三维重建及有限元技术在骨外科住院医师影像学教学中的应用 (1).pdf

基金项目:湖北省武汉市知识创新专项(2022020801010473)作者单位:430060武汉大学人民医院运动医学与关节外科通信作者:李皓桓,电子信箱:lihaohuan 三维重建及有限元技术在骨外科住院医师影像学教学中的应用李皓桓颜欣心李建平胡金凤摘要目的探究三维重建及有限元技术在骨科住院医师影像学教学中的应用。方法选取 2020 年 1 月 2022 年 1 月在笔者医院接受骨科住院医师影像学规范化培训的 92 名学员作为研究对象,将 2020 年 1 12 月接受培训的 46 名学员纳入对照组,给予传统教学;2021 年 1 月 2022 年 1 月接受培训的 46 名学员纳入观察组,给予三维重建结合有限元技术教学结合教学路径教学。培训 3 个月后,比较两组学员考核成绩(理论考核成绩、阅片考核成绩、讨论发言成绩)、临床实践能力(临床技能、病例书写)、岗位胜任能力评价(360 度评价)及教学满意度评价(问卷调查)。结果培训 3 个月后,观察组考核成绩、临床实践能力评分、岗位胜任能力评分及教学满意度均显著高于对照组(P 0.05)。2.教学方法:对照组采用传统教学:学员学前预习,带教教师讲授骨关节学、超声学、放射学的理论知识,跟随带教教师查房、值班、管理患者。学员及时复习理论知识,并在实践操作中巩固知识。观察组采用三维重建及有限元技术教学路径教学。教师带领学员做以下操作:(1)通过武汉大学人民医院的影像科数据系统收集特定病种及对照组的CT数据。(2)将CT数据导入三维重建软件Mimics21.0(Materialise,比691医学教育J Med Res,April 2024,Vol.53 No.4表 1一般资料比较 n(%),x s组别n性别男性女性年龄(岁)入组成绩(分)学历本科生硕士研究生博士研究生观察组4630(65.22)16(34.78)24.63 3.3559.13 5.255(10.87)31(67.39)10(21.74)对照组4628(60.87)18(39.13)24.93 3.9560.15 4.837(15.22)32(69.57)7(15.22)P0.6660.6700.3340.645利时 Leuven 公司)中,标记 CT 中骨组织的灰度值,除去非靶组织器官区域。在 3-matic 软件(Materi-alise,比利时 Leuven 公司)中实施模型重建和运算。最终,设计生成符合临床和教学要求的三维模型。(3)将所建立的三维模型导入 Geomagic design X 软件(美国 3D Systems 公司),减少不规则三角面片数量,并进行三角面片优化操作,然后拟合 nurbs 曲面以生成优化的三维几何模型。(4)将上述建立的模型导入 Hypermesh 14.0 软件(美国 Altair Engineering公司)进行网格划分。(4)最终应用 Analysis 软件(美国 ANSYS 公司)进行各种病理状态及不同手术方式后的力学分析。(5)将上述分析结果运用于临床,并在实践操作中巩固知识。3.教学效果评价:培训 3 个月后,评估学员各项能力及教学满意度。(1)考核成绩:采用闭卷形式考核学员的理论基础知识,从医院题库随机抽取试卷,考试内容包括骨关节学、超声学、放射学等,总分 100分,考试时间为 1.5h;对 1 例类似病例影像资料分析情况考核阅片技能,总分 100 分;学员培训期间的发言成绩,总分 100 分。(2)临床实践能力:随机抽取新入院典型病例,参考列斯特评估量表评估学员临床技能,总分 100 分6;其次,根据国家卫生健康委员会颁发的病历书写基本规范制定的评估标准,评估学员病历书写质量,总分 100 分。(3)岗位胜任能力:采用 360 度评价法评估学员岗位胜任能力,其中包含基础知识水平、病例分析能力、临床思维能力、对疾病的认识、团队精神及医患沟通能力 6项指标,共 12 个条目,每个条目 1 5 分7。评价主体由与住培学员工作、生活密切相关的,其所在专业基地主任、指导教师、轮转带教教师、同专业同学及本人组成。(4)教学满意度:采用问卷调查形式评价教学满意度,问卷包括激发学习兴趣、提高学习效率、改善临床思维、增强临床实践能力及总体满意 5 个内容,每个内容包括满意、一般和不满意 3 个等级。4.统计学方法:应用 SPSS 17.0 统计学软件对数据进行统计分析。考核成绩、临床实践能力及岗位胜任能力以均数 标准差(x s)表示,组间比较行独立样本 t 检验,教学满意度以例数(百分比)n(%)表示,组间比较行 2检验,以 P 0.05 为差异有统计学意义。二、结果1.两组学员考核成绩比较:培训 3 个月后,观察组理论考核成绩、阅片考核成绩及讨论发言成绩均高于对照组(P 均 0.05),详见表 2。表 2两组学员考核成绩比较(分,x s)组别n理论考核成绩阅片考核成绩讨论发言成绩观察组4686.91 5.0384.46 4.9882.54 4.80对照组4681.85 6.0377.80 4.6177.61 4.68 2.两组学员临床实践能力比较:培训 3 个月后,观察组临床技能和病例书写成绩均明显高于对照组(P 0.05),详见表 3。3.两组患者岗位胜任能力比较:培训 3 个月后,观察组基础知识水平、临床思维能力及对疾病的认识评分均明显高于对照组(P 0.05),详见表 4。表 3两组学员临床能力比较(分,x s)组别n临床技能成绩病例书写成绩观察组4683.07 6.6884.26 5.04对照组4677.11 6.3779.63 4.05表 4两组学员岗位胜任能力比较(分,x s)组别n基础知识水平病例分析能力临床思维能力对疾病的认识团队精神医患沟通能力观察组467.15 1.237.10 1.356.78 1.607.50 1.466.30 1.306.69 1.36对照组466.32 1.126.76 1.205.95 1.196.56 1.406.15 1.456.57 1.31P0.0010.1950.0060.0020.5960.641791医学研究杂志 2024 年 4 月第 53 卷第 4 期医学教育培训 3 个月后,观察组对教学满意度除了临床思维方面均显著高于对照组(P 0.05),详见表 5。表 5两组学员对教学满意度比较n(%)调查项目观察组(n=46)对照组(n=46)P激发学习兴趣44(95.65)27(58.70)0.001提高学习效率42(91.30)29(63.04)0.001改善临床思维37(80.43)29(63.04)0.064增强临床实践能力39(84.78)25(54.35)0.002总体满意率39(84.78)28(60.87)0.010三、讨论在骨科的临床诊疗中,需要医生对骨、关节、韧带、肌肉等组织的解剖熟练掌握并进行力学分析,传统的教学方式主要通过影像学的方法进行,由于影像学知识繁杂,并且骨科实践性较强,导致教学效果欠佳,已无法满足提升学员能力的要求。本研究尝试主要以前期的教学经验结合当前骨科三维重建及有限元的技术,通过三维重建让学员更好地理解骨关节解剖结果,同时通过有限元的分析让学员进一步理解了骨科的生物力学分析。近年来,三维重建及有限元分析技术作为一种新兴的数字化研究方法在骨科领域的应用十分广泛,可建立具备较完整结构的关节有限元技术模型,具有简便、可视化、经济等优势,有力地推动了骨科工作的发展,目前已成为临床诊疗和科研工作的主流方法之一8。三维重建技术在住院医师规范化培训中逐渐被重视。薛祥等9研究了三维重建技术在胸心外科住院医师规范化培训教学中的应用,他们发现应用三维重建技术可显著激发规培医师的学习兴趣,提高其学习参与度与学习效率,从而提高教学质量。杨刚华等10研究发现,三维可视化重建技术有利于肝脏外科住院医师更加有效的了解肝脏解剖分段,从而激发他们的学习兴趣,提高教学效率。齐祥如等11研究显示,将三维 CT 联合3D 模型辅助 CBL 教学法应用到骨科住院医师规范化培训中,可有效提高学员对骨科疾病的认识和理解及对教学的满意度。在骨科的教学活动中,需要对骨关节结构进行详细的讲解使学员充分掌握,因此,将三维重建技术引进到骨科住院医师规范化培训中具有重要意义。在骨科的教学培训中还包括一个重要的部分,那就是对骨关节的生物力学分析。学员掌握骨科生物力学分析后可以进一步掌握骨科疾病的发病机制,增强对骨科疾病的诊疗能力12。骨折是骨科最为常见的疾病之一,其主要治疗方式包括外固定与内固定都是以其力学原理为基础13。此外,运用生物力学原理进行力线分析也是各种关节假体发挥正常功能的基础14。随着生物技术的发展,生物力学也被广泛应用于软骨、肌腱与韧带的研究中,推动了运动医学的发展15。因此掌握骨科生物力学原理及分析方法对临床工作和研究具有重要意义。但是在既往的教学活动中,板书及术中的讲解较为繁杂,实践机会较少,使得学员的参与积极性不高,学习效果较差,而以三维重建为基础的有限元分析则有望解决这一教学难题。随着计算机技术的发展,有限元在骨科的应用获得了较快的发展,目前已广泛应用于脊柱骨盆生物力学、四肢骨折的分析及人工关节中5。有限元分析解决了传统力学分析的难点,具有较高的精确性和可重复性,为骨折的精准诊疗提供了重要的理论依据。Leung等16利用有限元技术建立骨盆应力分析模型,发现骨皮质骨密度的变化对应变的影响最大,进而明确了老年骨盆不全导致骨折的机制。不仅是骨组织,有限元技术还可以对软组织进行分析,Jaramillo 等17通过有限元建立脊柱的有限元模型来研究髓核和纤维环,为研究椎间盘的退变和损伤的机制提供重要工具。在人工关节的运用方面,由于人体关节的复杂性,因此人工关节假体需要具备精确的力学属性,才能适应人体活动的需要。Miles 等18通过有限元技术模拟了全髋置换股骨假体周围骨折,为预防假体周围骨折提供了理论基础。学习与掌握有限元技术在当今骨科的诊疗及研究中具有重要意义,因此有必要将其引入到住院医师规范化培训中。但是,目前结合有限元分析的住院医师教学方式却鲜有报道,考虑到有限元分析技术在骨科中的广泛应用,本研究将其运用到教学活动中,结果表明这种教学模式有助于学员对基础理论知识的理解和掌握,并提高了他们的阅片能力。同时由于该教学模式将力学分析运用于临床中,因此笔者观察到学员的临床能力得到了显著提升,并且激发了学员对于骨科学习的兴趣,提高了学习积极性,总体上提升了学员对教学的满意度。三维重建及有限元技术在骨科诊疗及研究中发挥了重要的作用。本研究发现,引进三维重建及有限元分析技术进一步开拓了学员的思维,使学员全面、系统地掌握骨科解剖知识和生物力学分析并有利于开阔学员的科研思维。随着数字骨科技术的不断发展,三维重建及有限元分析技术在骨科影像学教学培训中的地位将越来越重要。利益冲突声明:所有作者均声明不存在利益冲突。(转第 114 页)891医学教育J Med Res,April 2024,Vol.53 No.4利益冲突声明:所有作者均声明不存在利益冲突。参考文献1 Randall JM,Millard F,Kurzrock R.Molecular aberrations,targetedtherapy,and renal cell carcinoma:current state-of-the-artJ.Cancer Metastasis Rev,2014,33(4):1109-11242 Hsieh JJ,Purdue MP,Signoretti S,et al.Renal cell carcinomaJ.Nat Rev Dis Primers,2017,3:170093 Wang TY,Kong S,Tao M,et al.The potential role of RNA N6-methyladenosine in Cancer progression J.Mol Cancer,2020,19(1):884 He LE,Li HY,Wu AQ,et al.Functions of N6-methyladenosineand its role in cancerJ.Mol Cancer,2019,18(1):1765 计锐,郑君芳.m6A 甲基化修饰与泌尿系统肿瘤关系的研究进展J.中南医学科学杂志,2022,50(1):141-144,1566 Bridges MC,Daulagala AC,Kourtidis A.LNCcation:lncRNA locali-zation and functionJ.J Cell Biol,2021,220(2):e2020090457 Bhan A,Soleimani M,Mandal SS.Long noncoding RNA and cancer:a new paradigmJ.Cancer Res,2017,77(15):3965-39818 Barata PC,Rini BI.Treatment of renal cell carcinoma:current statusand future directionsJ.CA Cancer J Clin,2017,67(6):507-5249 Jonasch E,Walker CL,Rathmell WK.Clear cell renal cell carcinomaontogeny and mechanisms of lethalityJ.Nat Rev Nephrol,2021,17(4):245-26110汪浩洋,毛正发,邹元章,等.长链非编码 RNA KUCG1 通过MAGEA11 调节 PTEN/AKT/mTOR 途径促进 ccRCC 舒尼替尼的耐药性J.中国免疫学杂志,2022,38(2):180-18511Guo YL,Bai YY,Wang L,et al.The significance of m6A RNAmethylation modification in prognosis and tumor microenvironment im-mune infiltration of cervical cancer J.Medicine(Baltimore),2022,101(26):e2981812Chen DH,Zhang JG,Wu CX,et al.Non-Coding RNA m6A modi-fication in cancer:mechanisms and therapeutic targetsJ.Front CellDev Biol,2021,9:77858213Liu YN,Wang J,Shou Y,et al.Restoring the epigenetically silencedlncRNA COL18A1-AS1 represses ccRCC progression by lipid brown-ing via miR-1286/KLF12 axisJ.Cell Death Dis,2022,13(7):57814林恩宇,刘久敏,余玉明.基于肿瘤免疫微环境的免疫治疗策略在晚期肾透明细胞癌中的应用进展 J.中华泌尿外科杂志,2021,42(1):67-7015高硕泽,范光锐,杨恩广,等.转移性肾透明细胞癌分子靶向及新型免疫治疗进展 J.医学综述,2020,26(20):4032-403716Yoshihara K,Shahmoradgoli M,Martnez E,et al.Inferring tumourpurity and stromal and immune cell admixture from expression dataJ.Nat Commun,2013,4:261217Chen M,Nie ZY,Li Y,et al.A new ferroptosis-related lncRNAsignature predicts the prognosis of bladder cancer patientsJ.FrontCell Dev Biol,2021,9:69980418Chen FY,Yang J,Fang M,et al.Necroptosis-related lncRNA toestablish novel prognostic signature and predict the immunotherapy re-sponse in breast cancer J.J Clin Lab Anal,2022,36(4):e2430219Luo ZZ,Nong BB,Ma YF,et al.Autophagy related long non-cod-ing RNA and breast cancer prognosis analysis and prognostic risk mod-el establishmentJ.Ann Transl Med,2022,10(2):58(收稿日期:2022-09-28)(修回日期:2022-10-12)(接第 198 页)参考文献1 李妮,刘铁梅.我国住院医师规范化培训的历程,成效及问题分析J.中国医药导报,2022,19(9):190-1932 鄢文慧.住院医师规范化培训多种教学模式的应用J.人力资源,2020,6:703 龙旭东,方家栋,杨黎.数字化技术在骨科手术中的应用进展J.海南医学,2022,33(13):44 熊恒恒,聂伟志.三维有限元分析对骨关节和相关软组织损伤时应力状态的精准模拟J.中国组织工程研究,2022,26(36):65 宫玉锁,周君,李盛华,等.骨科三维有限元研究进展J.世界最新医学信息文摘,2019,19(93):40-41,436 邱玉婷,张智勇,罗转转,等.借鉴列斯特套件评估模拟临床诊疗场景下全科医生的培训现状J.山西医药杂志,2020,49(19):37 胥娇,王志博,张东华,等.360 度评价法在临床医学专业学位研究生职业胜任力评价中的应用J.中华医学教育探索杂志,2015,14(11):58 周建华,王跃.有限元分析在骨科中的应用及研究进展J.实用医院临床杂志,2018,15(1):49 薛祥,薛宇航,陈勇兵,等.三维重建技术在胸心外科住院医师规范化培训教学中的应用及效果分析 J.卫生职业教育,2023,41(2):137-14010杨刚华,徐勤鸿,万永,等.三维可视化技术在肝脏外科住院医师规范化培训教学中的应用J.中国继续医学教育,2022,14(7):89-9311齐祥如,宋辉,张伟军,等.三维 CT 联合 3D 模型辅助 CBL 教学法在骨科住院医师规范化培训中的应用J.中国临床研究,2021,34(11):1550-155212李亚军.计算生物力学在骨科领域的应用与展望J.中国组织工程研究,2015,19(48):786913邵静宇,徐前,李军.骨骼生物力学性能的临床研究进展J.武警后勤学院学报:医学版,2021,30(4):614韦亚军.不同角度力线对位的人工膝关节假体接触压力有限元分析D.成都:电子科技大学,202115赵常红,李世昌,李沛鸿,等.运动影响骨生物力学的研究进展J.中国骨质疏松杂志,2022,28(2):416Zhu AF,Rahgozar P,Chung KC.Advances in proximal interphalan-geal joint arthroplasty:biomechanics and biomaterials J.HandClinics,2018,34(2):185-19417Jaramillo,Hector E,Gomez,et al.A finite element model of theL4-L5-S1 human spine segment including the heterogeneity andanisotropy of the discs J.Acta Bioeng Biomech,2015,17(2):15-2418Miles,Brad,Kolos,et al.Subject specific finite element modeling ofperiprosthetic femoral fracture using element deactivation to simulatebone failureJ.Med Eng Phys,2015,37(6):567-573(收稿日期:2023-03-12)(修回日期:2023-04-05)411论著J Med Res,April 2024,Vol.53 No.4