虚拟现实技术在胸外科实践教学中的应用

郝蒙福，黄壮士，张文强，宋宣克

（郑州大学第二附属医院 胸外科，河南 郑州 450000）

0 引言

胸外科的疾病主要有：肺部疾病、食管疾病和纵隔疾病，由于胸部器官具有复杂的解剖结构和重要的生理功能，所以在临床教学过程中，需要强调临床医师实践的重要性[1]。传统教学多采用专业课教材、PPT、解剖图谱、尸体标本等作为载体来实施教学活动，有其局限性。近年来，虚拟现实（virtual reality,VR）技术和三维可视化3D打印技术在医学领域中也有了快速发展，在临床中应用得越来越广泛[2]。VR技术是由计算机产生的一个集视听触等感觉于一体的沉浸式交互虚拟环境，他允许操作者进行可视化操作，将抽象的、原本“不可见”的解剖及结构三维化[3]。目前，VR技术已广泛应用于电子游戏、航空、军事演练、医学培训及学科教育等领域[4]，VR技术具有沉浸性、交互性和感知性等特征。三维可视化3D打印技术[5]是将数字模型制作成实体的三维模型，在许多医学领域也得到了广泛应用,如模拟麻醉、肝移植和胸部手术[6-7]。VR技术和三维可视化3D打印技术能够将医学教学中抽象的内容生动化、形象化及立体化，从而提高学生学习积极性，提升临床教学效果[8]。目前国内尚未有将VR及三维可视化3D打印技术应用于胸外科临床教学中的报道。本研究把VR及三维可视化3D打印技术应用于胸外科临床带教中，探究该教学方法的应用效果。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2018年10月-2019年10月在我院胸外科临床实习的100名学生作为受试对象。排除标准：累及请假>2次、迟到/早退>3次。参加学员被告知研究的方法、目的及意义，并自愿参加。采用随机数字表将其分为试验组和对照组，每组50人。试验组50人，男生21人，女生29人，平均年龄（21.12±0.98）岁；对照组50人，男生26人，女生24人，平均年龄（21.26±0.78）岁。两组实习生在性别、年龄、学历等一般资料方面比较，差异无统计学意义（P﹥0.05）。

1.2 教学方法

全部教学工作由2名长期从事胸外科临床教学的医师负责，他们均接受了统一的临床教学培训。试验组和对照组所处的教学环境、教学内容及考核标准相同。

对照组：采用传统教学模式，使用第九版《外科学》，主要内容为胸部疾病的相关章节。首先利用胸部模型的解剖来讲解主要的解剖学知识和结构功能，接下来将相关内容与病例结合起来在ppt上演示并教学。

试验组：在传统教学基础上将VR和三维可视化3D打印技术引入教学中，将患者胸部薄层CT等影像学资料的医学数字成像和通信（digital imaging and communications in medicine，DICOM）数据下载并导入到DeepInsight软件中，处理后可以直观、准确地重建出胸部三维解剖模型[9]，重建后的胸部解剖模型图像可以自由旋转、着色、移动、缩放、测量和分割，能够使学生直观的了解和掌握解剖结构[10]，然后还可以根据需要将重建后的图像通过3D打印机打印出相应的实体模型。

1.3 教学效果评价

在临床实习结束后对两组实习生进行考核和问卷调查，考核方法为：①理论考核，采用试卷形式，总分100分，选择题和问答题（解剖结构标注、重要解剖位置及毗邻等）；②操作考核，总分100分，包含查体、换药、胸穿。问卷调查为：①自制教学满意度调查表，总分20分，由教学态度、教学内容、教学方法、教学效果四部分组成；②自制问卷调查表，包括知识掌握程度、三维立体感、提高学习兴趣、提高自主学习能力四部分。评分采用Likert5级评分法，1～5分分别对应非常不符合、不太符合、难以判断、比较符合、非常符合。

1.4 统计学分析

采用SPSS 21.0软件和Excel2016对数据进行整理分析，计量资料使用（）表示，组间比较采用独立样本t检验，计数资料的组间比较采用χ2检验；以P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 两组实习生理论考核与操作考核成绩比较

见表1。

表1 两组实习生理论考核、操作考核成绩比较（）

表1 两组实习生理论考核、操作考核成绩比较（）

2.2 两组实习生调查问卷表及教学满意度比较

见表2。

表2 两组实习生问卷调查及教学满意度比较（）

表2 两组实习生问卷调查及教学满意度比较（）

3 讨论

3.1 VR+3D打印技术在胸外科临床教学中应用的优势

由于胸部解剖概念复杂、结构抽象，传统的教学模式利用解剖图谱、幻灯片等工具讲解，而且填鸭式的教学不能调动实习生的积极性，从而使得教学质量不高[11]。将VR及3D打印技术引入到临床教学中，使得枯燥无味的解剖知识变得生动，便于实习生的理解和记忆。有利于提高实习生的学习积极性和自主学习能力。

3.2 在胸外科临床教学中应用VR+3D打印技术能提高实习生的教学质量

我们将VR+3D打印技术应用到临床教学中，结果显示：试验组的理论考核和操作考核成绩得分均高于对照组（P<0.05）。褚婕[12]等对160名实习护士进行分组研究，发现VR教学组的教学质量较对照组有明显提高。国外有学者[13]研究发现VR技术在外科教育培训中能够显著提高培训者外科技能的获取速度。Francesco Volonte[14]等研究发现利用开源OsiriX软件将肺癌患者的CT图像进行三维重建，这样可以使住院医师能够很清楚、直观的了解肺内解剖，通过图像分割、平移、隐藏等明确病变与周围组织的关系，可以提高住院医师的技能成绩。Takuro Miyazaki[5]等报道应用3D打印技术成功重建患者的气管、支气管，顺利完成手术，并帮助住院医师了解气管的解剖。T.Joda[15]等通过一项系统回顾研究发现将VR技术运用到本科生的培训中，可以对其学习课程的质量有积极的影响，并使学生在快乐中掌握知识及技能。Sule Biyik Bayram[16]等通过一项随机对照试验发现试验组学生（应用VR技术组）的平均期末考试成绩显著高于对照组平均期末考试成绩。Christopher Cao[17]等研究发现目前VR技术在外科教育中应用广泛，在解剖学教育中，与传统2D图像相比，3D图像能使受训者对关键解剖特征的识别能力有明显提高。本研究进一步证明了将VR+3D打印技术应用到胸外科临床教学中可以提高学生的理论考核和操作考核成绩。

3.3 VR+3D打印技术在胸外科临床教学中应用可提高实习生的临床教学满意度

本研究结果显示：试验组在知识掌握程度、三维立体感、提高学习积极性、提高自主学习能力、教学满意度5个方面的得分均高于对照组（P<0.05）。Yeshwanth Pulijala[18]等通过一项随机对照研究发现VR技术在外科医师的培训中不但可以提高其理论知识成绩，而且更重要的是能提高其兴趣和自信心。Marie-Stéphanie Bracq[4]通过一项可行性研究发现VR技术可作为初级外科培训工具，受训者对其有很好的满意度和评价。Claudia Villanueva[19]等研究发现VR作为外科教育技术的一部分，在心胸外科学员培训中是一个很有前途和价值的辅助工具，可以在一定程度上提高学员的学习体验。本研究将VR技术引入临床教学中，弥补了传统临床带教的不足之处，使教学内容更加生动有趣，提高实习生的学习积极性和自主学习能力。

4 小结

近年来，VR和3D打印技术得到了越来越多的研究，其更广泛的应用于临床教育中，允许医学生和住院医师能在受控的环境中练习，从而避免严重错误的发生[20]。通过将VR+3D打印技术应用于临床带教中，实现教学立体化，提高了实习生的学习积极性，从而提高临床带教效果。但是，VR和3D打印技术仍有其局限性，使用者的体验感较差、设备昂贵以及研发成本高等，随着光学、处理能力、图像保真性的不断发展，未来这些问题都能被解决[21]。

目前，国内关于将VR和三维可视化3D打印技术应用于胸外科临床教学中的报道并不多见，本文属于初步探究，我们期望将来会有更多的研究，以评价虚拟现实技术和三维可视化3D打印技术在胸外科临床带教中的优缺点。