骨科教學(xué)中計(jì)算機(jī)仿真的運(yùn)用

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盡管通過多媒體手段如手術(shù)視頻等能夠較好地解決這一問題，但是對(duì)于將來可能從事臨床工作的醫(yī)學(xué)生而言，更好的方法是讓他們參與手術(shù)之前的規(guī)劃和設(shè)計(jì)過程。在仿真的環(huán)境中，讓學(xué)生模擬醫(yī)生的角色，進(jìn)行互動(dòng)。這種沉浸式的方法已經(jīng)越來越受到學(xué)生的歡迎。一些大的公司如強(qiáng)生等也紛紛建立了自己的臨床技能學(xué)習(xí)中心，對(duì)內(nèi)窺鏡等技術(shù)的教學(xué)取得了滿意的效果。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(virtualreality，VR)的快速發(fā)展及其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用［5-9］，在教學(xué)過程中仿真模型可以清楚地顯示人體的空間結(jié)構(gòu)和毗鄰關(guān)系，方位感、層次感強(qiáng)，大大降低了學(xué)習(xí)的難度，提高了學(xué)習(xí)效率。學(xué)生可以從不同的角度、不同的層次去觀察人體結(jié)構(gòu)，理解各種骨科疾病的發(fā)病機(jī)制、病理過程、臨床表現(xiàn)及一些搶救過程。將一些難以想象的空間結(jié)構(gòu)、難以理解的毗鄰關(guān)系以及難以口頭描述、難以肉眼觀察到的動(dòng)態(tài)病理過程實(shí)現(xiàn)了方便、生動(dòng)、形象的模擬。這種教學(xué)方法充分的讓“以教師為中心”的教學(xué)方法轉(zhuǎn)變成了“以學(xué)生為中心”，順應(yīng)了當(dāng)前教學(xué)的改革方向。

按照外科學(xué)教學(xué)大綱的要求，在臨床骨科教學(xué)中，骨折的類型和發(fā)生機(jī)制是骨科損傷疾病的教學(xué)重點(diǎn)。在傳統(tǒng)的教學(xué)環(huán)節(jié)中，這部分僅僅通過課本上的模式圖或典型的X線片來進(jìn)行說明，學(xué)生在認(rèn)知過程中缺乏對(duì)立體形象和發(fā)病機(jī)制的了解，僅僅掌握了一些概念性的名詞術(shù)語。我們科室通過采集正常人體不同部位的CT斷層影像，運(yùn)用逆向工程與有限元的基本概念和理論，采用醫(yī)學(xué)專用的建模軟件Mimics讀取原始的股骨CT圖片的DICOM格式，利用閾值分割算法完成股骨的圖像分割，并利用面繪制算法對(duì)股骨及其內(nèi)部的髓腔進(jìn)行三維仿真，然后根據(jù)股骨髓腔幾何解剖狀態(tài)應(yīng)用CAD軟件設(shè)計(jì)個(gè)性股骨假體(圖1)。在骨折這一內(nèi)容的教學(xué)設(shè)計(jì)中，我們還結(jié)合Mimics軟件自帶的有限元分析模塊，計(jì)算模擬出不同應(yīng)力狀態(tài)下骨骼的受力情況，利用不同的顏色分布，直觀地顯示出各個(gè)部位的受力分布，對(duì)其中的受力情況進(jìn)行分析，幫助學(xué)生理解臨床椎體壓縮性骨折最易發(fā)生部位背后所涉及的力學(xué)機(jī)制(圖2)，進(jìn)一步讓學(xué)生了解骨折的外科治療。另外，還可以利用Mimics基于灰度值賦材質(zhì)，實(shí)現(xiàn)股骨有限元模型材料正確的非均勻及各向異性描述，模擬假體材料置換后股骨的應(yīng)力情況。我們還結(jié)合科室課題研究，對(duì)諸如脊柱壓縮性骨折的骨水泥治療等對(duì)椎體的生物力學(xué)改善進(jìn)行了延伸。通過這些方法，學(xué)生不僅學(xué)習(xí)了臨床的骨科治療方法，更為實(shí)際臨床工作奠定了基礎(chǔ)。

通過實(shí)際教學(xué)比較，學(xué)生對(duì)理解骨折的機(jī)制和治療方案有一個(gè)全新的認(rèn)知。為了進(jìn)一步滿足學(xué)生對(duì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)軟組織的作用了解，我們還利用計(jì)算機(jī)對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中復(fù)雜的肌肉和骨骼力學(xué)進(jìn)行分析。Anybody是商業(yè)化軟件中唯一兼與人機(jī)工程學(xué)和生物力學(xué)的分析軟件，其可以通過導(dǎo)入完整的人體肌肉骨骼模型，用于產(chǎn)品的人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)。可以計(jì)算模型中各塊骨骼、肌肉和關(guān)節(jié)的受力、變形、肌腱的彈性能、反抗肌肉作用和其它對(duì)于工作中的人體有用的特性等。在骨科教學(xué)中，關(guān)于骨腫瘤和骨關(guān)節(jié)炎癥的發(fā)展如果只給出臨床分型的圖片還是不能激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，采用動(dòng)畫對(duì)骨科疾病的動(dòng)態(tài)顯示，能夠更加直觀和良好地闡述疾病的演變過程。在實(shí)現(xiàn)方面，可以利用已經(jīng)制作完成的三維影像，利用Flash等動(dòng)畫制作軟件，合成四維的動(dòng)畫，插入到課件中進(jìn)行播放。通過計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，我們讓傳統(tǒng)的教學(xué)從二維變成三維，從靜止變成運(yùn)動(dòng)，從單一介紹結(jié)果到借助計(jì)算機(jī)分析機(jī)制，多層次地豐富了課堂教學(xué)內(nèi)容。

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)解決了骨科學(xué)教學(xué)中人體組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜、立體形態(tài)難于表述的矛盾。在臨床教學(xué)中，從聲像、文字、動(dòng)畫等多個(gè)角度刺激學(xué)生，對(duì)學(xué)生有較強(qiáng)的吸引力和感染力，極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生求學(xué)、求知的欲望，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、主動(dòng)性、創(chuàng)造性，加深學(xué)生對(duì)抽象知識(shí)的理解，促進(jìn)學(xué)生綜合素質(zhì)的提高。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的一大優(yōu)勢(shì)在于將傳統(tǒng)的書本描繪的平面圖片轉(zhuǎn)換為仿真的三維模型，能精確地表達(dá)人體形態(tài)的各個(gè)器官、骨骼、肌肉、血管等組織，特別是關(guān)節(jié)解剖結(jié)構(gòu)。它將學(xué)生置于具體真實(shí)的三維重建的多媒體環(huán)境中，學(xué)生在虛擬現(xiàn)實(shí)中探索、理解教學(xué)內(nèi)容，從而在潛移默化中達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新素質(zhì)和能力的目的［10-12］。另外，同學(xué)普遍接受計(jì)算機(jī)技術(shù)在課堂教學(xué)的應(yīng)用，對(duì)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用尤其是動(dòng)畫很感興趣，提高了課堂參與的互動(dòng)性。

與傳統(tǒng)的教學(xué)模式相比，計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)模式存在著明顯優(yōu)勢(shì)，在信息技術(shù)發(fā)展的今天，教師必須將傳統(tǒng)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)相結(jié)合，充分利用計(jì)算機(jī)多媒體的優(yōu)勢(shì)，制作良好的課件及視頻，以更好地完善教學(xué)方法，提高教學(xué)質(zhì)量［13］。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)(computersimulationtechnology，CST)超越了普通的多媒體技術(shù)，它利用計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)的成果建立被仿真的系統(tǒng)的模型，并在某些實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)的一門綜合性技術(shù)。虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于骨科學(xué)教學(xué)系統(tǒng)中后，可以對(duì)骨科的知識(shí)領(lǐng)域中涉及到的實(shí)物教學(xué)進(jìn)行必要的補(bǔ)充、完善和擴(kuò)展，能夠保證骨科教學(xué)系統(tǒng)具有良好的開放性和真實(shí)感的交互，促進(jìn)骨科教學(xué)模式和理念的進(jìn)一步變化，也必將成為整個(gè)教學(xué)改革的一個(gè)重要的發(fā)展方向。

然而，計(jì)算機(jī)仿真也存在著一些缺陷。三維重建主要是基于CT、MRI等設(shè)備掃描數(shù)據(jù)，故只能針對(duì)人體骨組織、血管、部分組織器官的應(yīng)用，而在軟組織結(jié)構(gòu)與表面形態(tài)方面的應(yīng)用，因受圖像采集生成方式的限制仍多限于二維平面。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)真正全面普及和使用于各學(xué)科的教學(xué)中，還有許多問題有待解決，如CR、超聲設(shè)備等數(shù)據(jù)的提取，可視化海量數(shù)據(jù)的管理及可視化傳輸、可視化數(shù)據(jù)庫等。同時(shí)，三維仿真技術(shù)的應(yīng)用還需要電教專業(yè)人員的配合和幫助才能完成，工作量較大，三維重建與分割工作的仔細(xì)與否直接決定三維圖像的質(zhì)量。

總之，在現(xiàn)階段，充分利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)輔助骨科學(xué)的各種教學(xué)活動(dòng)，將多媒體技術(shù)與傳統(tǒng)的教學(xué)手段有機(jī)地結(jié)合起來，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，對(duì)教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)水平的提高具有重要意義。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)教學(xué)過程中結(jié)合實(shí)際需要，交替使用，合理安排，以能有效提高教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量為目的。（本文作者：鄒俊 單位：蘇州大學(xué)附屬第一醫(yī)院）