3D打印情景教學(xué)病例數(shù)據(jù)庫在神經(jīng)外科教學(xué)中的應(yīng)用

張 明，吳 媛，姚 麗，王睿智，常 建

西安交通大學(xué)第二附屬醫(yī)院：1 神經(jīng)外科；2 重癥醫(yī)學(xué)科；3 神經(jīng)內(nèi)科，西安 710004

2017年，國務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于深化醫(yī)教協(xié)同進(jìn)一步推進(jìn)醫(yī)學(xué)教育改革與發(fā)展的意見》[1]，對高素質(zhì)醫(yī)學(xué)人才培養(yǎng)提出了更高要求，其中重點強(qiáng)調(diào)要全面提升人才培養(yǎng)質(zhì)量，強(qiáng)化醫(yī)學(xué)生質(zhì)量短板的臨床能力培養(yǎng)。但由于醫(yī)療中患者的保護(hù)性原則及外科無菌等要求，學(xué)生不能直接獲取外科經(jīng)驗，這在神經(jīng)外科?？茖W(xué)習(xí)中表現(xiàn)尤為突出，尤其是顱底及顱頸交界區(qū)疾病，因同時涉及骨、血管等結(jié)構(gòu)，學(xué)生往往在短期學(xué)習(xí)中難以領(lǐng)會和掌握該區(qū)域疾病的特點。

典型病例數(shù)據(jù)庫是以病例為中心(case-based lea-rning，CBL)[2]的臨床教學(xué)方法，教師在其中扮演引導(dǎo)角色，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，著力培育學(xué)生獨立的臨床思辨能力[3]。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)極大地改善了臨床醫(yī)師對某些特定區(qū)域疾病的學(xué)習(xí)曲線[4-5]。西安交通大學(xué)第二附屬醫(yī)院神經(jīng)外科將3D打印技術(shù)、三維動畫模擬等與醫(yī)院PACS影像系統(tǒng)相互結(jié)合，應(yīng)用于顱底腫瘤、顱頸Chiari畸形等復(fù)雜疾病的診療中，建立了典型臨床病例庫，取得了良好效果。將該技術(shù)應(yīng)用于神經(jīng)外科臨床教學(xué)，明顯提高了學(xué)生及低年資住院醫(yī)師的學(xué)習(xí)興趣及教學(xué)效果，現(xiàn)報道如下。

1 對象與方法

1.1 典型病例數(shù)據(jù)庫的建立

根據(jù)神經(jīng)外科教學(xué)大綱要求，結(jié)合臨床教學(xué)實際，確定病例數(shù)據(jù)庫所需的主要疾病。神經(jīng)外科典型病例由具有豐富臨床帶教經(jīng)驗的主治醫(yī)師以上教師在臨床及教學(xué)實踐中選擇，制定采集病例內(nèi)容提綱，主要以問診及查體為主，并在高年資帶教醫(yī)師帶領(lǐng)下，按照采集提綱進(jìn)行病史采集、查體并詳細(xì)記錄，完成大病歷；對于典型特點的臨床癥狀，在患者及家屬允許并知情同意下，采集相關(guān)照片；對于有典型特點的臨床體征可進(jìn)行錄像予以保存。所有患者入院后均在西安交通大學(xué)第二附屬醫(yī)院影像科進(jìn)行薄層CT及MRI掃描，均采取仰面平臥位，掃描完整顱底及顱頸交界區(qū)，利用影像工作站的PACS系統(tǒng)，將CT及MRI影像資料存為DICOM格式，在工作站導(dǎo)出數(shù)據(jù)并進(jìn)行三維重建。

1.2 3D打印制作等比模型

采取區(qū)域剪切及濾波法對DICOM格式的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行二維預(yù)處理，通過切片插值、圖像分割及切片重組的方法對圖像進(jìn)行三維預(yù)處理，采用移動立方體法建立三維模型，并通過三維物體表面法向量顯示三維模型。根據(jù)材料累加概念及疊層制造方法，將目標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機(jī)，依據(jù)目標(biāo)物體的CAD模型數(shù)據(jù)，通過數(shù)字化成型技術(shù)將材料精準(zhǔn)堆積并制造等大目標(biāo)物體，全自動化電腦系統(tǒng)可快速將目標(biāo)物體轉(zhuǎn)化為物理實驗?zāi)Ｐ?，進(jìn)一步在3D打印機(jī)上直接制造出與原物體外形、結(jié)構(gòu)相同的、具有復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的3D模型。圖1所示就是利用該技術(shù)在術(shù)前打印出比例、大小相等、解剖細(xì)節(jié)清晰的全顱底及顱頸交界區(qū)3D模型。

圖1 一例顱頸交界區(qū)畸形患者術(shù)前CT薄層掃描、三維重建、3D打印實物對比

1.3 教學(xué)對象及教學(xué)方式

1.3.1教學(xué)對象選擇2017年1月—12月在神經(jīng)外科進(jìn)行規(guī)范化培訓(xùn)的住院醫(yī)師共40人為教學(xué)對象，隨機(jī)分為3D打印情景教學(xué)組22人和傳統(tǒng)教學(xué)組18人。兩組醫(yī)師在年齡、性別、課程內(nèi)容等方面無統(tǒng)計學(xué)差異，帶教教師均為具有教學(xué)資格的神經(jīng)外科高年資教師。

1.3.2教學(xué)方式

·傳統(tǒng)教學(xué)組傳統(tǒng)教學(xué)組以教師為主導(dǎo)，采用小課講授結(jié)合臨床教學(xué)查房方式進(jìn)行，授課教師及教學(xué)組長根據(jù)教學(xué)大綱要求選擇具有教學(xué)意義的臨床病例，提前制作教案及多媒體課件，單次小課授課時間為4個學(xué)時，前3個學(xué)時在多媒體示教室內(nèi)以投影展示多媒體課件，同時，結(jié)合知識點以教師講解為主，最后1個學(xué)時選擇典型臨床病例進(jìn)行教學(xué)查房。

·3D打印情景教學(xué)組①3D打印情景教學(xué)組根據(jù)教學(xué)內(nèi)容在典型病例數(shù)據(jù)庫中檢索具有完整內(nèi)容的典型病例，由學(xué)生對典型病例的病史、神經(jīng)系統(tǒng)陽性體征等進(jìn)行總結(jié)、分析，根據(jù)典型病例患者術(shù)前實驗室檢查、影像學(xué)結(jié)果等進(jìn)行影像閱片，小組討論診斷、鑒別診斷、病變位置、大小、形態(tài)等，初步擬定手術(shù)方式。②制作并利用3D打印模型進(jìn)行手術(shù)入路的模擬、方向方位的觀察，并結(jié)合影像學(xué)資料進(jìn)行病變及其周圍結(jié)構(gòu)變化的討論，形成三維立體化臨床思維[6]。利用典型病例進(jìn)行3D打印的模型，學(xué)生可直觀了解顱底、顱頸交界區(qū)等模型制作區(qū)域的解剖結(jié)構(gòu)[7]，并比對影像學(xué)的矢狀位、冠狀位及水平位等，小組討論并進(jìn)行病變區(qū)域的三維立體定位，提出手術(shù)可能的入路選擇，討論術(shù)中步驟及過程，例如：需進(jìn)行內(nèi)固定，如何選擇合適的位置及方向，明確病變周圍神經(jīng)、血管、腦脊髓組織分布及潛在風(fēng)險。③教學(xué)階段結(jié)束后，由教學(xué)組長根據(jù)教學(xué)大綱劃定病種，再次從典型病例庫中抽取一定數(shù)量的病例，學(xué)生提出問題，帶教教師進(jìn)行適時引導(dǎo)、糾正及點評。

1.4 教學(xué)效果評價

臨床教學(xué)結(jié)束時，教學(xué)組長根據(jù)神經(jīng)外科住院醫(yī)師規(guī)范化培訓(xùn)大綱中的內(nèi)容，對所有教學(xué)對象進(jìn)行臨床理論和臨床實踐技能考核。臨床理論考核內(nèi)容包括神經(jīng)外科典型疾病的臨床癥狀、影像學(xué)特點及圍手術(shù)期處理等，臨床實踐技能考核包括典型病例的診斷及鑒別診斷、影像閱片及手術(shù)入路選擇等。另外，在出科前對3D打印情景教學(xué)組進(jìn)行不記名問卷調(diào)查，調(diào)查內(nèi)容包括：對情景教學(xué)方式滿意度、增加學(xué)習(xí)興趣程度、提高空間思維能力滿意度以及能否提高對臨床知識的理解等[8]。

1.5 統(tǒng)計學(xué)分析

2 結(jié)果

傳統(tǒng)教學(xué)組的性別、年齡與3D打印情景教學(xué)組比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)；兩組醫(yī)師的臨床理論、臨床實踐技能考核組間比較，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，3D打印情景教學(xué)組的考核成績明顯優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)組(如表1所示)。

表1 傳統(tǒng)教學(xué)組與3D打印情景教學(xué)組一般資料及考核情況

3D打印情景教學(xué)組不記名問卷調(diào)查結(jié)果表明，大多數(shù)學(xué)生認(rèn)為3D打印情景教學(xué)模式可有效提高自身的空間思維能力，有助于培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣。具體調(diào)查結(jié)果(如表2所示)。

表2 3D打印情景教學(xué)組問卷調(diào)查(n=22)n(%)

調(diào)查問卷內(nèi)容 滿意一般不滿意對該組教學(xué)方式的滿意度19(86.36)3(13.64)0(0.00)提高空間思維能力21(95.45)1(4.55)0(0.00)增加學(xué)習(xí)興趣17(77.27)4(18.18)1(4.55)加深臨床理論理解16(72.73)4(18.18)2(9.09)

3 討論

3.1 傳統(tǒng)教學(xué)模式的弊端

傳統(tǒng)臨床醫(yī)學(xué)教學(xué)中以大課講解、小課見習(xí)為主，學(xué)生多接觸的是PPT、影像閱片、臨床教學(xué)查房，而缺乏對具體外科疾病的理解與認(rèn)識，在學(xué)習(xí)中主動性較差，課堂內(nèi)容也顯得抽象和枯燥。例如：在神經(jīng)外科顱腦腫瘤一章進(jìn)行授課時，常規(guī)講解的是流行病學(xué)、臨床特點、專科查體檢查、鑒別診斷、實驗室檢查、影像學(xué)分析、手術(shù)方式等，這種教學(xué)模式易使學(xué)生失去學(xué)習(xí)興趣，甚至對該學(xué)科產(chǎn)生厭倦。雖然，目前有的醫(yī)學(xué)院引入了問題導(dǎo)向式學(xué)習(xí)(problem-based learning，PBL)教學(xué)模式[9]，改善了“以教為主”的教師主導(dǎo)性學(xué)習(xí)模式，在臨床診療思維訓(xùn)練中起到了積極引導(dǎo)作用，但學(xué)生在接觸神經(jīng)外科?？萍膊r仍因三維立體思維欠缺等原因?qū)е略谂R床學(xué)習(xí)時，觀察疾病影像學(xué)表現(xiàn)與病變具體定位脫離，而此時如輔助以3D打印模型、影像三維動畫、典型體征及手術(shù)視頻等情景教學(xué)，學(xué)生勢必饒有興致，可大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有利于培養(yǎng)學(xué)生在臨床診治時的發(fā)散思維及橫向、縱向全面思維，并及時更新醫(yī)學(xué)知識及理念。

3.2 3D打印情景教學(xué)典型病例庫在神經(jīng)外科?？茖W(xué)習(xí)中的作用

典型病例數(shù)據(jù)庫的建立采用動態(tài)開放式模式，要求帶教教師在臨床工作中進(jìn)行篩選、收集適當(dāng)病例，并做好患者及家屬的知情同意，經(jīng)科內(nèi)教改小組每3～4個月進(jìn)行討論，根據(jù)教學(xué)反饋去除不合規(guī)或差評病例，增加新的合適病例，最后形成病種齊全、分類合理、臨床資料詳實并滿足臨床教學(xué)需求的典型病例數(shù)據(jù)庫。這樣不僅有效提高青年教師的教學(xué)意識、教學(xué)規(guī)范，而且還能提高本科室的規(guī)范化診療水平，有助于青年醫(yī)師教師隊伍的成長。例如：在Chairi畸形患者的臨床情景教學(xué)中，采用視頻資料展現(xiàn)患者的體格檢查情況，使學(xué)生第一視角獲得臨床病例信息，對比學(xué)生既往在同一病種病史采集以及神經(jīng)系統(tǒng)查體中可能出現(xiàn)的遺漏或不規(guī)范問題，及時發(fā)現(xiàn)問題，學(xué)生通過獨立查詢文獻(xiàn)、歸納總結(jié)、積極發(fā)言等，鍛煉自身的自主學(xué)習(xí)能力和互動溝通能力。

隨著3D打印技術(shù)、醫(yī)學(xué)影像、計算機(jī)輔助制造以及快速成型等高新技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展成熟和進(jìn)步，該院神經(jīng)外科在此基礎(chǔ)上建立獨特的數(shù)字化神經(jīng)外科手術(shù)新方法，并將其應(yīng)用于臨床，大大提高了神經(jīng)外科手術(shù)的精確性和安全性。在臨床情景教學(xué)中引入3D打印模型，通過前期對神經(jīng)外科疾病病史、查體及影像學(xué)學(xué)習(xí)和總結(jié)后，利用1∶1等比3D打印模型重新建立供學(xué)生在課堂中使用的情景診療模式。3D打印模型具有物理學(xué)韌度，在神經(jīng)外科顯微訓(xùn)練平臺中可供學(xué)生進(jìn)行手術(shù)模擬操作，可有效提高學(xué)生對手術(shù)的興趣以及對立體空間結(jié)構(gòu)的理解。通過術(shù)前對手術(shù)步驟的模擬訓(xùn)練，在術(shù)中更為直觀地理解手術(shù)過程，了解局部解剖結(jié)構(gòu)及空間定位。通過課程講解、模擬訓(xùn)練及手術(shù)觀摩、助手參與等學(xué)習(xí)過程，再次通過典型病例進(jìn)行回顧性分析、總結(jié)[7]，利用3D打印模型進(jìn)行小組間的討論病例解剖結(jié)構(gòu)、術(shù)中遇到的問題等方式，提高對顱底及顱頸交界區(qū)疾病的認(rèn)知[6]，以實現(xiàn)從書本概念到臨床實踐的跨越[10]。

3.3 3D打印情景教學(xué)病例數(shù)據(jù)庫在臨床?？漆t(yī)師培養(yǎng)中的啟示

現(xiàn)代神經(jīng)外科亞專業(yè)分類越來越精細(xì)，顯微神經(jīng)外科輔助設(shè)備快速發(fā)展，隨著現(xiàn)代外科對病患的保護(hù)、無菌等要求越來越高，低年資住院醫(yī)師在外科手術(shù)中的訓(xùn)練機(jī)會卻越來越少[11]。因此，建立以3D打印為基礎(chǔ)的典型病例數(shù)據(jù)庫顯得尤為重要。典型病例數(shù)據(jù)庫不僅能夠提供情景教學(xué)所需要的病例資料，如病史、體格檢查、影像學(xué)閱片，而且能通過MIMICS軟件實現(xiàn)顱底及顱頸交界區(qū)骨質(zhì)、血管等三維重建，用SO-LIDWORK軟件實現(xiàn)模擬局部內(nèi)固定，將教學(xué)方法數(shù)字化，建立3D打印數(shù)字化模型，結(jié)合影像學(xué)三維動畫供學(xué)生直觀感受病變位置、范圍、手術(shù)方式，并鼓勵學(xué)生進(jìn)行小組間的相互討論，提高學(xué)習(xí)積極性，通過反復(fù)模擬手術(shù)訓(xùn)練并改進(jìn)術(shù)中可能遇到的難題，以獲得傳統(tǒng)教學(xué)無法獲得的寶貴經(jīng)驗。學(xué)生通過視頻、等比大小3D打印模型實物等將原先二維影像重新在實際操作中建立為三維影像，獲得最大量的手術(shù)信息[12]。模擬手術(shù)訓(xùn)練既需要包含局部解剖學(xué)細(xì)節(jié)，還應(yīng)便于在計算工作站中進(jìn)行目標(biāo)物的制作[13]。而3D打印技術(shù)將模擬訓(xùn)練變?yōu)榛诂F(xiàn)實等比模型的手術(shù)訓(xùn)練，不同組織器官可通過不同3D打印機(jī)進(jìn)行打印，同時，可構(gòu)建個體化的3D打印模型，依據(jù)材料的不同而具有不同的觸覺感受。

綜上所述，基于3D打印技術(shù)輔助的典型神經(jīng)外科病例數(shù)據(jù)庫在臨床情景教學(xué)中的應(yīng)用可極大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及學(xué)習(xí)效率，較好地培養(yǎng)學(xué)生的三維立體理念，并結(jié)合臨床影像學(xué)較快領(lǐng)會顱底及顱頸交界區(qū)病變位置、形態(tài)、入路選擇等，同時，可激發(fā)教師的積極性及投入性，對教學(xué)效果產(chǎn)生積極影響。因此，基于3D打印的典型病例數(shù)據(jù)庫情景式教學(xué)模式值得在臨床教學(xué)中推廣、應(yīng)用，激發(fā)并形成學(xué)生在此開放式平臺過程中的交互式學(xué)習(xí)、探索式學(xué)習(xí)及合作式學(xué)習(xí)新概念[14]。