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心脏外科教学中三维重建技术的应用

2019/10/05 阅读:

[摘要]目的探讨三维重建技术用于心脏外科教学的效果。方法应用虚拟人一、二号提供的解剖切片图像,重建心脏正常的3D图像;应用心脏CT收集数据,重建各种心脏疾病的心脏3D图像,并做成动图形式,放置于教学幻灯片上,完成教学幻灯片的制作。选取2016年度2名教师授课的4个班级作为研究对象,每名教师授课的2个班级中一个为研究组,应用含有3D图像的教学幻灯片进行教学;另一个为对照组,应用传统教学方法进行教学。以课后问卷调查、课后测验及期末测验评价效果,进行评分及分数统计。结果研究组学生普遍反映3D图像能很好地帮助其理解各种解剖的变异,通过这种解剖的变异,能更好地理解这种变异引起的病理生理学变化,因而能更好地掌握、记忆这种疾病的临床表现及诊治方法,更好地学习掌握这些疾病。2个研究组学生课后测验平均成绩分别为(86.2±7.3)分、(84.9±5.8)分,2个对照组学生课后测验平均成绩分别为(79.1±10.2)、(73.4±6.9)分;2个研究组学生期末考试平均成绩分别为(82.2±8.7)、(86.5±7.3)分,2个对照组学生期末考试平均成绩分别为(74.8±5.7)、(78.3±5.9)分。研究组学生课后测验、期末考试成绩均明显优于对照组,差异均有统计学意义(P<0.05)。结论三维重建技术能为心脏外科的教学提供新的数字化教学手段和丰富的影像学资料,便于教师的教学,也便于学生的理解与学习,提高了学生的学习兴趣,也提高了教学质量。

[关键词]成像,三维;胸外科学/教育;体层摄影术,X线计算机;教学

心脏外科学具有高度的专业性和风险性,心脏外科学的教学一直是外科教学的难点,培养优秀的心脏外科人才是临床教学面临的一个重要问题[1]。心脏的解剖结构复杂,解剖变异多,且目前心脏外科的教学手段相对落后,主要用的是挂图、幻灯片及录像等。这些手段仅能提供抽象的二维心脏平面图像,难以对心脏这种解剖复杂的三维立体结构进行直观说明,因而学生也就不能很好地理解心脏外科疾病的解剖及病理生理过程。教师有时要为解说一个图片反复演说、反复采用手势比喻,但教学效果仍不尽人意,学生不能很好地理解,学习积极性也受到很大的挫折。因此,为提高心脏外科学的教学效果,教学手段的改进势在必行。随着计算机技术的进步,计算机图像技术及虚拟人技术不断发展,三维重建技术在教学及科研中得到了广泛应用。三维重建技术是指对三维物体建立适合计算机表示和处理的数学模型,是在计算机环境下对其进行处理、操作和分析其性质的基础,也是在计算机中建立表达客观世界的虚拟现实的关键技术。目前,在医学临床与教学领域,常见的三维重建技术主要有3种:虚拟人切削断层重建、三维激光扫描仪重建、CT重建技术。尤其是CT重建技术,在临床及教学中应用广泛。有研究表明,在影像解剖学的学习中CT重建技术能明显提高学习效果[2]。据此,本研究应用CT重建技术,建立了一套3D的心脏外科教学课件用于教学,取得了满意的教学效果,现报道如下。

1材料与方法

1.1材料

电脑1台,常规配置,windows7操作系统,能流畅运行3Dmax等绘图软件。

1.2方法

1.2.1幻灯片制作通过网络下载第三军医大学提供的虚拟人一、二号解剖学切片图像,收集各种心脏疾病的患者进行心脏CT检查,收集数据,应用CT工作站进行三维重建。按外科学教学大纲要求制作教学章节的幻灯片。根据以往的教学经验,在学生难于理解的心脏解剖上应用虚拟人一、二号提供的解剖切片图像重建心脏正常的3D图像;应用心脏CT收集数据重建各种心脏疾病的心脏3D图像。并做成动图形式,放置于教学幻灯片上,完成教学幻灯片的制作。

1.2.2教学方法选取2016年度2名教师授课的4个班级作为研究对象,每名教师授课的2个班级中一个为研究组,应用含有3D图像的教学幻灯片进行教学;另一个班级为对照组,应用传统教学方法进行教学。

1.2.3评估指标课后立即发放调查问卷,了解各组学生对授课的主观感受;同时即刻进行10min简单测验,测验题为20道选择题,考查各组学生对授课内容即刻的学习及理解程度,进行评分及分数统计。另外,在学期末进行考试,全面考查各组学生对本专业的学习情况,进行评分及分数统计。各组学生均参加了问卷调查、课后测验及期末考试,调查问卷、测验及试卷回收率均为100%。

1.3统计学处理

应用SPSS13.0统计软件进行数据分析,计量资料以x±s表示,采用t检验。P<0.05为差异有统计学意义。

2结果

2.1问卷调查情况

对照组学生中多数学生反映的问题主要为病变心脏解剖结构复杂,不能从解剖结构上认清各种心脏疾病,其引起的病理生理过程难于理解,感觉心脏外科课程难于记忆、学习。研究组学生普遍反映3D图像能很好地帮助其理解各种解剖的变异,通过这种解剖的变异,能更好地理解这种变异引起的病理生理学变化,因而能更好地掌握、记忆这种疾病的临床表现及诊治方法,能更好地学习掌握这些疾病。

2.2各组学生课后测验成绩比较

研究组学生课后测验成绩均明显优于对照组,差异有统计学意义(P<0.05)。见表1。

2.3各组学生期末考试成绩比较

研究组学生期末考试成绩明显优于对照组,差异有统计学意义(P<0.05)。见表2。

3讨论

心脏解剖复杂难学,教学课时少,心脏外科疾病主要是心脏结构的异常导致的疾病,这种结构异常的心脏更增加了学习的难度[3]。心脏外科的教学手段相对落后,至今仍是以挂图及幻灯图片结合教师的讲授为主的教学方法。这种方法讲解一个结构复杂的心脏显得十分局限与单薄,造成学生的学习兴趣低下,学习效果不佳[4]。心脏外科疾病的病理生理与解剖密切相关,这种解剖结构的辨识不清就造成了不能理解疾病的病理生理过程。而病理生理过程的不理解也就使学生很难掌握疾病的临床表现,因而对诊治方法的学习就更无从谈起。可见,在心脏外科教学中,心脏的解剖结构的教学是重点,掌握了正常和异常心脏的解剖结构,就能很好地学习心脏外科学,许多难点也就迎刃而解了[5]。随着计算机技术及影像学技术的进步,三维重建技术在临床实际工作中应用广泛,利用三维重建技术可清晰显示人体的组织结构、比邻关系等[6],能指导手术方案的制定及手术的实施。常见的三维重建技术有3种:虚拟人切削断层重建、三维激光扫描仪重建、CT重建技术。虚拟人切削断层重建也称为可视人体计划数据集,在此基础上,可从多个角度层面观察人体的解剖结构。我国于2002年由第三军医大学首先完成5例中国可视化人体数据集的采集,这些数据采集使用了高精度数控铣床和高质量、高分辨力的数码相机,确保了每层断面解剖结构的高清晰度和解剖结构的精细度,并在此基础上进行了人体多个系统的可视化研究。2003年2月我国第一个“虚拟人”在广东第一军医大学完成,这例“虚拟人”的切屑层面更薄,超过了美国等其他国家的技术。这些虚拟人数据再进一步开发,由此所引申的人体可视化虚拟医学,即虚拟解剖学、虚拟影像学及虚拟外科学等[7]。目前,国外已开发出与医学有关的可视化虚拟的应用,主要包括教学、手术、内窥镜检查等,其研究结果证实虚拟现实技术具有低代价、零风险、重复性、自动指导等优点,可迅速提高学习者的解剖学基础、手术及其他操作技能。三维激光重建技术利用三维激光扫描仪进行物体表面扫描,并利用相应的图像分析软件将图像拼接,从而重建物体的三维重建图像,这样的图像是一种立体的图像,可旋转,可全方位地对物体表面进行观察[8]。这种方法用于教学,可使某个组织、器官解剖学的教与学更直观,有利于学生对组织、器官解剖学知识的理解和记忆。但利用三维激光扫描仪重建也具有很大的局限性,其只能对骨等形态固定的组织、器官表面外形进行重建,无法对内部结构进行重建,且也无法重建变形较大的软组织等。CT重建技术是目前运用最广泛的三维重建技术。近年来,CT技术进步飞速,多排高速螺旋CT已基本在临床普及。多排高速螺旋CT能快速、清晰地获得大量的数据,因而通过计算机可重建出十分精细的组织、器官图像。通过CT重建出的图像具有以下优点[9-10]:(1)三维图像视觉效果好,形象逼真,表面纹理真实,立体感强。(2)能准确地显示形态结构、位置和毗邻关系,且可进行任意角度、任意方位的观察,单个结构观察或任意组合等;还可将外层的结构去掉或透明化,使各器官之间由于位置关系的遮挡而影响深部结构观察的问题得以解决,直观清楚地观察到各结构的空间位置和毗邻关系。(3)可进行多彩色标记,观察各结构的整体形态及边界轮廓,并可对感兴趣的结构进行二维或三维的距离、角度测量,单个结构的表面积测量和体积测量等。(4)可连续动态显示可视化图像,进而可制作成动画输出,画面清晰、流畅。(5)三维图像结合数码解剖互动实验室的优势,操作方便、简单,便于学习应用。因此,通过CT三维重建图像能直观、形象地显示面颅骨、皮肤、肌肉、血管的形态结构,真实地反映血管的口径、长度、走行及空间位置关系,且通过骨、皮肤等组织的透明化,位置毗邻关系的显示效果更佳[11]。本研究应用下载的虚拟人一、二号的断层解剖切片的数据,重建了正常的心脏解剖;应用CT扫描的各种心脏外科疾病患者的心脏,重建了多种心脏外科疾病的心脏解剖。将这些重建立体图像输入电脑,应用绘图软件将心脏各部分着以不同的颜色,再应用计算机将各种心脏疾病的心内异常结构予以显露。将这些立体的图像以动画的形式做成教学幻灯片,用于心脏外科的教学。学生通过对这种课件的学习,从各个角度观察正常的心脏解剖及病理状况下的心脏解剖结构,更加直观,更易理解[12]。在理解这些解剖的同时,也便于学习各种疾病的病理生理变化,也能更好地理解其各种临床表现及诊治方法。调查问卷结果显示,研究组学生普遍感觉学习更加轻松,更易理解;课后即刻测验的成绩及期末考试成绩也反映了这种新的3D图像的幻灯教学能帮助学生理解和记忆所学内容,更好地学习和掌握这些疾病,提高了学习效果。目前,随着计算机技术及网络技术的发展,医学教学领域面临变革。三维重建技术能为心脏外科的教学提供新的数字化教学手段和丰富的影像学资料,便于教师的教学,也便于学生的理解与学习,提高了学生的学习兴趣,也提高了教学质量。当然,将三维重建技术用于教学尚处于探索阶段,如何更好地建立图像,更好地利用计算机软件将心脏的各部分进行分解组合,以及各种心脏疾病的解剖变异情况尚不能一一进行显示,还需要进一步收集数据及应用多种软件对获取图像数据进行分析处理。同时,还需要与各种专业人士合作,制作出更加精美、更加丰富的教学课件。

参考文献

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作者:冯俊波 胡运涛 李俊涛 葛圣林 单位:安徽医科大学第一附属医院心脏大血管外科

心脏外科教学中三维重建技术的应用

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