虚拟手术实验在医学教学领域中的应用

【摘要】为解决临床医学学生培训问题,我院构建了虚拟手术实验网络教学系统,它与真实手术相结合共同构成了较完整的实验教学体系,满足了医学教育实验教学发展的需要。系统的交互性和快速响应提高了教学效率和教师的教学科研能力,也有利于学生能动性的发挥。

【关键词】虚拟手术;网络教学;认知反馈

【中图分类号】G40-057 【文献标识码】A 【论文编号】1009―8097(2009)07―0127―03

前言

虚拟手术是集医学、生物力学、机械学、计算机图形学、计算机视觉、数学分析等诸多学科为一体的新型交叉研究领域,目的是使用计算机技术来模拟、指导医学手术所涉及的各种过程。它在时间段上包括术前、术中、术后,在实现的目的上有手术计划制定、手术演习、手术教学、手术技能训练,术中引导手术、术后康复等。

在传统手术教学中,主刀医生是在自己的大脑中进行术前的手术模拟,以确定手术方案。作为结果,手术方案质量的高低,只能依赖于医生个体的外科临床经验与技能,很难被手术小组的其它成员及临床医学学生所共享。虚拟手术则利用各种医学影像数据,进行三维重建,在虚拟空间中实现三维手术模拟,以制订出较为完善的手术方案,且可供手术全体医生每一位成员共享[1],并应用于医学类院校医学教学当中。

临床医生的培训是一项投资大、时间长、且具有一定风险性的工作,在病人身上练习手术风险大且不可重复,在标本上练习则存在数量有限、成本昂贵的缺点。新疆石河子大学医学院第一附属医院构建了三维虚拟手术实验网络教学系统,较好的解决了手术实验解剖教学的问题,使临床医生可以在虚拟手术环境中,对计算机生成的人体器官反复进行手术模拟,研究手术方案,练习协同手术。该系统快速提升了对医学院的学生及低年资医生的培养水准,极大的缩短了医生培训周期,具有极高的实用价值。

一 虚拟手术实验系统的体系架构

我院是全国综合性“三级甲等医院”,拥有美国分会GE Hispeed NX/i多层螺旋CT、美国综合GE Signa T核磁共振仪(MRI)等高精尖诊断治疗仪器,为有效的利用现有医疗影像,结合影像特点,构建了本院的三维虚拟手术实验系统,医生可以方便快捷的将三维手术模拟和手术计划的资料输入到临床教学系统中,进行多媒体课件的制作及科研课题的学术交流等。图1为三维虚拟手术实验网络教学系统架构图。

虚拟手术实验网络教学系统采用分布式网络结构,可同时支持100个以上不同权限用户并发操作,能够将CT,MR,3D超声及其它医疗设备获得的DICOM (医学数字影像通讯)3.0文件或影像重建为多种影像格式(slice影像,MPR影像,曲面影像等等)。它支持3D医学模型的创建、存储、编辑、手术计划、手术模拟等功能,并可以方便的为网络中的师生提供观摩和实验操作。

Fig.1 Virtual Surgery network teaching system framework

二 系统功能

本系统利用医学影像数据,重建三维模型,通过三维手术交互操作来帮助医生及医学院校学生在计算机上模拟手术的过程、预测手术的效果,最终选择合理的手术方案。并可辅助观察者对靶区和周围组织进行分析和显示,可以准确地在确定靶区体的空间位置、大小、几何形状以及与周围生物组织之间的空间关系。它包括如下功能:

(1) 容积重建(VR):提供交互式的操作方式,医生可以自由的添加和去除各种组织,动态调整各种组织的透明度。

(2) 快速表面重建(SSD):依据所用的数据不同,根据组织的密度或组织的信号差别和空间位置,定义不同的重建目标,重建后的各个对象可以任意的组合、旋转、平移、切割等。

(3) 任意平面(曲面)重组(MPR,CPR):将多个连续的平面断层图像组成三维模型,再将模型沿冠状面、矢状面或者任意斜面甚至曲面断开,并形成新的断层图像。

(4) 虚拟内窥镜(Endoscopy):使用先进的分割、重建、显示和自动路径规划算法,使用医学影像数据,生成器官的3D内表面模型,模拟视频内窥镜的功能。

(5) 最大(小)密度投影(MIP):类似X线透视的效果,可以任意的选择角度进行观看,模拟出三维的效果。

(6) 手术模拟(Surgery):手术模拟是在SSD的功能基础上,可以让医生方便的对各种组织进行切割和组合,完整的实现手术过程的展示,过程中会给出精准的手术数据。

(7) 测量(Measure):系统提供方便的测量功能,可以测量距离、面积、容积和角度等。对于容积,系统会根据目标自动计算,也可以手工选取的面积进行复杂结构的容积计算。

系统同时提供师生在线交互功能,学生在观摩手术实验的同时,能够自行反复进行虚拟手术入路模拟,研究手术方案,练习协同手术,并将结果动态保存,反馈给老师,以便于教师根据学生情况提供不同指导,增强教学互动性,提高临床教学效果。

三 虚拟实验中的师生

1 虚拟手术实验中的学生

虚拟手术实验中的学生是虚拟实验活动的主体,根据手术的相关要求,选择手术器械、设计模拟手术方案、进行虚拟手术实验操作,观察每一步手术实验的现象、环节,分析实验过程数据,得出虚拟手术结果,确定真实手术的方案,并能做出手术评估,从而培养了医学学生的实验能力。在虚拟手术实验活动中,影响学生实验活动的因素是多方面的,有内部的和外部的因素、认知的和非认知的因素[2]。外部因素有:系统的真实还原性、稳定性、反馈环节、探索空间、教学组织形式等;内部因素有:学生的认知结构、学习动机、自我监控等。

在虚拟手术实验活动中,学生在自己的认知结构和对实验内容理解的基础上,明确手术实验的要求,设计模拟手术实验的方案,选择变量参数,实现自我调节和管理;系统则根据学生的实验活动过程予以反馈,并根据实际情况调整手术实验的任务,以便使学生更有效地进行实验。学生在虚拟实验过程中的行为结果借助外部反馈返回到认知系统中,以便学生调整实验参数,重新生成手术实验方案,通过这些过程的多次反复,最终获得与实验要求相匹配的实验结果。

虚拟手术实验成功与否,一方面取决于学生的认知活动,同时也取决于虚拟手术实验所提供的环境。这样有助于学生对虚拟实验环境持有正确的认识,有助于学生重视虚拟手术实验中的体验和手术过程,有助于促进虚拟手术与真实手术情境迁移的有效发生[3]。

2 虚拟手术实验中的教师

本网络教学系统的使用可以让教师从仪器设备的准备、设备的使用指导、实验演示等环节中解放出来。然而虚拟的手术并不能完全代替真实的手术,如果学生在虚拟手术实验中学习和经历的东西不能与实践相联系,就有可能将虚拟与真实之间的差距拉大。因此,教师要发挥的一个重要作用是提高学生对支持这些虚拟手术实验的概念、技术和原则意识,从而对自己所处的每个实验环节都有一个较直观的了解,在虚拟手术实验中,教师是组织者、指导者、帮助者、促进者。

在虚拟手术实验中,教师要帮助学生明确使用虚拟手术实验的目的,及在真实手术过程中应注重的关注点,以使学生在活动过程中进行有效的计划、观察和调控。同时教师可以针对学生的实际水平提出相应的实验要求,因材施教[4]。

虚拟实验系统的使用,是在训练学生掌握实验的基础理论、基本方法、基本技能的基础上,培养学生的实践与创新能力。学生通过实验与观察获取的感性认识和实验技能,通过探索与总结获得科学知识,通过应用与延伸使知识得到巩固和深化。教师应善于引导学生综合应用所掌握的知识进行必要的分析、类推或计算论证,以培养医学类学生解决实际问题的能力,延伸学生在知识与技能的深度和广度上的探索能力。

四 虚拟手术实验教学的相关结论

虚拟手术实验与真实手术相结合共同构成了较完整的实验教学体系,在一定程度上满足了医学实验教学发展的需要;虚拟手术实验网络系统的应用,提高了教学效率和教师的教学科研能力,促进教师业务知识的更新,使得医学实验教学手段和教学内容丰富多样;在虚拟手术实验中学生独立自主思考、主动参与的程度较高,有利于学生能动性的发挥;同时虚拟手术实验的应用,使原来枯燥无味的手术解剖课程变得生动形象,激发了学生的实验兴趣、拓宽了实验方法和设计思路,提高了知识的应用能力,为今后的医疗工作的创新能力的形成奠定了一定的基础。

此外,三维虚拟手术实验网络教学系统的应用,使虚拟手术实验辅助医学实验教学,打破了传统实验教学的束缚,很大程度上减少了实验设备和空间,节约了资金,改善了实验条件;虚拟手术与真实手术的有机结合,能有效的克服真实手术过程中盲目操作的现象,为真实的手术工作提供了良好的辅助工具。同时虚拟实验结果具有良好的可重现性及可逆性,允许学生对同一手术进行重复不同操作,增强了临床手术实际应用能力 [5]。

针对医学院实验教学中存在的诸多问题,我院引入三维虚拟手术实验网络教学系统,根据病人的放射影像资料的二维片,比如CT、核磁共振等成像设备采集来的信息源,通过网络中心服务器的智能处理,真实的还原成三维动态的医学影像资料,让临床医学系的学生通过网络做虚拟手术实验,模拟各种复杂的切割手术,尝试解决临床医学诊疗过程中遇到的真实的各种问题[6]。系统的交互性和快速响应足以保持学习者的兴趣,替代真实的医疗实验环境,同时可以为真正的实验做准备,是真实实验的有力支持。

参考文献

[1] 李曼.虚拟手术系统对实践教学的作用探讨[J].东南亚纵横,2007,3:72-73.

[2] 吴奇,程薇曦.虚拟现实技术在医学手术中的实现与应用[J].重庆医学,2008,21:2489-2492.

[3] 罗伟,李珊珊,田夫,罗胜涛.虚拟现实技术在医疗中的应用[J].中华医院管理杂志,2005,(12):837-838.

[4] 杨铁路.虚拟现实技术及其在现代医学中的应用[J].信息与控制,运输,2003,6:251-255.

[5] 廖滇梅,钱宗才.三维医学图像重建的方法与应用[J].现代电子技术,1997,3:41-42.

[6]高文.情境化学习与情境认知[J].教育发展研究,2001,8:30-35.