虚拟现实技术结合3D打印模型在脊柱外科解剖教学中的应用

虚拟现实技术结合3D打印模型在脊柱外科解剖教学中的应用

聂虎，白建中，程嘉伟，牛国旗*

蚌埠医学院第二附属医院骨科；蚌埠医学院数字骨科重点实验室 安徽省蚌埠市淮上区龙华路633号  安徽蚌埠233000

【摘要】 目的：虚拟现实技术的沉浸式体验及3D打印模型的直观性可大大提高互动效果，为临床教学提供了新的带教手段。本研究拟将VR技术与3D打印模型用于脊柱外科解剖教学中，探讨教学效果。方法：选取2020年12月至2022年6月在脊柱外科实习的本科生66名，按照数字表法分为两组，每组各33人，分为VR实验组和传统对照组。VR实验组在理论学习阶段采用多媒体教学结合3D模型、VR设备及操作软件辅助教学，手术示教阶段采用3D模型模拟演练；传统对照组采用常规多媒体教学配合骨骼模型的模式。课后进行理论知识考核、实践能力检测及满意度调查，评估教学效果。结果：VR实验组平均理论成绩为84.3±2.6分，显著高于传统对照组的75.2±3.4分，（p＜0.01）；实践能力方面，VR实验组各项得分：阅读能力、解剖辨识能力、诊断定位能力及疾病处置能力显著高于传统对照组的各项得分，（p＜0.01）；VR实验组教学满意度显著高于传统对照组，（p＜0.05）。结论：VR技术与3D模型相结合的教学模式相比传统教学模式更有优势，能够进一步提升脊柱外科临床教学质量，推动脊柱外科临床教学的发展。

【关键词】 虚拟现实技术；3D打印；脊柱外科；临床教学

基金项目：蚌埠医学院2020年校级质量工程项目（2020fyjyxm31）；蚌埠医学院数字骨科技术研发与应用创新团队(项目编号: BYKC201911)；数字骨科重点实验室

Application of virtual reality technology combined with 3D printing model in spinal anatomy teaching

NieHu,BaiJianzhong,ChengJiawei,Niu Guoqi*

Department of Orthopedics, the Second Affiliated Hospital of Bengbu Medical College

Key Laboratory of Digital Orthopedics, Bengbu Medical College

Bengbu City, Anhui Province 233000

[Abstract]Objective: The intuitiveness of 3D printing model and the immersive experience of virtual reality technology can greatly improve the interactive effect, and provide a new teaching method for clinical teaching. This study intends to use 3D printing model and VR technology in the teaching of spinal surgery anatomy to explore the teaching effect. Methods: A total of 66 undergraduate students practicing in spinal surgery from December 2020 to June 2022 were selected and pided into two groups according to the number table method, with 33 students in each group, and pided into VR experimental group and traditional control group. In the VR experimental group, multimedia teaching combined with 3D model, VR equipment and operating software was used to assist teaching in the theoretical learning stage, and 3D model simulation drill was used in the surgical teaching stage. In the traditional control group, conventional multimedia teaching and bone model were used. After class, theoretical knowledge examination, practical ability test and satisfaction survey were conducted to evaluate the teaching effect. Results: The average theoretical score of VR experimental group was 84.3

±2.6 points, which was significantly higher than that of traditional control group (75.2±3.4 points, p < 0.01). In terms of practical ability, the scores of reading ability, anatomical identification ability, diagnosis and location ability and disease management ability of VR experimental group were significantly higher than those of traditional control group (p < 0.01). The teaching satisfaction of VR experimental group was significantly higher than that of traditional control group (p < 0.05). Conclusion: The teaching model combined with VR technology and 3D model has more advantages than the traditional teaching model, which can further improve the quality of clinical teaching of spinal surgery and promote the development of clinical teaching of spinal surgery.

【 Key words 】Virtual reality technology; 3 d printing; Spinal surgery; Clinical teaching

引言

近年来快速发展的虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）是利用计算机模拟产生一个虚实结合的三维空间，如同身临其境一般，可360°的观看空间内的事物，具有沉浸性、可构想、可交互的特点。近年来，随着科技的进步与学科交叉融合发展，VR技术在医疗方面的应用越来越广泛，已逐步进入到临床培训、辅助教学、手术教学之中[1]。特别是在临床教学方面，结合了VR技术，使得传统的临床医学教育模式脱胎换骨，学生能够以一种身临其境的方式学习相关知识，无论是人体解剖还是临床技能，都能在VR中学习。这种新颖的教学方式，深化了学生的参与体验，可激发学生的主观能动性和学习创造性，使学生产生浓厚的学习兴趣，由以往的被动式学习体验升级为主动求知探索，进一步强化学生综合思考和解决问题的能力。

3D打印技术（3D printing）是机械工程、计算机技术、视觉技术以及制造业科学等技术的集成，它能将现有的、虚拟的或臆想设计的形态化物体转化为实质性物件，可整体可零件，几乎可以制造任何造型各异、形态复杂的物件，将以往的制作工艺由减材制造转换为增材制造。相关的医学文献最早见于1987年Bannister运用3D打印技术辅助脑外科术前手术设计与规划[2]。经过多年的发展与深入应用，该技术已逐步进入到医疗行业的多个领域，实现了多门外科学手术治疗精准化、个体化的突破。目前该技术在医疗领域飞速的普及和推广，特别是在骨科等领域，如脊柱外科、骨肿瘤外科、关节外科等，同时衍生出的3D打印模型，也越来越多的应用到解剖教学中，使教学模式发生了显著的变革[3]。

目前医疗教育相关的VR产品和服务也不断增多，3D打印模型的精细度也更加精细化，随着VR技术的发展，未来医疗教育模式也将呈现新的面貌。在神经外科、口腔科、心血管外科、耳鼻喉科等学科的教学中，已有报道应用3D打印模型进行临床教学并收获了满意的教学效果[4]。现阶段VR技术结合3D打印模型用于脊柱外科教学中的应用报道较少，本研究拟采用VR技术结合3D打印模型应用于临床教学中，探讨该教学模式的应用效果。

1研究设计

选取蚌埠医学院66名在校生为研究对象，按照随机数字表法分VR实验组和传统对照组各33名，观察不同教学模式教学对学生理论知识掌握及实践能力的影响。设置传统对照组接受多媒体教学配合人体骨骼模型的模式，VR实验组在理论学习阶段采用多媒体教学结合3D模型、VR设备及操作软件辅助教学，手术示教阶段采用3D模型模拟演练。在教学前，两组学生的年龄、入科学习成绩及性别均无显著性差异。

2研究方法

在教学过程中，所有带教工作均由两名高年资长期从事临床带教的主治医师进行，两组学生授课的地点、时间均相同，选取“椎间盘突出症”为教学内容，均为2学时教学时长，以此评价不同教学模式下学生的课后学习成绩及满意度。

2.1传统对照组研究方法

采用常规多媒体课件的教学方法进行授课（即本科生常规实习教学法），教具选用第九版《外科学》教材，内容为“椎间盘突出症”相关章节。结合幻灯片课件对教学内容进行讲解，通过人体骨骼模型学习脊柱解剖相关知识点及相对应的结构、功能。

2.2VR实验组研究方法

首先构建3D模型，借助计算机断层扫描(CT)所获的不同个体图像数据，并且转存为DICOM数据格式，然后图像处理、数据重建，辅以计算机辅助设计（CAD）软件，最后再将CAD信息转换成3D文件格式，发送到3D打印机开始个性化的脊柱模型的制造，制造出的模型不仅包括正常脊柱模型，还可以是单独椎体、部分椎体、单一颈、胸、腰椎节段椎体，甚至可以是不同水平的矢状位、横断位、冠状位模型。

2.3教学步骤

2.3.1教师选题：选择典型的临床常见腰椎退变性疾病病例：腰椎间盘突出症。做好授课前期的准备工作：患者个体资料、病史信息及影像学资料，设计教学思路，要求循序渐进，由浅入深，具有逻辑性。如：如何诊断腰椎间盘突出症？体格检查要点？首选检查方式？鉴别诊断？初步治疗方案？如何进行二级预防？

2.3.2学生准备：根据教学大纲，知悉此次教学的目的、要求及学习方案，鼓励学生通过预习、查阅资料，明确教学大纲，最好能够提出1-2个问题以备讨论，从而激发学习兴趣。

2.3.3课堂教学：传统对照组结合教学大纲进行多媒体示教，骨骼模型展示，对典型腰椎间盘突出症病例的特殊症状、代表性体征、独特的影像学资料进行分析讨论，通过相关症状、体征预测疾病严重程度，然后结合影像学资料证实该疾病，使学生加深对该类疾病的认知，最后综合几种临床常见的腰腿痛病例，进行诊断鉴别。VR实验组增加虚拟现实技术辅助教学、构建CT数据模型并等比例打印3D模型，利用该模型向学生讲授腰椎椎体、神经血管解剖，脊髓及神经根生理功能。学生可使用VR设备，直观、真实、沉浸式的360°体验腰椎椎体模型，可形象的感受椎体的主体及附件形态特征、局部构造。3D模型可从横断面、矢状位、冠状位观看，从而实现360°的直观的感受椎间盘突出后对后方脊髓、神经根等的压迫，使复杂枯燥的学习过程更富有活力。然后自主设计问题，解决问题，并在课后进行问卷调查。教师在教学过程中需注意对学生问题进行引导，避免偏离主题，以充分发动学生自主解决问题的能力，调动学生的积极性，使学习的主体转归为学生，见图1。

图1模型展示及VR辅助教学、模型讲解

2.3.4教师总结：针对教学内容的重点、难点进行梳理、总结，典型病例分析、汇总，强调诊、治、预防的关键步骤，针对该疾病，联系国内外治疗进展，拓展知识面。

2.4评价指标

课后进行理论试卷测验、实践能力评估及满意度调查，比较两组学生知识掌握能力、实践能力及满意度之间的差异。采用试卷答题的模式进行理论考试，主要为名词解释、选择题及简答题三部分，卷面分值100分，时间45分钟，内容涵盖脊柱解剖及腰椎间盘突出诊疗相关方面。实践技能考核在示教室中考核,，主要考察学生影像阅片能力，脊柱解剖结构辨识能力，疾病诊疗及患病节段定位能力，接诊腰椎间盘突出病患者预判等能力及处置方案等，每项25分，满分100分。对教学满意度进行调查问卷的形式，包含教学方式、学习兴趣、能力提升自我评价等。

2.5统计分析

对学生成绩的数据分析均采用以下统计学方法：数据采用Graphpad prism 9软件进行统计分析，计量资料用均数±标准差（x±s）表示，行独立样本t检验，计数资料采用χ2检验，P<0.05 被认为具有统计学意义。

3结果

在教学开始之前，两组学生对椎间盘突出疾病理论知识和实践能力的水平基本相同，且差异无统计学意义。培训结束后，VR实验组理论知识考核得分为84.3±2.6分，传统对照组理论知识考核得分为75.2±3.4分，两组得分有统计学差异，p＜0.01。实践能力方面：VR实验组阅片能力20.9±1.4分，传统对照组18.9±1.5分，差异有统计学意义，p＜0.01。VR实验组解剖辨识能力21.1±1.5分，传统对照组19.2±1.9分，差异有统计学意义，p＜0.01。VR实验组诊断定位能力21.4±1.4分，传统对照组18.3±2.1分，差异有统计学意义，p＜0.01。VR实验组疾病处置能力20.7±1.7分，传统对照组18.4±1.9分，差异有统计学意义，p＜0.01。具体情况见表1：

教学结束后，两组学生对腰间盘突出的理论知识和实践技能掌握水平已有显著差异，VR实验组成绩明显优于传统对照组。同时，我们采用柱状图可更加直观的表明VR实验组与传统教学组教学效果的差异，见图2。

图2 两组学生实践能力与理论知识水平

课后对两组学生进行满意度统计，VR实验组教学方式满意度为81.8%，传统教学组教学方式满意度为54.5%；VR实验组学习兴趣满意度为90.9%，传统教学组学习兴趣满意度为66.7%；VR实验组提高空间思维能力满意度为93.9%，传统教学组提高空间思维能力满意度为60.6%；VR实验组独立思考满意度为90.9%，传统教学组独立思考满意度为60.6%；VR实验组加深临床思维理解满意度为90.9%，传统教学组加深临床思维理解满意度为57.6%。具体见表2。两组学生满意度数据有统计学差异（P＜0.05），采用柱状图可更加简洁的体现各组之间的差异，见图3。

图3两组学生满意度对比

4讨论

脊柱外科因其解剖结构复杂，理解学习难度较大，通过教科书无法短时间内完全掌握解剖结构，同时因脊柱标本需求较高、接触较少，临床上很少有实习生可以对脊柱外科产生浓厚的兴趣[5.6]。传统的教学方法，学生想要通过肉眼直视下了解脊柱的解剖结构只有两组方式，一种是参与临床手术，由于脊柱位置较深，以及学生在手术台上站位、视野等影响，学生无法直观全面的观看学习脊柱脊髓的解剖结构。另一种是参加解剖课程，解剖课程上会有部分尸体标本可供学生学习，由于上课时长有限，脊柱标本损耗，学生也无法更加深入的学习。国外学者Clifton曾经指出：解剖知识是外科医学教育的一项重要内容，通常是在现场手术经验中教授的。但由于医疗环境、手术条件、医疗安全等的种种限制，这使得学习者直接参与的机会大大减少。通过尸体解剖课程和外科技能教学等辅助教育可补充初级医师的认知参与，可提高其手术数量程度及手术操作的信心，但由于尸体标本的限制及资源的不断减少，使用模型已经成为趋势[7]。为了使学生更轻易的理解和掌握脊柱脊髓的解剖结构，同时提高学生上课时的积极性，将3D打印模型与VR技术用于脊柱外科解剖教学中，使得枯燥无味的解剖知识变得生动，便于实习生的理解和记忆，有利于激发学生的主观能动性和学习创造性[8]。

学习脊柱外科需要学生具有良好的理论知识和空间想象力，同时要求学生将理论和临床相结合[9]，强化医学实践过程中理论与实践、微观与宏观、影像与临床、解剖与整体之间的有机联系。相比于以往的传统教学，学生通过枯燥的文字及简单的二维图像来获取知识，缺乏提升学习兴趣的立体图像及实际操作。早期X线图片仅仅是一幅二维平面影像，后期出现的CT影像虽可进行三维重建影像，无法自定义骨骼三维图像的自由转换。VR 技术辅助教学可以重建三维立体图像，帮助学生更直观的学习脊柱解剖[10]，同时学生也可以通过VR的操作模拟器体验手术过程，深化了学生的参与体验，使枯燥的临床学习更加互动、沉浸、灵活，可激发学生的主观能动性和学习创造性，使学生产生浓厚的学习兴趣，由以往的被动式学习体验升级为主动求知探索，提高学生的综合素质和能力，进一步强化学生综合思考和解决问题的能力[11]。

VR设备在不断的开发和进步，目前可以在虚拟现实中练习一些手术操作，学生全程以术者的角度根据提示完成手术，增加了参与感，感知了操作步骤，可以无阻碍、多角度的转换视角，解决了传统解剖课程中尸体标本不足和损耗的问题。现阶段，关于VR技术应用于脊柱外科临床带教的教学研究较少，为此，我们设想VR辅助教学理应获得更好的教学效果，故将传统方法和VR辅助教学两种方法的教学效果进行对比。结果显示，VR辅助教学方法更有优势，较以往传统的临床教学更容易让学生产生学习兴趣，尤其是学生对理论知识的掌握、实践能力的提升更有优势，且教学满意度更高，充分挖掘了学生的主观能动性和学习创造性，充分调动了学生的探索热情和学习兴趣。

VR技术应用过程中仍有一些不足之处，第一，学生在使用VR设备的时候整个人是沉浸在虚拟空间内，学生也全身心的投入到学习中，因此缺乏了和其他同学、老师的交流和互动，使用VR设备后每个学生看到的视野角度不同，缺少老师的干涉，教学效果有限。第二，学生在VR设备中虽然可以模拟手术，但是无法带来触感，学生只是拿着传感器对着空气进行操作不清楚真实手术中需要多大的力量。同时VR软件还不够成熟，虚拟手术操作只能够按照软件规定的程序进行，无法进行其他操作，不能将某一部位切开单独学习。为了解决这些问题，我们更进一步的将3D打印技术应用于VR教学中。

依国外学者Ribeiro报道[12]，最初的3D打印技术设计于1986年，在30余年的发展中，将辅助制造（additive manufacturing，AM）和快速成型（Rapid Prototyping，RP）技术提升到了新的高度。3D打印也属于机械制造的一种，但是与传统的制造业不同。以往的制造工业制作复杂物件时采用的是减材制造或脱模制作，需要模型灌注或是数控剪裁；而3D打印却是一种增材制造工艺，它依托数据信息进行逐层叠加，材料具有多样性，可添加金属颗粒、塑料树脂、陶瓷粉末聚合物等材料来创建实体三维结构

[13.14]。

人体中，脊柱椎体最为复杂、结构最为多变，但3D打印可以不同比例复刻复杂物件、个体化物体的优势，借助这一特点，该项技术非常适用于脊柱模型的打印，且可以根据需求打印不同比例、不同部位、不同层面的脊柱标本，解决了模型数量的问题，又因为其价格较低，解决了模型的损耗问题。同时，3D打印和VR技术的强强结合，完美解决了以往教学过程中单调乏味的教学体验向三维立体、互动沉浸的新颖教学模式的转变。虽然3D打印模型相较于尸体模型缺乏仿真感，并不能完全代替尸体解剖研究，但随着3D打印材料的不断丰富、仿真皮肤肌肉材料的不断进步，VR设备清晰度的不断提高、技术软件系统的深层次开发，我们有理由相信，这一技术组合在不久的将来一定会具有非常广阔的应用前景。

5结论

在脊柱外科临床教学中引进VR技术、3D打印技术是一种较为新颖的教学方法，可显著激发学生的学习兴趣、调动学生的探索欲望、提升学生的实践能力，能够弥补传统教学模式的不足，适合在临床教学中推广。但值得一提的是，目前仍存在不足之处：如长时间佩戴VR设备会产生用眼疲劳，设备造价昂贵，相关软件资源缺乏等，这些问题还有待进一步的完善、丰富、改进。

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