混合现实技术在八年制临床医学生神经影像教学中的应用探索

王 渊，李 丹，李传坤，高 琳，张 明

西安交通大学：1.第一附属医院医学影像科；2.第一附属医院呼吸与危重症医学科；3.第一附属医院神经外科，西安 710061；4.机械工程学院，西安 710049

神经影像主要通过结构成像和功能成像，多维度研究神经系统的工作机制。传统影像学主要在二维空间以图像的方式呈现脑组织与周围血管的毗邻关系，从而指导神经外科医师进行手术治疗。但二维成像方式缺乏立体性、直观性和可操作性[1]，低年资临床医师对于理解精细复杂的解剖结构尚存在困难，在带教临床医学生的神经影像教学中更是面临着诸多挑战。虚拟现实(virtual reality,VR)技术为神经系统教学提供了新思路，该技术通过计算机模拟神经组织和邻近解剖结构，能够提供三维空间的交互式影像资料，目前已初步应用于教学活动中[2]。神经系统大体标本非常紧缺，且成本较高，医学生单纯依靠想象很难对其三维空间进行全面理解，容易造成学习兴趣低下、学习效率不高，进而影响教学质量。混合现实技术(mixed reality,MR)是近年来继虚拟现实技术之后出现的全新数字化影像技术，它能够将真实世界(如3D打印技术)与虚拟现实完美结合，在现实场景中展示虚拟世界的信息，其浸入性、交互性更强，不但可以减少医学标本的使用，节约存储空间，降低教学费用，而且能够使医学生与教师进行直观的信息交流与互动[3]，在神经影像教学方面更具优势。该研究以三叉神经痛为例，将颅神经三维重建和3D打印技术相结合，希望借助先进的医工交叉技术解决神经影像教学的困境。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

选择2019—2020学年(2015级)及2021—2022学年(2017级)在西安交通大学第一附属医院参加神经影像学习的八年制临床医学生共71人为研究对象。

1.2 教学方法

将2015级学生(n=34)设为对照组，2017级学生(n=37)设为试验组。

对照组的2015级学生受限于当年的教学条件，采用传统教学模式(二维图像)；试验组采用混合现实教学模式(三维重建+3D打印)。

1.3 教学实施

两组学生均由相同的教师带教，在同一间教室进行教学活动；所用教材均为2015年由陈生弟主编、人民卫生出版社出版的《神经与精神疾病》。

对照组采用影像学传统的教学模式，即理论课采取PPT教学，实习课采取院内PACS演示教学。因为课时相对有限，带教教师根据教学大纲选取临床较为常见的神经系统疾病。理论课主要放映神经系统正常的解剖图像，以及疾病的CT及MRI图像，其中病变的影像学资料主要为CT及MRI扫描机直接获取的二维图像，授课教师据此介绍病变的部位、数量、大小、形态、密度/信号特点及毗邻关系，使学生对神经系统疾病的影像学征象产生一定认识。以三叉神经痛为例，图1为不同序列显示变异血管压迫三叉神经的二维MRI图像。对照组的实习课对应理论课所讲授的内容，教师通过PACS系统调阅相应的影像学图像，逐层展示病变的CT及MRI表现，讲述主要的诊断要点和鉴别诊断依据。

图1 传统二维MRI图像

试验组的理论课同样采取PPT教学模式，教学内容也相同，但带教教师所展示的正常神经解剖和神经系统病变的影像学资料除了包含二维图像，还有经过后处理技术获得的三维图像和伪彩图(图2与图1为同一名患者，通过仿真内窥镜技术进行重建，并施以伪彩)，采用多种虚拟现实技术吸引学生的注意力，加深学生对复杂病变的理解。试验组实习课带教除了采用PACS教学模式之外，对于位置特殊、解剖关系复杂的病变，教师还应用实体模型进行讲解(提取重要的神经组织和血管进行3D打印，模型成型后涂以颜色，如图3所示，与图1和图2均为同一名患者)。学生综合课前预习的内容和3D模型呈现的立体结构，与带教教师共同分析探讨。

图2 仿真内窥镜图像

图3 3D打印实体模型

1.4 教学评价

1.4.1考核成绩

理论课和实习课带教结束后，教师分别对两组学生进行神经解剖基础和神经影像诊断的考核，比较各自对基础知识和基本技能的掌握程度。两组学生的试题均由同一名带教教师拟出，覆盖面和难度相仿。

考核采用闭卷测试方式，测试时间为60 min。试题总分100分，其中神经解剖基础和神经影像诊断各占50分。

1.4.2问卷调查

参考相关文献[4]，带教教师自行设计调查问卷，内容涉及课堂注意力、学习兴趣、教学互动性、知识理解四个方面。问卷课前发放，课后收回，两组学生均匿名填写。

1.5 统计分析方法

2 结果

2.1 研究对象一般资料

参加神经影像学习的八年制临床医学生共71人。其中，对照组(n=34)学生，男性19人，女性15人，平均年龄为(22.45±1.36)岁；试验组(n=37)学生，男性20人，女性17人，平均年龄(22.63±1.49)岁；两组学生在年龄、性别、出勤率方面的差异均无统计学意义(P>0.05)。所有学生以前均未接受神经系统疾病的学习，并对此次调研知情同意。

2.2 两组八年制临床医学生的考核成绩比较

试验组学生的神经解剖基础和神经影像诊断考核成绩均高于对照组，差异均有统计学意义，提示试验组学生对基础知识和基本技能掌握程度更好。具体考核结果如表1所示。

表1 两组学生神经影像的考核成绩比较

带教教师给两组学生发放调查问卷，2015级回收有效问卷34份，2017级回收有效问卷37份，有效回收率均为100%。调查问卷的克伦巴赫系数为0.71，提示问卷具有较好的信度。统计结果表明，试验组学生对混合现实教学模式在增强课堂注意力、提高学习兴趣、加强教学互动性和促进知识理解方面均给予较高的评价，全面优于对照组学生对传统教学模式的反馈(如表2所示)。

表2 两组医学生对神经影像教学的问卷调查比较

3 讨论

3.1 混合现实技术有助于提高学生对基础知识的理解

神经影像学通常借助于CT、MRI等介质，把神经系统各种结构以密度、信号的方式展示出来，诊断医师根据不同的影像信息做出诊断，为临床干预提供客观依据。神经解剖学是神经影像学习的基础，某些结构细小且形态不规则，与周围组织关系复杂[5]，即使起点较高的八年制临床医学生也很难全面理解和领会，而传统影像学技术获得的多为二维图像，无法全面呈现神经组织的形态及毗邻结构。如果学生缺乏空间想象力，单纯依靠带教教师的讲授很难对影像资料进行整体把握，必将影响今后的临床实践。此次研究结果显示，对照组学生的神经解剖基础成绩低于试验组，反映出传统二维图像教学模式不利于学生对基础知识的理解。混合现实技术将虚拟重建的神经系统三维图像与伪彩技术相结合，对重建图像进行任意平移、旋转和放大，从而弥补了二维图像教学的不足，便于学生观察神经解剖的细节，同时辅以3D打印技术使学生有机会操作实体标本[6]，学习的参与感更强，最终获得良好的教学效果。

3.2 混合现实技术有助于增强学生对基本技能的掌握

学习神经影像学除了要求临床医学生有较好的神经解剖学基础，对病变特点的理解和掌握也非常重要。但部分神经系统病变的解剖关系复杂，如该文所举病种——三叉神经痛，病变区颅神经和血管众多且相互交错，神经外科手术风险较大[7]，学生仅凭二维灰阶图像很难确定变异血管的类型及其对三叉神经的压迫程度，正如研究结果所示，对照组学生按照传统教学方法进行学习未能达到理想的教学效果。阅卷结束后带教教师全面分析教学过程存在的缺陷，查阅相关文献[1,8]，借助数据后处理软件获得多种疾病的三维仿真图像，并对病变区施以伪彩，便于初学者全方位观察病变的空间位置以及邻近结构。随后带教教师与理工科同道进行交流，借助精密3D打印技术获取相应疾病的实体模型[9]，其中三叉神经痛3D模型最为逼真，能够清晰显示三叉神经、变异血管以及邻近脑干的复杂解剖关系。试验组学生通过动手触碰标本，可以模拟微血管减压的术中操作，为今后的外科实习奠定基础。同时，考核成绩说明试验组学生的神经影像诊断能力高于对照组，这在一定程度上归功于混合现实教学模式的优势。

3.3 混合现实技术有助于促进学生对新型教学模式的认可

混合现实技术在现实世界中实现虚拟空间与实体模型的无缝对接，已经应用于医学各个领域，尤其促进了术前方案制定、术中定位和导航等关键技术，推动了神经科学的发展[10]。如前所述，传统的神经影像资料均为二维图像，作为初次接触影像学的临床医学生很难理解病变的空间分布。神经外科手术切口普遍较小，实习学生乃至低年资住院医师受到术野限制，难以观察手术入路和术中操作的细节[11]。在八年制课堂乃至规培实践中引入混合现实技术，模拟人体的神经解剖结构，从不同角度还原手术过程，能够培养临床医学生和规培生的三维空间感和实体操作意识，有助于提高其学习兴趣和学习效率[12]。对比此次研究中问卷调查结果可以看出，试验组较对照组学生表现出更好的课堂注意力和更高的学习兴趣，与教师的互动性强，这些与混合现实教学模式自身的特点有关，有助于促进知识的理解，获得更好的成绩。

综上所述，无论是对基础知识和基本技能的考核，还是对神经影像的教学满意度调查，结果均显示混合现实技术均取得了良好的教学效果。目前，部分医学院校逐步开展了从二维到三维、从静态到动态、从虚拟到现实的新型教学活动，为临床医学生和规培医师提供了崭新的学习平台。当然，混合现实技术也存在局限性，它对教师的图像处理和授课技巧要求较高，有时需要多学科交叉才能完成，所以要求教师不断更新知识和理念，加强交流合作，努力提高教学质量。