3D打印模型辅助混合现实（MR）沉浸式教学课堂在脊柱肿瘤外科教学中的应用

张丹　矫健　杨兴海　刘铁龙　肖建如

[摘要] 目的 为解决脊柱肿瘤发病率快速增长与脊柱肿瘤外科医生的稀缺及培养困难相矛盾的问题，提出新的有效的教学方法。方法 在以病例为基础的教学模式指导下，初步探索了运用新型MR沉浸式课堂教育为主同时辅助以个性化3D打印模型局部增强的新型教学方法对于脊柱肿瘤外科年轻医生培养的可行性。之后通过有声思维法、书面测验及学生满意度问卷评估教学效果。结果 接受新型教学方法的学生其在有声思维法、书面测试中成绩明显优于传统教学组，差异有统计学意义（P<0.05）。同时该组学生对教学满意度更高。结论 这种“虚拟+局部增强”的教学课堂改革，很好的克服了传统脊柱肿瘤外科教学中的诸多缺点。

[关键词] 混合现实技术;3D打印模型;沉浸式教学;脊柱肿瘤外科

[中图分类号] G642.45 [文献标识码] A [文章编号] 1672-5654（2020）07（c）-0152-03

Application of 3D Printing Model-assisted Mixed Reality （MR） Immersive Teaching Cassroom in Spinal Tumor Surgery Teaching

ZHANG Dan， JIAO Jian， YANG Xing-hai， LIU Tie-long， XIAO Jian-ru

Department of Orthopedic Oncology， Changzheng Hospital， Naval Military Medical University， Shanghai， 200003 China

[Abstract] Objective In order to solve the contradiction between the rapid increase in the incidence of spinal tumors and the scarcity and difficulty of training spinal tumor surgeons， a new and effective teaching method is proposed. Methods Under the guidance of a case-based teaching model， we initially explored the feasibility of using new MR immersive classroom education while assisting with the local enhancement of personalized 3D printing models for the training of young doctors in spinal tumor surgery. After that， the teaching effect is evaluated through the voice thinking method， written test and student satisfaction questionnaire. Results The students who received the new teaching method performed significantly better than the traditional teaching group in the voice thinking method and written test， and the difference was statistically significant（P<0.05）. At the same time， students in this group were more satisfied with teaching. Conclusion This "virtual + local enhancement" teaching class reform has overcome many shortcomings in traditional spinal tumor surgery teaching.

[Key words] Mixed reality technology; 3D printing model; Immersive teaching; Spinal tumor surgery

隨着环境恶化，人们饮食生活习惯的改变，肿瘤特别是恶性肿瘤逐渐成为了威胁人类生命健康的头号疾病[1]。因为恶性肿瘤治疗手段的进步，恶性肿瘤患者带瘤生存的时间也逐渐延长，临床上越来越容易见到原发或继发转移性的脊柱肿瘤患者，脊柱肿瘤外科也因此逐渐发展壮大。但与脊柱肿瘤发病率快速增长相矛盾的是由于脊柱肿瘤解剖复杂性及手术技术要求高而导致的脊柱肿瘤外科医生的稀缺及培养困难。

脊柱作为人体的中轴骨，有着极为精密的解剖结构和极为重要的生理功能。其除了有支撑人体全身重量保持身体直立与平衡的作用外，还有着保护中枢神经系统—脊髓的重要职责。因为脊柱解剖结构的复杂，以及神经易损及不可再生的特点，而导致脊柱外科成为一门精细度要求极高的学科。脊柱肿瘤外科作为脊柱外科重要部门，有着更为复杂的疾病特点及治疗要求。可以说每一例脊柱肿瘤都可以视为一个不同的疾病，因而对于脊柱肿瘤及周边重要结构关系的整体解剖理解是脊柱肿瘤外科医生入门的基本要求。脊柱的空间立体结构复杂以及脊柱周围涉及到的重要组织结构繁多，传统教学方法多难以理清学生思路，达到满意的教学效果。

该文选取合适且典型的各部位脊柱肿瘤病例，创造性地将较为成熟的脊柱肿瘤3D打印技术与最新的MR混合现实技术相结合，形成新型“混合现实沉浸式课堂+3D打印局部现实增强”的新型教学方法，并引入到脊柱肿瘤研究生及年轻医生的培养和教学工作之中。通过与传统教学方法比较，发现新型教学方法可以明显增加学生学习趣味，并有机会在安全可靠的情况下不断的尝试特定手术操作，对手术进行模拟，快速掌握特定部位脊柱肿瘤相关解剖及手术知识，从而更好地达到教育教学的目的。

1  对象与方法

选取上海长征医院骨肿瘤科收治的典型颈椎肿瘤和胸椎肿瘤病例各1例，分别制作成普通PPT教学课件及3D打印模型+混合现实MR教学情境。选取2017—2018学年两批次骨肿瘤科在读及联合培养研究生共计37名，根据其研究生入学西医综合统考成绩高低排列将其随机分为两组，一组18名学生进行普通传统PPT教学，另一组19名学生接受新型“混合现实沉浸式课堂+3D打印局部现实增强”教学。教学内容主要以个案引入，详细讲解脊柱肿瘤的WBB分期，肿瘤周围解剖结构，脊柱肿瘤手术的入路选择，手术切除方式，以及手术前后根据肿瘤特点进行的其他相关治疗手段。课程均由骨肿瘤科同一名讲师授课，授课完成后即以相似病例进行有声思维法（Think aloud protocols）、书面测验及满意度问卷对学生相关脊柱肿瘤手术治疗知识、解剖知识掌握及理解程度、满意度进行量化评估，收集到的影音数据和试卷由骨肿瘤科资深的3位副主任医师进行分别判卷，由另一位讲师统计分数并进行统计学分析。

有声思维法作为一种常用的可用性分析方法广泛应用于临床教学效果评估领域，即通过录像或录音的方法在学生模拟手术过程中，记录其所有想法从而实现学生思维的具象化，使研究者有机会掌握学生的内心想法并通过丰富的影音数据进行量化分析[2-4]。而书面测验为闭卷考试，主要由相关解剖学知识点（50分）加2例脊柱肿瘤病例分析（50分）构成。

2  结果

3位上海长征医院骨肿瘤科资深的副教授对所有学生每人10 min的模拟脊柱肿瘤手术有声思维法音频进行百分制打分，3人给出的平均成绩作为学生有声思维法考核的最终成绩进行记录。最终接受新型教学法的学生其平均分为（74.1±5.5）分较接受传统教学方法的学生平均分（64.6±6.3）分高，单尾两独立样本T检验结果（t=4.894，P<0.05），提示两种教学组有声思维法手术操作考核成绩差异有统计学意义（P<0.05），接受新型3D打印模型+混合现实MR沉浸式教学的学生有声思维考核成绩明显优于接受传统教学法学生的成绩。同时对所有学生书面测验进行判卷，结果显示接受新型教学法的学生其平均分为（80.8±5.1）分较接受传统教学方法的学生平均分（70.8±4.9）分高，经过统计学分析（t=3.863，P<0.05），也提示两教学组考核成绩差异有统计学意义（P<0.05），接受新型教学法的学生对知识的掌握度优于接受传统教学法的学生。最后，根据学生对于两种教学方法满意度的回馈打分情况发现学生认为新型教学方法趣味性更强，同时对教学满意度也更高。

3  讨论

MR技术即混合现实技术可以说是虚拟现实技术（VR）和增强现实技术（AR）的进一步发展，该技术通过在虚拟环境中引入现实场景信息，在虚拟世界、现实世界和用户之间搭起一个交互反馈的信息回路，以增强用户体验的真实感。在新的可视化环境里物理和数字对象共存，并实时互动。在过去的数年时间中，VR及AR技术得到了长足的发展，在包括航天、影视娱乐及医疗等领域广泛应用，部分敏锐的教育教学工作者也将其引入到了临床教学之中并取得了巨大的成功[5-7]。不同于VR使用者只能沉浸于人造的虚拟世界以及AR仅仅是在现实世界中加入虚拟物品而无法对其进行操作。MR作为最新一代的交互技术，同样是虚拟与现实的结合。MR技术投射出来的数字化信息，可以真实世界为载体，且更立体逼真，使用户可以与虚拟的物品产生交互。最早的沉浸式混合现实系统于1994年由美国空军建立用来进行飞行员实际操作能力的培训并取得了成功。当代医学教育利用MR技术建立沉浸式的教学课堂，则可以使学生特别是外科学生能够在老师讲解的同时更为直观并实时地观察相应的解剖结构，从而更为深刻理解并掌握相关知识。

3D打印作为新兴技术手段越来越多地融入到了人们的生产生活中，各行各业对于3D打印技术的需求及应用也在不断发展。在医疗领域，3D打印辅助肿瘤外科治疗越来越成为一个流行且必要的手段[8-12]。面对复杂的肿瘤手术，3D打印通过制造出一个一模一样的模型来研究分析，不仅使医生可以提前熟悉解剖结构从而在术前设计合理化的手术方案，还可以在术中辅助手术医生确定周围组织关系及切除范围[13-15]。脊柱外科手术围绕着保护脊髓这一重要的中枢神经结构使得脊柱外科成为一门精细度极高的学科。脊柱肿瘤外科作为脊柱外科领域重要部分，对于医生对疾病的认识，特别是解剖的熟悉和理解程度提出了严苛的要求。这也就导致了当代脊柱肿瘤外科医生培养的困难及稀缺。而3D打印技术作为现实的局部补充，在脊柱肿瘤手术术前设计方案，术中指导手术，理解术区解剖都有着重要的意義。

该文开创性的将两种技术相结合，在以病例为基础的教学模式（case-based learning，CBL）指导下，初步探索了运用新型MR沉浸式课堂教育为主同时辅助以个性化3D打印模型局部增强的新型教学方法对于脊柱肿瘤外科年轻医生培养的可行性，并取得了良好的效果。通过混合现实技术本身无语伦比的代入能力，使学生能够完全沉浸于教学环境中，更为直观地观察局部解剖结构及组织毗邻关系，配合教员的讲解，更易理解，并且使学习更具有趣味性，学生主动获取知识，更为快速深刻的理解记忆知识点。同时辅助个性化的3D打印模型能够使学生在看见之余触摸到各种结构，使得视觉、听觉及触觉相结合，便于细节的掌握并加深理解。相较于在传统实物模型上实施手术操作难以反复进行，虚拟世界为学生提供了在安全环境下快速反复进行同一手术操作的可能，教学效果更为显著。同时实物模型易损坏，保存携带困难的缺点在虚拟数据世界也得到了彻底解决，只需备份数据便能轻松携带，甚至可以通过数据传输将课堂实时远程传递。

综上所述，通过这种虚拟+局部增强的教学课堂改革，很好地克服了传统脊柱肿瘤外科教学中因为知识晦涩难懂，课堂枯燥乏味而难以吸引学生注意力，以及脊柱肿瘤结构复杂，课堂上学生联想理解困难的缺点，为脊柱肿瘤外科研究生教学及年轻医生的培养提供了更为直观有吸引力的方法，值得进一步优化推广。

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（收稿日期：2020-04-27）

[基金项目] 国家自然科学基金（81702658），上海长征医院转化医学孵育基金项目（2018CZZH08）。

[作者简介] 张丹（1988-），男，博士，主治医师，研究方向：骨肿瘤的诊治及其发生发展的机制研究。

[通信作者] 肖建如（1963-），男，博士，教授，研究方向：骨肿瘤的诊治及其发生发展的机制研究，E-mail：jianruxiao83@163.com。