骨科教學中計算機仿真的運用

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盡管通過多媒體手段如手術視頻等能夠較好地解決這一問題，但是對于將來可能從事臨床工作的醫(yī)學生而言，更好的方法是讓他們參與手術之前的規(guī)劃和設計過程。在仿真的環(huán)境中，讓學生模擬醫(yī)生的角色，進行互動。這種沉浸式的方法已經越來越受到學生的歡迎。一些大的公司如強生等也紛紛建立了自己的臨床技能學習中心，對內窺鏡等技術的教學取得了滿意的效果。隨著虛擬現實技術(virtualreality，VR)的快速發(fā)展及其在醫(yī)學領域的廣泛應用［5-9］，在教學過程中仿真模型可以清楚地顯示人體的空間結構和毗鄰關系，方位感、層次感強，大大降低了學習的難度，提高了學習效率。學生可以從不同的角度、不同的層次去觀察人體結構，理解各種骨科疾病的發(fā)病機制、病理過程、臨床表現及一些搶救過程。將一些難以想象的空間結構、難以理解的毗鄰關系以及難以口頭描述、難以肉眼觀察到的動態(tài)病理過程實現了方便、生動、形象的模擬。這種教學方法充分的讓“以教師為中心”的教學方法轉變成了“以學生為中心”，順應了當前教學的改革方向。

按照外科學教學大綱的要求，在臨床骨科教學中，骨折的類型和發(fā)生機制是骨科損傷疾病的教學重點。在傳統(tǒng)的教學環(huán)節(jié)中，這部分僅僅通過課本上的模式圖或典型的X線片來進行說明，學生在認知過程中缺乏對立體形象和發(fā)病機制的了解，僅僅掌握了一些概念性的名詞術語。我們科室通過采集正常人體不同部位的CT斷層影像，運用逆向工程與有限元的基本概念和理論，采用醫(yī)學專用的建模軟件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股骨及其內部的髓腔進行三維仿真，然后根據股骨髓腔幾何解剖狀態(tài)應用CAD軟件設計個性股骨假體(圖1)。在骨折這一內容的教學設計中，我們還結合Mimics軟件自帶的有限元分析模塊，計算模擬出不同應力狀態(tài)下骨骼的受力情況，利用不同的顏色分布，直觀地顯示出各個部位的受力分布，對其中的受力情況進行分析，幫助學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機制(圖2)，進一步讓學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，實現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力情況。我們還結合科室課題研究，對諸如脊柱壓縮性骨折的骨水泥治療等對椎體的生物力學改善進行了延伸。通過這些方法，學生不僅學習了臨床的骨科治療方法，更為實際臨床工作奠定了基礎。

通過實際教學比較，學生對理解骨折的機制和治療方案有一個全新的認知。為了進一步滿足學生對運動系統(tǒng)軟組織的作用了解，我們還利用計算機對運動過程中復雜的肌肉和骨骼力學進行分析。Anybody是商業(yè)化軟件中唯一兼與人機工程學和生物力學的分析軟件，其可以通過導入完整的人體肌肉骨骼模型，用于產品的人機工程學設計?？梢杂嬎隳Ｐ椭懈鲏K骨骼、肌肉和關節(jié)的受力、變形、肌腱的彈性能、反抗肌肉作用和其它對于工作中的人體有用的特性等。在骨科教學中，關于骨腫瘤和骨關節(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生的學習興趣，采用動畫對骨科疾病的動態(tài)顯示，能夠更加直觀和良好地闡述疾病的演變過程。在實現方面，可以利用已經制作完成的三維影像，利用Flash等動畫制作軟件，合成四維的動畫，插入到課件中進行播放。通過計算機仿真技術，我們讓傳統(tǒng)的教學從二維變成三維，從靜止變成運動，從單一介紹結果到借助計算機分析機制，多層次地豐富了課堂教學內容。

計算機仿真技術解決了骨科學教學中人體組織結構復雜、立體形態(tài)難于表述的矛盾。在臨床教學中，從聲像、文字、動畫等多個角度刺激學生，對學生有較強的吸引力和感染力，極大地調動了學生求學、求知的欲望，激發(fā)了學生的學習積極性、主動性、創(chuàng)造性，加深學生對抽象知識的理解，促進學生綜合素質的提高。計算機仿真技術的一大優(yōu)勢在于將傳統(tǒng)的書本描繪的平面圖片轉換為仿真的三維模型，能精確地表達人體形態(tài)的各個器官、骨骼、肌肉、血管等組織，特別是關節(jié)解剖結構。它將學生置于具體真實的三維重建的多媒體環(huán)境中，學生在虛擬現實中探索、理解教學內容，從而在潛移默化中達到培養(yǎng)學生創(chuàng)新素質和能力的目的［10-12］。另外，同學普遍接受計算機技術在課堂教學的應用，對計算機仿真技術的應用尤其是動畫很感興趣，提高了課堂參與的互動性。

與傳統(tǒng)的教學模式相比，計算機輔助教學模式存在著明顯優(yōu)勢，在信息技術發(fā)展的今天，教師必須將傳統(tǒng)教學經驗與現代科學技術相結合，充分利用計算機多媒體的優(yōu)勢，制作良好的課件及視頻，以更好地完善教學方法，提高教學質量［13］。計算機仿真技術(computersimulationtechnology，CST)超越了普通的多媒體技術，它利用計算機科學和技術的成果建立被仿真的系統(tǒng)的模型，并在某些實驗條件下對模型進行動態(tài)實驗的一門綜合性技術。虛擬仿真技術應用于骨科學教學系統(tǒng)中后，可以對骨科的知識領域中涉及到的實物教學進行必要的補充、完善和擴展，能夠保證骨科教學系統(tǒng)具有良好的開放性和真實感的交互，促進骨科教學模式和理念的進一步變化，也必將成為整個教學改革的一個重要的發(fā)展方向。

然而，計算機仿真也存在著一些缺陷。三維重建主要是基于CT、MRI等設備掃描數據，故只能針對人體骨組織、血管、部分組織器官的應用，而在軟組織結構與表面形態(tài)方面的應用，因受圖像采集生成方式的限制仍多限于二維平面。計算機仿真技術真正全面普及和使用于各學科的教學中，還有許多問題有待解決，如CR、超聲設備等數據的提取，可視化海量數據的管理及可視化傳輸、可視化數據庫等。同時，三維仿真技術的應用還需要電教專業(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與否直接決定三維圖像的質量。

總之，在現階段，充分利用計算機仿真技術輔助骨科學的各種教學活動，將多媒體技術與傳統(tǒng)的教學手段有機地結合起來，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，對教學質量和教學水平的提高具有重要意義。我們在實驗教學過程中結合實際需要，交替使用，合理安排，以能有效提高教學效果和教學質量為目的。（本文作者：鄒俊 單位：蘇州大學附屬第一醫(yī)院）