混合现实技术在骶骨骨折固定术教学中的应用效果

郝晓东，张元智，吴 超，刘亚欧，莫伟鹏，胡旭锋

混合现实是继虚拟现实、增强现实问世后出现的又一全新的3D数字技术[1]。该技术将现实图像、虚拟数字图像与屏幕上的虚拟世界分离，从而实现三维虚拟模型与现实世界物体的精确融合[2-3]。目前在医学领域，混合现实技术可将真实解剖组织与术前三维虚拟影像匹配融合，允许用户与之交互，进行三维视觉实时定位，提高手术导航的安全性和精准性[4-5]；借助混合现实技术，还可基于对术区解剖结构三维影像的呈现来模拟手术过程，进而帮助外科医生选择最佳手术方案[6]。

在临床教学工作中，运用混合现实技术可以对复杂的医学教学内容进行生动呈现，为学生带来沉浸式体验[7-8]；此外，基于其多功能和移动性的特点，学生能够自由访问教学平台进行学习，不受地点和时间的限制。对于医学教育工作者，混合现实技术提供了全新的教学模式，拓宽了知识传授的途径和渠道。近期研究表明，运用虚拟现实技术辅助教学比传统临床教育模式更为有效[9-10]，但就骨科临床教学而言，目前尚缺乏相关的对照研究报道。本研究对比分析混合现实辅助教学和传统教学模式在医学生骶骨骨折经皮骶髂关节螺钉固定术学习中的应用效果，现报道如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2020 年1 月—6 月在内蒙古医科大学附属医院骨科进行课间实习轮转的24名医学生，男14 人，女10 人，年龄21～26 岁，平均年龄（23.1 士1.4）岁，研究生8人，本科生16人。所有学生均无骨科实践操作经历。采用随机数字表法，按不同授课方式将学生随机分成混合现实组和传统教学组（n=12），其中混合现实组采用混合现实技术辅助教学，传统教学组运用传统教学方式授课。

1.2 骶骨骨折三维解剖模型和内固定手术演示模型建立

收集1 例采用经皮骶髂关节螺钉固定术治疗的Denis Ⅱ型单纯骶骨骨折患者的影像学资料（图1A～1E），制作骨折三维重建模型和手术演示模型（图1F，1G）。标注病例模型，导入重要操作方法、重点手术步骤等信息，并在自主研发的全息影像教学平台中上传全息病例信息。

图1 单纯骶骨骨折患者影像学图片及手术演示模型1A，1B 腰椎X线正侧位片1C～1E 骨盆及腰椎CT断层图像1F 骨盆及腰椎三维重建1G 手术演示模型

1.3 教学方法

混合现实组采用混合现实技术体验手术过程（图2），授课时学生需佩戴头戴式HoloLens 全息眼镜（Microsoft公司，美国）；对照组采用传统教学模式，通过传统手术视频讲解的方法了解手术过程。

图2 混合现实技术在骶骨骨折内固定临床教学中的应用2A 三维模型与实际场景叠加2B 授课者教学手术实景

1.4 教学效果评估

采用纸质问卷调查的形式，运用分数量化评分，“1～5分”分别代表“不符合～完全符合”，对学生的学习主动性、三维立体感、教学满意度、知识掌握能力及学习专注性进行评估[11]；针对骶骨解剖及骨折治疗方法，对两组学生进行课后测验，记录考核成绩。

1.5 统计学方法

采用SPSS 18.0统计软件进行数据分析，计量资料以均数±标准差（）表示，两组比较采用两独立样本t检验，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

如表1 所示，混合现实组学生在学习主动性、三维立体感、教学满意度评分方面高于传统教学组（P＜0.05）；在学习专注性、知识掌握能力评分方面，两组比较，差异无统计学意义（P＞0.05）。混合现实组和传统教学组课后测验成绩分别为（88.2±4.4）、（78.2±5.7）分，两组比较，差异有统计学意义（t=4.811，P＜0.001）。

表1 两种教学模式在骶骨骨折经皮骶髂螺钉固定术教学中的应用效果比较（分，，n=12）

表1 两种教学模式在骶骨骨折经皮骶髂螺钉固定术教学中的应用效果比较（分，，n=12）

3 讨论

3.1 混合现实技术在骨科领域的应用

混合现实技术是在虚拟现实、增强现实技术基础上发展起来的一种全新的数字全息影像技术，其具有将复杂抽象的医学信息可视化、简单化、形象化的特点，因此自问世以来，就引起医学界的广泛兴趣[12-13]。有学者在实验室环境中采用徒手置钉技术和混合现实技术置入椎弓根螺钉，结果发现后者骨皮质穿破发生率明显降低[14-15]；Wu等[16]在一项椎体模型试验中，借助混合现实技术辅助导航C1和C2椎弓根钉置入，108 枚螺钉无一错位。Gregory 等[17]将混合现实技术用于反向肩关节置换术，患者解剖结构得到精确展示，术者在此基础上对手术操作进行实时规划，术后假体位置适当，患者恢复良好，无手术相关并发症发生。近期的临床研究亦证实，混合现实技术有助于术者在手术区域获得良好的三维立体视觉，对解剖结构有更清楚的理解和认识，手术操作过程更加简便优化[18-19]。

3.2 混合现实技术辅助骨科教学的优势

虚拟现实技术主要基于计算机生成的虚拟模型，增强现实是将虚拟模型与真实物体融合在一起，混合现实则是在增强现实的基础上，用户在虚拟模型中选定视角，并与之交互。基于三种技术各自的特点，相应的教学模式也存在差异，虚拟现实和增强现实的教学模式仅为学生提供单一视角的三维立体视觉，而混合现实教学模式则允许学生自由地选择观看视角，并与三维模型进行交互，模拟手术操作过程。

在骨科临床教学领域，由于人体标本短缺，价格昂贵，导致教学成本不断上升，学生进行手术实践操作的机会日益减少。目前通常采取视频教学、临床演示的方式，提高学生对复杂3D 解剖结构和空间关系的把握能力，但效果不甚理想。通过混合现实技术，可以创造一个虚拟与现实完美结合的教学环境，通过网络将学生与虚拟三维空间课堂相连接，然后借助混合现实设备，培养学生的参与度，改善传统学习中交互性、积极性和体验感等方面的不足。

在骨科教学中，混合现实技术的优势具体表现在：①教学方式从使用二维图像和视频转变为通过交互式移动环境促进学习[4]，学生对人体复杂的解剖结构有更直观的了解，训练更为有效；学生有机会观看和体验复杂骨科手术，无需进入手术室就有身临其境的感觉[20]，提高教学满意度，提升教学效果。余可谊等[11]对比混合现实技术与传统教学模式在经皮椎间孔入路腰椎间盘切除术临床教学中的差异，结果表明，接受混合现实技术教学模式的学生在学习主动性、三维想像力上具有明显优势，可提高医学教育的形象化和交互性。②提供无风险培训[21]，以更自然、更逼真的方式呈现手术操作可能对患者造成的伤害[22]，通过反复的互动和体验，深刻理解骨科手术并发症，提高学生的实践技能。③教师授课时无须使用实体标本，避免标本消耗，课程安排更为自由，节约教学成本和时间成本。④该技术可叠加术前计划，用以进行术前模拟与训练[23-24]。

在本研究中，混合现实组学生通过佩戴全息眼镜体验手术过程，相较于传统骨科手术视频讲解，可以更直观地呈现立体解剖结构，使学生对骨骼以及神经血管走行的认识不再局限于二维图像；学生在接收知识的同时，成为主动和自主学习者，与手术过程形成交互，通过实践经验设定自己的学习节奏，参与感大幅提升。混合现实组学生在学习主动性、三维立体感、教学满意度等方面优于传统教学组，课后测试成绩亦高于传统教学组，学习效果显著。但在知识掌握、学习专注性上两种教学模式差异不大。

本研究存在以下局限性：①研究处于起步阶段，受限于全息眼镜设备数量的限制，样本量较小，下一步将扩充样本量，并根据医学生的学历、性别等进行分组研究。②采用问卷调查形式进行评估，可能会因学生的主观性而造成一定偏倚，需要继续优化问卷内容，细化评估标准。在未来研究中，教学内容将不局限于骶骨骨折固定，而是扩展到骨盆、脊柱和关节等复杂手术，以此丰富混合现实技术在骨科教学中的运用。