颅脑解剖三维仿真系统构建在神经外科临床教学中的应用

唐勇 李翔 史岩 钱正庭 樊友武 吴鹤鸣

南京医科大学附属南京医院（南京市第一医院）神经外科

临床解剖学一直以来都被视为连接医学基础理论与临床实践的必备桥梁和基础课程之一。但是传统的临床解剖教学比较抽象，较难获得自身体验感觉过程，存在许多临床信息遗漏和掌握困难等问题。例如临床教学讲授过程中多使用书本的二维图片或者教具模型，有条件的教研室也配备尸体解剖标本作为教学辅助。但由于神经解剖的立体抽象感，书本的二维图片明显缺乏对神经系统空间结构的准确而详细的描述；教具模型的选择比二维图片具有较好的空间解剖结构，但对人体解剖的细节表达又存在一定的失真，且对于神经结构的内部联系关系也无法准确表达；遗体捐献者的尸体标本是传统临床解剖学教学的必备教学资源之一，但是由于遗体捐献政策的调整，尸体的供体源非常紧张，标本来之不易，尸体解剖显得尤为珍贵，导致临床学生利用尸体标本进行神经系统的全面观察和解剖的机会也明显减少。这些问题都导致了学生在神经解剖学习过程中对神经系统的空间结构理解程度降低，不利于学生对神经外科解剖及手术相关知识的理解和掌握。近年来,三维仿真系统在科技工业领域得到广泛应用[1，2]，其定义是指利用计算机技术生成的一个仿真并具有三维空间感知的虚拟环境，操作者可以依靠各种传感设备在虚拟的操作环境中与实体相互作用的一种技术[3]。随着三维仿真系统技术的发展及应用，如何通过计算机三维仿真技术解决以上神经解剖教学矛盾成为神经外科教学中的重点研究方向之一。通过数字医学技术,应用于医学的三维重建软件可将CT、MRI二维图像转化为虚拟三维模型以及以此为基础建立三维仿真系统,可将三维仿真系统应用在神经外科临床教学中，可让规培同学在教学中获得生动直接的视觉感受[4]。三维神经仿真系统技术可以使同学从各个方位仔细观察神经解剖结构，还可以从脑组织和脑血管的不同层面、位置和角度显示它们的形态、空间毗邻位置关系。针对神经外科的规培生对神经系统的解剖知识难以掌握问题5，南京市第一医院神经外科尝试将临床颅底肿瘤患者的颅脑解剖实现三维仿真系统构建，使神经解剖学与三维仿真系统进行学科交叉融合,使学习者获得更好的临床教学的效果，提高临床教学满意度，加强了学生们对神经外科解剖知识的认识和理解，收到了较好的神经外科规培教学效果，现将我们教学中的体会介绍如下：

一、资料与方法

1.研究对象：在南京市第一医院神经外科学习的规范化培训学生（共40人）。将学生随机分为三维学习组和常规学习对照组（每组20人）。所有参与者完成知情同意数据采集，在性别、年龄、学科背景、课程学习等方面差异无统计学意义。

2.方法：两组规培教师对1例颅底脑膜瘤的位置、大小、形态及肿瘤与周围血管神经关系进行详细讲解。常规学习组以幻灯和图片讲解为主，配合患者头颅磁共振和CT影像资料，按照具体知识点进行讲解。三维仿真系统组采用三维虚拟仿真系统结合影像学资料进行讲解，具体如下：选取颅底脑膜瘤患者对其行三维薄层MRI平扫+增强，薄层CTA扫描，然后将综合影像Dicom数据导入 MIMICS软件进行三维重建，生成微信二维码，学生可通过手机扫描二维码进入三维仿真系统观察颅底肿瘤解剖结构，包括颅骨，脑组织，脑膜瘤及其周围动静脉等，并可使用Virtual Reality眼镜对解剖结构进行结构增减、三维旋转、调整和观察（如图1）。课堂教学时教师通过该系统教学实现颅脑区域和分层解剖的教学，通过虚拟解剖过程对颅脑和血管解剖结构的特征细节以及相互之间的空间关系进行讲解。学生可通过虚拟系统对某个解剖结构进行有目的性的深入观察和标注，甚至模拟手术入路。

图1.通过软件可添加或减少解剖结构，还可旋转角度观察

3.评价方式

教学结束后对两组规培生进行相应临床理论知识考核，内容主要为填空题以及问答题，满分为100分，内容以临床解剖教学内容为主，同时采用自行设计的教学满意调查问卷进行调查，调查内容：学生对神经外科课程理解及喜爱重视程度比较，调查问卷集中在课后 10 分钟发放填写并于当场回收。

4.统计学方法

二、结果

1.出科理论考核成绩：对两组学生出科理论考核成绩进行比较，三维学习组学生理论知识考核成绩明显优于常规学习对照组（P <0.05），如表1所示。

表1.两组学生出科理论考核成绩比较（n=40）（）

表1.两组学生出科理论考核成绩比较（n=40）（）

＊与对照组比较有统计学差异（P<0.05）

2.教学满意度调查结果：对两组学生教学满意度调查结果进行比较，三维学习组除了在对教学方式的接受程度方面与对照组无明显差异（P >0.05）外，在其他方面（能够激发学习兴趣、有助于掌握理论知识、有助于手术观摩时对手术入路的了解），三维学习组均优于常规学习对照组（P <0.05），如表2所示。c2

表2 两组学生教学满意程度调查结果（n=20）n(%)

讨论：解剖知识是所有医学基础理论内容，是基础医学教学中的重点之一。在神经外科规培教学中，脑组织形态，血管走行及它们相互的空间结构等都需要用到解剖知识。人类的知识记忆过程主要依靠自对外界的视、听、读，但其中90%以上信息主要来源于视觉和听觉。但是由于规培学生通常只简单掌握了书本理论知识，缺乏对神经解剖的立体直观概念，所以在临床教学中很难将神经解剖知识很好地进行认识和理解。而且传统的解剖学教学之中，利用于课堂教学之用的人体解剖图像通常是一种呈静止状态并且保持在一个特定状态的图像，这一解剖图像较难让学生对人体解剖学变化产生详细的理解，学生无法想象人体在患病之后，特定病变部位所产生的具体变化，以及产生对应的认知感，因此需要学生们发挥自身想象力来完善大部分的解剖变化内容，在这种情况下所达到的课堂教学效果并不会非常乐观。颅脑解剖结构包括颅脑、神经、血管解剖结构复杂，即使细微的结构变化也可能在颅脑神经疾病中出现重要的影响,这要求神经外科医生必须非常熟悉掌握颅脑相关解剖知识,具备良好的空间想象能力,才能达到精准定位病灶，顺利完成临床诊断和外科手术。以往常规教学主要通过解剖图谱或临床教师的抽象语言描述，少数条件好的临床解剖教研室可以利用模型和稀有的尸头进行现场教学，但规培生往往对相关解剖结构在认知中无法形成直观生动的感性认识，学习体验较差，效果欠佳[6，

7]。

重视将神经解剖与神经外科手术相关知识的整合优化，让神经解剖知识有效的与神经外科疾病、体征结合起来，形成学生们自己系统而完整的认知概念，有利于他们对神经外科学知识的理解、记忆及掌握。引入三维模型将大大帮助学生理解颅脑解剖。但在早期的三维模型需要教师来进行制作，解剖教师会采用一些可塑泥或者塑料材料制作颅脑解剖学的模型。随着数字化计算机技术的不断发展，现在三维模型通常会通过计算机中的三维模型设计软件来对颅脑解剖学的模型进行构建，三维仿真系统可以将通过影像融合技术将个体颅脑解剖结构原比例地呈现出来，同时可以根据颅骨、血管、以及神经的影像参数，按照不同的颜色反应出来，立体地呈现在学习者面前，能够为观看者提供更加形象而生动的神经解剖描述，有的甚至可以将文字和图片有机结合，使得知识图文并茂，将使大脑更快速地做出视觉反应。而且通过佩戴的Virtual Reality系统还可以在三维角度便捷地对颅脑进行360度旋转以及断层、平移、缩放等操作,多角度全方位展示颅脑病灶的大小、位置，以及其与脑血管和神经间毗邻关系，从不同视角去观察颅脑解剖结构。这将显著提高规培同学学习效率，通过对学生出科理论考试成绩和对教学满意程度的对照研究分析，可以得出以下结论：（1）与之前常规的基础理论学习知识进行对照，三维仿真系统将使规培学生对学科前沿知识理解更加深刻，作为规培新生的教学手段，更容易引起他们的兴趣，提高他们的学习热情和学习参与度，激发学生的积极性和主动性；（2）建立仿真的脑组织、颅骨、重要血管颅神经走行、肿瘤与血管之间的毗邻关系等多种解剖元素相结合的模型，使得神经外科教学模型更加真实。可以更好地帮助规培同学形成良好且形象的解剖概念，为后期临床手术操作熟练度打下基础,帮助同学更好地掌握理论知识，可提高学生的自主学习能力，发现和解决问题的能力；（3）神经外科疾病尤其是颅脑肿瘤疾病，通常肿瘤会将周围的神经和血管包绕或推挤等，即使低年资的住院医师通过长时间的临床手术观摩也很难熟练和完整地掌握相关颅脑解剖知识点，同时由于神经外科显微操作使用显微镜导致的操作视角问题，学习者对解剖中的一些重要复杂结构也很难观察到。三维仿真系统应用于复杂的颅底脑膜瘤模型建立，通过软件系统建立的三维模型可以让学习者在三维空间任意旋转、剥离、覆盖，从不同角度观察和讲解颅底肿瘤大小，肿瘤与周围血管和神经的关系，使得学习者得到更直观的视觉效果，有利于他们形成空间概念，结合影像学阅片，将使学习者对于实际解剖与影像学之间的关系更好的展现出来，教学内容更加直观和形象，可以使学习者学会如何更好阅片，更清晰判断病情及手术可能遇到的困难，极大地提高规培生的阅片以及对颅底肿瘤疾病的临床诊断能力。（4）传统的临床解剖学实验课通常受限于学习的场景和时间,学生在讲堂上的问题与困惑,课后并不能得到很好解决,这使得问题累计,甚至进入恶性循环，并最终将未解决的疑问带入以后的临床工作中,这导致神经外科规培教学质量以及培育神经外科合格医学人才带来极其不利的影响。三维软件操作简单方便,使用应用的场景更加灵活，借助三维仿真系统解剖学习软件,在个人笔记本或台式电脑中都可以导入虚拟的颅脑三维模型,可对颅脑临床解剖学的教学资源实现最大程度上的共享和利用。这样在规培教学上,可发挥规培学生主动软件操作性,对颅脑解剖的疑难点与重点进行综合把控。课前学生就可通过个人电脑的三维软件打开三维解剖模型,在教室、宿舍提前预习，提出自己的疑问；课后也可使用该三维模型对课堂上的知识点进行查漏补缺，及时发现未真正解决的解剖问题,并进行归纳总结,为以后的颅脑解剖学实验打下坚实的基础。（5）交互式教学是被称为主体教学思想的核心内容，并被西方发达国家推荐为优选教学方法。与传统教学方法相比，三维仿真颅脑解剖系统将更多增加教师和学生之间的交互性，让教学具有更好的互动性，进而增加课程的吸引力，有利于学生接受和理解知识，同时也将规培同学以往抄写、整理的传统学习方式上解放出来，可以将更多精力放在思考和理解，与带教老师的深度交流上，可以显著提升规培同学的主观能动性和自我知识体系的建立，提升更多的学习激情，增强对颅脑解剖的探究和创新能力。

目前，国内也有不少单位将三维仿真系统应用于临床实践中。例如，有术者术前将患者的MRI、CT数据输入虚拟操作系统中，通过影像融合、三维重建、数据提取、模拟等操作步骤，综合设计个体化手术方案，可清晰显示病变与脑组织、血管、颅骨等的解剖关系，为相关手术入路选择提供精准和直观的依据[8]。还有术者将中央功能区胶质瘤患者的CT、CTA、DSA、MRI及fMRI等影像资料输入虚拟技术工作站，通过图像融合和三维重建,术前及术中可在虚拟现实影像上观察病变与周围结构的空间关系,设计个体化手术入路，可虚拟手术操作过程、术中辅助决策,大大提高了手术安全性与病灶的全切除率,同时也提高了专科医师教学和训练的效率[9]。

综上所述，随着计算机及信息技术的高速发展，三维仿真概念体现了目前精准医疗的概念，代表了未来信息医学发展的导向，神经外科在外科学中对于术者的解剖知识要求极高，本教学研究表明，对神经外科实行三维仿真教学后，规培生能更好地掌握专业神经外科相关医学知识，能够使传统的教学模式得到更大的改善和有效补充，可以更好地激发规培学生们的学习热情和兴趣，提高对解剖知识的理解和掌握。