首页 > 论文范文 > 医药卫生论文 > 外科论文 > 血管外科论文 > 手术教学应用AR技术配合3D打印模型的效果观察

手术教学应用AR技术配合3D打印模型的效果观察

2020-06-09 213 上传者：管理员

摘要：目的探讨将增强现实技术配合3D打印模型应用于血管外科介入手术教学的方法及效果。方法运用3D打印技术构建一套血管模型,并尝试结合AR技术,研发一款AR血管外科手术教学系统。以海军军医大学2016级五年制临床医学专业二班48名本科学生为研究对象,随机分为实验组(AR教学组)和对照组(传统教学组)。实验组通过新的AR教学系统接受血管外科颈动脉造影手术教学,体验仿真的手术操作;对照组采用观看视频的方式学习手术操作。结果实验组学生的操作考试成绩显著高于对照组。AR教学系统问卷调查结果显示:学生对系统的实用性、创新性、使用满意度分别为86.4%(19人)、95.5%(21人)、77.3%(17人)。结论AR教学系统与传统教学方式相比,能够提高学生的学习热情和教学质量,更快地提升手术操作的熟练度,但系统在交互方面仍需不断优化。

关键词：
3D打印
增强现实技术
手术培训
手术教学
血管外科
加入收藏

随着医疗技术的发展,外科手术不断微创化,介入手术逐渐成为血管外科疾病的主要治疗方式。而由于介入手术的特殊性,如手术主要依靠医学影像引导、对操作精细化的要求以及辐射对参观学习的限制等,导致医师在学习介入手术时,难以养成科学、有效的学习方法,也难有足够的练习机会。增强现实(au-gmentedreality,AR)是广义上虚拟现实(virtualrea-lity,VR)的扩展。允许用户看到真实世界以及融合于真实世界之中的虚拟对象[1]。我们将AR技术与3D打印技术结合,构建了一套完整的手术教学系统,并对教学效果进行了评估。

1、对象与方法

1.1研究对象

海军军医大学2016级五年制临床医学专业二班的48名本科学生。

1.2研究方法

1.2.1教学系统的建设及功能

运用AR技术配合3D打印的血管模型,并结合相应配套的AI软件,构建了一款完整的血管外科介入手术教学系统。AR技术的实时交互性是这套系统的基础,因此在这套系统中,我们选用头戴式显示器(HMD),学习者在使用时将其戴在头上,其优点是显示器停留在眼前,解放了双手便于操作,营造一种沉浸式的体验,充分发挥AR技术的实时交互性。当学习者戴上显示器,可以同时看到眼前的操作模型以及与之相结合的虚拟画面。同时,我们运用3D打印技术,采用硅胶尽可能模拟血管的质感,打印出股动脉、主动脉以及弓上血管(尤其是双侧劲动脉)包括穿刺点上方皮肤、结缔组织以及肌肉在内的模型,便于在学习者练习的过程中给予触觉反馈。最后,应用相应的基于标记的AR系统软件,在血管模型内使用跟踪系统来测量导管、导丝的位置和速度,将模型内的操作模拟反馈到显示器上,生成2D的近似于造影的图像,最大程度地模拟介入手术的场景。安装于显示器上的AI软件通过AR系统反馈的数据,为学习者提供指导。

1.2.2实验分组与教学方法

采用随机数表分组的方法将48名学生按1〯1比例,分为实验组(AR教学组)24人,对照组(传统教学组)24人。首先对两组学生的前期平均成绩进行对比分析,再采用不同的授课方式进行经股动脉、颈动脉造影术的教学。实验组学员在戴上AR设备后,AI教学系统根据场景的变化(包括学生操作的动作、导丝的位置和运动等),对学生的操作进行实时的指导和讲解,学生根据教学系统的提示,同步在模型上进行真实的操作,沉浸式地进行练习。对照组学生先采用手术视频教学,讲解手术过程,然后自行在模型上进行操作练习。

1.2.3评价

评价方法包括测试和问卷调查。在课程结束后,对全部学生进行颈动脉造影术操作考试(满分60分)和理论考试(满分40分),总计100分。问卷内容包括实用性(你是否认为这个AR教学系统在未来能够投入使用?)、创新性(你认为这种学习方法是否新颖?)和使用满意度(根据你的体验,对这款系统是否满意?)三部分。

1.3统计与分析方法

利用Epidata3.0进行问卷资料录入,采用SPSS23.0软件对数据进行分析。计量资料采用(x¯±s)(x¯±s)表示,组间比较采用t检验;计数资料采用频数(百分比)表示,组间比较采用卡方检验、Fisher精确检验,以P<0.05为差异具有统计学意义。

2、结果

2.1基线资料

此次研究纳入48名学生,其中,实验组24人,平均年龄21.1岁,男性占91.7%;对照组24人,平均年龄20.9岁,男性占87.5%。两组学生前期课程平均成绩无统计学差异(81.24±6.21vs.81.70±6.34,P=0.80),具有可比性。

2.2成绩对比

实验组学生在“理论得分”上高于对照组(35.81±2.32vs.34.38±3.07,P=0.081),但无统计学差异;在“操作得分”上显著高于对照组(50.92±4.21vs.48.19±3.65,P=0.023),且差异具有统计学意义;在总成绩的比较中,实验组学生成绩也高于对照组(86.74±6.36vs.82.57±6.63,P=0.035),且差异具有统计学意义,如表1所示。

表1两组学生培训后考试成绩比较(x¯±s)

2.3问卷调查

对实验组学生共分发了24份问卷,回收到有效问卷22份,有效率为91.7%。其中,19人(86.4%)认为AR教学具有实用性,21人(95.5%)认可AR教学的创新性,17人(77.3%)对AR教学系统的体验表示满意。

3、讨论

医学是一门相对复杂的学科,医学学习除了包括了解复杂的解剖和生理系统,还需要掌握专业理论及多种操作技能,因此,需要在不断的实践中才能达到基本的职业要求。想要达到专业要求的高标准,则需要在专业的培训环境中对受训者进行培训[2]。

根据国外市场研究机构MarketsandMarkets最新报告,到2023年全球在增强现实上的市值将达到600亿美元,高通、微软、谷歌、佳能等大型公司均将加大对AR创业公司的投资,AR技术将成为医疗、消费、汽车以及制造等市场中的一个重点项目。医学院校作为培养方式较为特殊的一类院校,需要为社会输送医护人员,决定了其教育方式必须严谨,特点相对鲜明,然而传统的教育方式不够形象、直观。AR技术的应用将大大推动医学院校教育方式的改革和发展[3,4]。

增强现实教育技术能够提供一个安全、低成本、相对接近真实情况的培训环境,能够在其中进行几乎完全符合真实操作的培训。现如今,AR技术在临床治疗[5,6]、医学教学[7,8]、职业培训[9]、工程教育[10]等领域的应用也越来越广泛。其优势主要体现在:增强(虚拟)部分可以将相关的三维信息可视化,包括视觉、触觉等在现实世界中无法实现或模拟的方面。同时,AR因为具备实时交互性,又能够为受训者提供实时的操作反馈,为了可以看到结合到物理世界的虚拟信息,必须使用专门的软件应用程序。当AR软件应用识别到标记或对象时,便会生成增强的虚拟内容并同时将该信息投影到所识别的对象上,使用者感觉到虚拟的信息真实存在于周围环境中。

3D打印(3Dprinting)是一种快速成形技术[11]。近年来,伴随着材料学、医学影像学及计算机技术的发展,3D打印技术正逐渐应用于构建医学疾病模型[12,13]、假体或植入物的制造[14],以及组织工程等邻域[15]。3D打印技术以其便捷性、个性化的优势,能够完美地配合AR技术,其成品作为现实世界的对象,能够给予学习者精确的现实反馈。

因此,可以运用这两项技术,研发一款血管外科手术教学系统。

根据研究结果,实验组在“操作成绩”方面相比传统的教学方法具有明显的优势,说明AR教学系统通过最大程度地模拟真实的手术环境,能够更有效地帮助学习者掌握手术的操作流程,并提高操作的熟练度。同时,问卷调查结果也显示,86.4%的学生认可AR教学系统的实用性,95.5%的学生认可该教学系统的创新性,说明AR教学作为一种全新的教学方式,拥有较好的接受度和发展前景。其兼具教学与娱乐的属性,能够充分激发学生的学习热情,也能够极大地提高学习效率。但同时,77.3%体验满意度也说明这款教学系统仍然需要不断优化,提升用户体验。

后期我们将继续探索更为沉浸式的教学方式,比如如何给予更为精准的触觉反馈、优化图像质量等。同时,与系统配套的AI软件对于教学效果也起着至关重要的作用,后期也可将操作评价系统加入其中,用于学生日常练习后的教学效果评估,便于其了解自身操作存在的失误与不足,同时,AI软件通过对学生操作的评估,制定更为个性化的教学方案。

总之,应用AR教学系统对住院医师进行介入手术技能培训,可切实提高学习者的介入手术技能,同时使腔内基本操作更加规范化。将AR教学系统引入医学生的培训中,可为年轻医师进行腔内手术打下良好基础。

参考文献：

[1]涂启泮,周毅勇,李荣彬.AR技术在高校教学中的应用研究[J].福建电脑,2018(10):107,145

[2]马丽娜,李耘.增强现实技术在医学教学中的应用[J].北京医学,2017,39(10):1073-1074

[3]林金娜.AR技术在医学类院校中的应用前景分析[J].中国新通信,2018,20(5):236-237

[5]高原,谭珂,孙坚,等.混合现实技术在医学手术可视化中的应用研究(英文)[J].ChineseMedSciJ,2019(2):103-109,159

[7]叶青,王文军,陈云虹,等.增强现实技术在医学教育和临床实践中的应用及展望[J].医疗卫生装备,2018,39(12):100-103,108

[9]唐希,王殊轶,于德旺,等.基于AR的生化分析仪维护维修培训系统的研究与应用[J].生物医学工程学进展,2019,40(2):115-118,104

[10]闫龙.在建筑工程教育中AR(增强现实)技术使用的探索[J].中小企业管理与科技:上旬刊,2018(9):189-190

[11]赵晖,邹明,胡伟,等.3D打印技术在老年退变性腰椎侧弯手术中的应用[J].郑州大学学报:医学版,2019(4):623-626

[15]刘明朝,骆文静,贾敏,等.翻转课堂结合CBL联合模式在高原性心脑损伤教学中的实践[J].心脏杂志,2017,29(2):251-253

尹任其,郭洪波,曲乐丰,柏俊,金杰,吴鉴今,季相国,职康康.AR技术配合3D打印模型在介入手术教学培训中的应用研究[J].中国医学教育技术,2020,34(03):378-381.