以在短时间内得到掌握。

全息投影技术可在虚拟现实的基础上将手术过程、虚拟解剖、实体标本、人体解剖均能清晰显示并结合起来制作出全息解剖数据库图像，可包括骨关节及周围结构、肌肉软组织、病变组织、相关重要血管神经结构等[3]。全息投影技术可以将影像学数据的虚拟空间数字图像直观地展现在眼前，可以让医学生可以更加有效、更直观的认识组织的解剖结构与病变形态特点，然后在通过实际病例加强教学下过，提高骨科形态与机理的学习[4]。全息投影技术可以借助解剖模型、遗体、道具等相关教具，混合实际图像，将不同的疾病解剖结构个性化的展示[5]。学生可浏览空间中的虚拟3D解剖，利用全息投影眼镜放大、旋转、显示、虚化、调整目标图像，可以共享术者的第一视角，可以第三人称录制和直播，达到3D虚拟模型和多维度视野共享的目的，锻炼并提高学生的专业阅片水平，提高学习效率，充分利用了现有的教学资源[6]。

2.2 在骨肿瘤手术实训中的应用与意义

骨科手术相对更加复杂，包括脊柱、关节、创伤手术。特别是骨肿瘤都要求操作精细、准确，完整切除肿瘤同时，还需要注意把控手术骨骼的力线与角度[7]，需要在骨科手术之前进行病例讨论、准确分析解剖结构与定位及术后再次评价[8]。而对于刚刚进入临床的医学生而言很难在短时间内熟练掌握手术技巧，往往是管中窥豹，无法全面的理解疾病的功能与解剖。利用全息投影技术构建的全息模型可以在常规教学过程的缺点，特别是可以在术前计划、术中操作及术后评价上提高教学效率。

本文作者临床操作实践中，使用全息投影技术所构成的影像进行在骨肿瘤术中模拟。作者利用Hololens眼镜多角度、多维度地观察人体骨骼结构与周围重要脏器与血管走行（图1），结合虚拟全息模型优化手术操作[9]。而在术中操作时可以将全息投影同患者术区进行工具匹配（图2），可以在术中进行准备、切口选择、术中力线，螺钉位置等技术、术中验证与处理等。全息成像技术可以更加精准地寻找重要解剖结构，如神经根走行，减少手术操作带来的损伤，缩短手术时间。在操作过程中，学生们可以观看到共享的全息视野，以第一视野形象地观察到手术操作过程[10]。通过全息投影技术的系统培训，临床实习生可以对骨肿瘤各种手术会有更全面的认识，可以身临其境的观察并参加手术，临床带教老师同时也可节约自己带教的时间。课后，学生对教学案例进行总结，老师做出补充修正现场讲解，并结合术中病例与全息影像技术来扩展骨肿瘤的诊疗策略。

骨肿瘤专业技能的掌握来源于不断地临床的学习与操作实践，然而在我国目前的现状而言，医患关系本身、法律法规等不完善等方面，导致实习医生失去了许多临床操作的机会，从而增加了培养专业骨肿瘤医生的难度，虚拟手术学增加了医生临床手术操作的机会。此外，在虚拟模拟手术操练中，学生可以根据自己所学的知识和自我的理解找到课堂中没有学到的细节问题，此时通过教师对于疾病知识点的补充讲解，可以大幅提高师生互动性，提高教学质量。

2.3 在远程骨肿瘤教育培训中的应用与意义

图1 术前模拟脊柱模型，空间三维成像显示解剖结构与病变组织

图2 术中模拟教学图像，可让学生观察到骨肿瘤与周围正常结构组织的解剖关系

利用MR技术可以进行第一、第三视角录制，主刀医生进行的第一视角的录像，以及在他视角中的将图像信息采集屏幕，并利用网络进行远程传播。主讲教师将在授课过程总结成为系列讲座，将重要病例，利用工作站进行全息3D模型建立，在特殊病例全息影像个性化讲解，学生则在大屏幕和投影仪上观看全息影像，实现医学信息二维传输到三维立体传输，可大幅提高医学信息交流效率，使学生更有效而全面地获取内容。

近些年来的医学教育领域，随着科技的进步和教师队伍理念的不断更新，Google Glass、HoloLens等AR、MR智能设备应用越来越广泛，以全息投影虚实结合的展示方式创新教学模式正悄悄地改变着骨肿瘤的教育模式[11-12]。

3 全息投影技术在骨肿瘤教学中的优势

3.1 直观的教学效果

在传统的骨肿瘤学中，教师们以文字、图片、声音、动画和视频的形式呈现给学生进行知识传授。当遇到比较复杂的解剖结构，比如下肢肿瘤力线、周围血管神经重要解剖结构、脊柱椎体骨盆的解剖，螺钉位置等，由于每个学生的知识结构与理解能力存在差异，教学效果也会大有不同，有些初次学习这些知识的学生会得到“盲人摸象”般的感受。而采用全息投影技术可弥补这样的缺憾，能够把知识点立体化，把书本上的二维结构直接以三维形式呈现出来，帮助学生对知识的理解和记忆，提高教学效率。

3.2 提高学生的学习兴趣

传统的学习方式会因为重复知识点，缺乏新颖性等问题，很多学生觉得枯燥乏味但不得不去死记硬背，但短时记忆的知识点很快就被忘得一千二净。全息投影技术可让知识点互动性、感知性、理解性增强此，学生身临其境的交互体验中极大地激发了学生的学习动机，同时提供了更多第三视角学习的机会，促进了学生认知和知识建构过程中理解。

3.3 全息投影应用能促进优质资源均衡化

全息投影技术可以进行线上教学，我国国土幅员辽阔，贫富差距较大，教学资源分配不均。全息投影技术应用将是解决教育资源不平衡的有效手段，扩大优质资源的分享范围，能让教育资源不再受限于地域限制。

3.4 充分利用教学工具，降低教学成本

利用全息投影技术可以完全可以利用虚拟的空间数字模型进行三维的解剖学骨肿瘤影像知识的传授，空间立体地进行临床带教，降低了教师对授课实体依赖性，同时充分提高了教学工具的使用效率。

4 全息投影技术在骨肿瘤教学中的前景展望

随着5G技术、“互联网+”、大数据、人工智能等技术突飞猛进的发展新时代背景下，将会让全息投影在医学教育中的应用如虎添翼[13]。为提高未来课堂的教学效率，全息投影技术在教学中的应用普及或许会颠覆传统的教育方法和教学形式，具有巨大的应用和应用前景。

5 结束语

笔者预测未来的全息投影技术将结合更多高新科技元素结合，其在教育领域的发展前景也将会越来越广阔[14]。全息投影学习环境不仅仅是一个技术平台，更会孕育出一系列新型的教学模式与教育理念。全息投影技术通过其较强的交互性能给学生带来更多更新鲜的学习趣味，提供一种新的学习媒体和学习体验，促使学生在愉悦的状态下进行移动学习、自主学习、互动学习。由于骨肿瘤教学特色，让全息投影技术与骨肿瘤教育完美结合，快速走进骨肿瘤学教育课堂，将为传统教育创新之路做出巨大贡献。