骨科教学中计算机仿真的运用

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尽管通过多媒体手段如手术视频等能够较好地解决这一问题，但是对于将来可能从事临床工作的医学生而言，更好的方法是让他们参与手术之前的规划和设计过程。在仿真的环境中，让学生模拟医生的角色，进行互动。这种沉浸式的方法已经越来越受到学生的欢迎。一些大的公司如强生等也纷纷建立了自己的临床技能学习中心，对内窥镜等技术的教学取得了满意的效果。随着虚拟现实技术(virtualreality，VR)的快速发展及其在医学领域的广泛应用［5-9］，在教学过程中仿真模型可以清楚地显示人体的空间结构和毗邻关系，方位感、层次感强，大大降低了学习的难度，提高了学习效率。学生可以从不同的角度、不同的层次去观察人体结构，理解各种骨科疾病的发病机制、病理过程、临床表现及一些抢救过程。将一些难以想象的空间结构、难以理解的毗邻关系以及难以口头描述、难以肉眼观察到的动态病理过程实现了方便、生动、形象的模拟。这种教学方法充分的让“以教师为中心”的教学方法转变成了“以学生为中心”，顺应了当前教学的改革方向。

按照外科学教学大纲的要求，在临床骨科教学中，骨折的类型和发生机制是骨科损伤疾病的教学重点。在传统的教学环节中，这部分仅仅通过课本上的模式图或典型的X线片来进行说明，学生在认知过程中缺乏对立体形象和发病机制的了解，仅仅掌握了一些概念性的名词术语。我们科室通过采集正常人体不同部位的CT断层影像，运用逆向工程与有限元的基本概念和理论，采用医学专用的建模软件Mimics读取原始的股骨CT图片的DICOM格式，利用阈值分割算法完成股骨的图像分割，并利用面绘制算法对股骨及其内部的髓腔进行三维仿真，然后根据股骨髓腔几何解剖状态应用CAD软件设计个性股骨假体(图1)。在骨折这一内容的教学设计中，我们还结合Mimics软件自带的有限元分析模块，计算模拟出不同应力状态下骨骼的受力情况，利用不同的颜色分布，直观地显示出各个部位的受力分布，对其中的受力情况进行分析，帮助学生理解临床椎体压缩性骨折最易发生部位背后所涉及的力学机制(图2)，进一步让学生了解骨折的外科治疗。另外，还可以利用Mimics基于灰度值赋材质，实现股骨有限元模型材料正确的非均匀及各向异性描述，模拟假体材料置换后股骨的应力情况。我们还结合科室课题研究，对诸如脊柱压缩性骨折的骨水泥治疗等对椎体的生物力学改善进行了延伸。通过这些方法，学生不仅学习了临床的骨科治疗方法，更为实际临床工作奠定了基础。

通过实际教学比较，学生对理解骨折的机制和治疗方案有一个全新的认知。为了进一步满足学生对运动系统软组织的作用了解，我们还利用计算机对运动过程中复杂的肌肉和骨骼力学进行分析。Anybody是商业化软件中唯一兼与人机工程学和生物力学的分析软件，其可以通过导入完整的人体肌肉骨骼模型，用于产品的人机工程学设计。可以计算模型中各块骨骼、肌肉和关节的受力、变形、肌腱的弹性能、反抗肌肉作用和其它对于工作中的人体有用的特性等。在骨科教学中，关于骨肿瘤和骨关节炎症的发展如果只给出临床分型的图片还是不能激起学生的学习兴趣，采用动画对骨科疾病的动态显示，能够更加直观和良好地阐述疾病的演变过程。在实现方面，可以利用已经制作完成的三维影像，利用Flash等动画制作软件，合成四维的动画，插入到课件中进行播放。通过计算机仿真技术，我们让传统的教学从二维变成三维，从静止变成运动，从单一介绍结果到借助计算机分析机制，多层次地丰富了课堂教学内容。

计算机仿真技术解决了骨科学教学中人体组织结构复杂、立体形态难于表述的矛盾。在临床教学中，从声像、文字、动画等多个角度刺激学生，对学生有较强的吸引力和感染力，极大地调动了学生求学、求知的欲望，激发了学生的学习积极性、主动性、创造性，加深学生对抽象知识的理解，促进学生综合素质的提高。计算机仿真技术的一大优势在于将传统的书本描绘的平面图片转换为仿真的三维模型，能精确地表达人体形态的各个器官、骨骼、肌肉、血管等组织，特别是关节解剖结构。它将学生置于具体真实的三维重建的多媒体环境中，学生在虚拟现实中探索、理解教学内容，从而在潜移默化中达到培养学生创新素质和能力的目的［10-12］。另外，同学普遍接受计算机技术在课堂教学的应用，对计算机仿真技术的应用尤其是动画很感兴趣，提高了课堂参与的互动性。

与传统的教学模式相比，计算机辅助教学模式存在着明显优势，在信息技术发展的今天，教师必须将传统教学经验与现代科学技术相结合，充分利用计算机多媒体的优势，制作良好的课件及视频，以更好地完善教学方法，提高教学质量［13］。计算机仿真技术(computersimulationtechnology，CST)超越了普通的多媒体技术，它利用计算机科学和技术的成果建立被仿真的系统的模型，并在某些实验条件下对模型进行动态实验的一门综合性技术。虚拟仿真技术应用于骨科学教学系统中后，可以对骨科的知识领域中涉及到的实物教学进行必要的补充、完善和扩展，能够保证骨科教学系统具有良好的开放性和真实感的交互，促进骨科教学模式和理念的进一步变化，也必将成为整个教学改革的一个重要的发展方向。

然而，计算机仿真也存在着一些缺陷。三维重建主要是基于CT、MRI等设备扫描数据，故只能针对人体骨组织、血管、部分组织器官的应用，而在软组织结构与表面形态方面的应用，因受图像采集生成方式的限制仍多限于二维平面。计算机仿真技术真正全面普及和使用于各学科的教学中，还有许多问题有待解决，如CR、超声设备等数据的提取，可视化海量数据的管理及可视化传输、可视化数据库等。同时，三维仿真技术的应用还需要电教专业人员的配合和帮助才能完成，工作量较大，三维重建与分割工作的仔细与否直接决定三维图像的质量。

总之，在现阶段，充分利用计算机仿真技术辅助骨科学的各种教学活动，将多媒体技术与传统的教学手段有机地结合起来，充分发挥各自优势，对教学质量和教学水平的提高具有重要意义。我们在实验教学过程中结合实际需要，交替使用，合理安排，以能有效提高教学效果和教学质量为目的。（本文作者：邹俊 单位：苏州大学附属第一医院）