骨科临床教学中结合3D可视化技术的多元化教学的应用分析

曾伟南 余秋萍 刘俊利 曾一平 周宗科

骨科是临床医学的重要亚专业，也称之为“矫形外科学”，其主要研究人体骨骼、肌肉、神经等相关系统，是每一名临床医学实习生均需学习和掌握的专业学科。该专业通过物理、药物、手术等方法维持或重建人体骨骼、肌肉、神经等系统的正常功能与运行[1]。临床教学对于医学实习生而言至关重要，是专业理论与专业实践相结合的必由途径。通过临床教学，可帮助学生顺利从医学生的身份向实际临床工作者的身份进行过渡。随着骨科临床技术的不断发展，除了掌握基本理论、基本知识及基本技能外以外，对实际临床能力有了更高标准的要求，医院与学校都愈加重视毕业生的实际临床水平。然而骨科的学习需要具备良好的三维（three dimensional，3D）空间抽象能力，如：需要对骨骼的三维形态、力线、角度等参数具有深刻的理解力，导致骨科学习曲线漫长。对于进入临床伊始的医学实习生而言，骨科基础知识理解困难，手术技术学习难度大，学习效果欠佳，这就对我们的骨科临床教学提出更高的要求，也对新的教学手段提出了要求。随着计算机3D 图像处理技术的发展，该技术已用于多个领域，例如，天文学、生物化学和工程学等。3D 图像处理技术通常与可视化联系在一起。在教学领域，3D 可视化技术可以对实际学习结果和学习动机产生积极影响[2]。因此，3D 可视化技术可为骨科临床教学提供良好的技术手段。使用计算机三维数字图像处理技术，对骨科影像资料进行去除噪声、增强、复原、分割、提取特征及三维可视化重建等处理。最终建立3D 可视化模型，师生可通过该模型，进行术前规划、模拟手术及术后验证等操作，以利于临床教学。同时，结合CBL、PBL、Seminar 等多种教学方案的多元化的教学模式也是目前临床教学中的热点。本文将3D可视化技术与多元化教学模式相结合，对骨科实习同学进行临床教学，并对比传统教学模式，现将相关研究结果报告如下：

1 资料与方法

1.1 一般资料

将2019 年1—9 月期间分配至我院骨科进行实习的86 名临床医学生作为研究对象，通过随机数字表法划分为对照组和研究组（各43 例）。其中，研究组男女生分别为23 名和20 名，年龄在20～25 岁之间，平均（22.1±0.7）岁；对照组男女生分别为25 名和18 名，年龄在20～24 岁之间，平均（22.0±1.2）岁。对比对照组和研究组的一般资料，两组学生在性别及年龄等方面差异无统计学意义（P＞0.05），可进行进一步的研究。

1.2 方法

对照组学生采用传统教学模式，即：由带教教师负责讲解、传授相关骨科基本知识，针对患者患病情况进行分析，讲授手术设计方案、流程及技术要点，观摩手术现场，但未引导学生个体或小组开展独立的判断和探讨分析。

针对研究组学生实施结合3D 可视化技术的多元化教学方法，实施过程中包括如下几个步骤：

（1）积累经验。进入骨科实习的医学生在前期的学习中已掌握骨科基本的相关理论基础，但在临床实践上较为薄弱。本阶段使用CBL 教学模式，即：以学生为授课主体，按照病例、问题这一主干进行梳理，筛选出骨科典型临床病例，以此培养学生的临床思维模式。带教老师应在课前让学生重新复习影像学（X 线片、CT、MRI 等）的相关知识，了解与骨科相关的影像学知识特点，并针对病例充分准备好相关资料。如与典型病例一致的患者较难找到，则教师需进行患者模拟，将骨科患者的患病特征充分展现出来，学生可直观感受到疾病特征[3-4]。针对需要手术治疗的病例，结合手术实例讲授手术流程及技术要点，掌握手术基本理论知识；（2）思考分析。学生针对前一段知识进行回顾性分析，通过思考将理论知识与临床实践结合起来，并从深层次思考理论与实践间的内在联系。带教老师应起到引导作用，针对学生的兴趣点和基础知识储备情况从不同角度带领学生分析思考知识内容。为提升教学内容的可视性，可借助多媒体设备以视频、图片的形式进行讲解和补充。进而采用PBL 教学法开展教学，针对难懂或复杂的知识点进行提问，结合设定出相应的临床教学情境。教学过程中借助多个论题设定出多个骨科相关知识问题，无论哪个问题都需要缜密的逻辑思考才可获得结论。由此培养学生独立的临床思考与分析能力，不断挖掘各种问题背后隐藏的临床知识、临床要点，从而提升学生解决实际临床问题的能力[5]。同时引导学生个体或小组开展手术方案规划。每次课前，代课教师都应准备相应的课件，但时间内容不宜过长（10～15 min）；（3）抽象概括。该阶段带教老师可使用Seminar 教学法，主要协助学生从深层次归纳临床知识，鼓励实习学生借助多媒体等手段阐述展示自己的论据，结合骨科相关疾病的实际治疗方法，针对问题进行解答。该阶段是学生之间，师生之间相互探讨交流的过程[6]。带教老师要合理安排教学内容，通过节奏把控让学生针对当前的骨科疾病有深层次认知；（4）3D 可视化模拟手术。将二维CT 图像通过INFINITT 软件转成DICOM 格式，使用U 盘存储备用。将CT 扫描后得到的层厚、层间距为1.0 mm 的DICOM格式数据文件导入mimics 19.0 软件中，使用阈值分割、分割蒙板、动态生长等命令三维重建出骨骼图像，并将文件以STL 格式导出。使用UG 12.0 软件导入三维重建的骨骼STL 文件；调整骨骼三维空间位置，建立坐标系，将骨骼完全置于中立位。使用测量命令对相关参数进行测量，使用切割命令对骨骼进修模拟截骨，见图1～3；（5）实践应用。带教老师选择骨科病房内的典型病例，安排学生开展系统的诊治（书写病历、参与手术），引导学生将实际术中情况与术前进行的3D 可视化模拟手术进行对比，加深学生对手术操作的理解。同时，带教老师全程观察并进行适当的指点和最终总结评价。

图1 3D 可视化全膝关节置换术前模拟系统：术前股骨侧参数测量

1.3 观察指标

（1）考核。包括理论考核和实际操作考核两部分（分值分别为50 分）。

（2）学生满意度。针对实习结束的学生开展匿名满意度问卷调查，结果包括非常满意、满意和不满意。满意度=（非常满意例数＋满意例数）/总例数×100%。

图2 3D 可视化全膝关节置换术前模拟系统：确定入髓点及模拟截骨

图3 3D 可视化全膝关节置换术前模拟系统：确定胫骨轴线及胫骨平台中心点并模拟截骨

1.4 统计学处理

本次研究选用了SPSS 13.0（SPSS Inc.，Chicago，IL）统计学软件，计数资料以例（%）表示，行χ2检验；计量资料表示为（±s），并行t检验。以P＜0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 满意度对比

研究组学生满意度（97.67%）远高于对照组（83.72%），且组间差异有统计学意义（P＜0.05），见表1。

表1 两组学生满意度对比

2.2 差异性对比

对比两组学生考核成绩，研究组（95.87±1.65）分明显高于对照组（86.33±2.55）分，且组间差异有统计学意义（P＜0.05），见表2。

表2 两组学生成绩考核对比（分，±s）

表2 两组学生成绩考核对比（分，±s）

3 讨论

骨科学作为一门理论性与实践性高度结合的学科，培养医学生的目的是应用于骨科临床实践[7]。在骨科学的学习过程中需要具备良好的三维空间感知能力，熟悉各种解剖结构的立体关系，理解各种复杂的骨骼参数，导致理论知识理解困难、手术操作技能难以掌握、学习质量较低等问题[8-9]。如在在全膝关节置换手术中，需要掌握理解下肢力线、髓内定位、髓外定位、截骨角度、截骨厚度、软组织平衡及假体的放置等理论知识[10]。这些知识需要良好的基础知识、三维空间感知能力及手术操作技能[11]。学习这些理论及操作的教学过程即为骨科临床教学。骨科临床教学就是将理论教学与实践应用的融合过程。传统的教学模式具有典型的被动传输医学知识的特点，无法发挥学生的主观能动作用，也无法有效地激发学生的主动学习兴趣，同时骨科相关图像二维化、平面化、抽象化，导致教学质量大打折扣。

为了提升医学生日后的实际临床工作能力，培养其临床工作思维，还需不断调整临床教学模式。传统的骨科临床教学主要依靠临床带教讲解、学习解剖书籍、学习影像学资料（包括X 光片、CT、MRI 等）、手术现场观摩等[12]。临床带教讲解空洞抽象，不仅需要带教老师具有丰富的教学经验，还需要实习生具有较好的空间结构想象能力和立体空间重构能力。而学习解剖书籍及影像学资料仅仅能提供二维平面信息，这将大大限制临床教学效果。

因此，空间能力是决定骨科学习效果的重要因素，学习者需要从感觉记忆中编码空间信息，保持工作记忆中的内部表现形式，并执行空间转换。当骨科影像在二维空间中呈现时，三维物体的呈现、旋转和反演也涉及到空间能力。空间能力根据不同的难度，可分为：（1）空间可视化，指能够准确理解三维对象从二维表示；（2）空间定向，指能够从不同的角度想象物体的能力；（3）空间关系，指能够可视化诸如旋转、反射和反转等操作效果，或在精神上操作物体的能力[13]。研究发现，使用3D 动画可改变和改善学生不完整的心智模型[14]。Ferk 等[13]的研究亦表明，使用3D 分子结构进行教学，学生可更好地理解并解决不同复杂度的任务。同时，对所有学生而言，具体的呈现方式比抽象的呈现方式更容易理解。比如，小学生在使用混凝土3D 模型进行教学时可得到更高的分数；在中学生和大学生的教学中使用3D 插图或计算机三维模型时可取得更佳的教学效果[15]。Korakakis 等[16]的研究也证实，在13～14 岁的学生中使用多媒体应用与交互式3D 动画或普通3D 动画，增加了学生的兴趣，使教学材料对学生而言更有吸引力。据此，在现代教学实践的真实教学环境中建立一个教学虚拟环境系统来匹配人类的感知和运动系统是必不可少的。在此基础上根据人类的认知架构和多媒体原则，精心设计教学环境，确保学习者在一个目标有效、效率较高且吸引人的环境中学习。

本研究中，3D 可视化技术为师生提供了一种先进的模拟教学工具，通过3D 计算机模拟来处理人体组织和器官图像。并可在一定程度上反应物体的空间关系，对物体进行旋转、分割、重建等可视化操作。本次研究还充分利用了CBL、PBL、Seminar 等多种教学方案，结合3D 可视化技术，通过萃取各类教学方案的优势，将其与临床教学过程结合为一体。本次多元教学研究将临床教学划分为五个阶段，通过巧妙联系积累经验、思考分析、抽象概括、3D 可视化模拟手术、实践应用，将学生的学、识、用结合起来。尤其通过3D 可视化技术，让学员通过信息化技术，重建患者三维骨骼信息，通过系统工具，对骨骼三维形态、力线、角度等参数进行立体测量。并通过模拟手术系统对骨骼的截骨角度、截骨厚度、髓内定位、髓外定位进行计算机模拟分析，让学员在术前对手术进行预规划，再通过与术中的实际操作进行对比，加深学员对手术设计方案的理解。通过3D 可视化可以将手术形象化、个体化及标准化，同时也提高了学生的学习兴趣[17-19]。因此，通过3D 可视化技术，学生对骨科基本知识的掌握能够得到有效扩展，并能准确扎实的掌握骨科手术的原理及手术方案设计方法，同时有效的提升了学生的手术操作水平[20]。本次研究发现，与传统教学模式对比，结合3D 可视化技术的多元教学方法在学生满意度、学习考核等多项数据上均明显优于传统教学模式，且研究组与对照组数据差异有统计学意义（P＜0.05）。

综上所述，骨科临床教学引入结合3D 可视化技术的多元教学模式，可有效提升学生的临床知识与操作水平，获得更好的教学效果并取得更高的教学满意度。