摘要：混合现实技术是虚拟现实技术基础上发展起来的全息数字影像技术，可以直观的结合现实物品与虚拟数据，可作为一种创新型教学方法，在骨科教学中的应用值得探索和推广。混合现实全息影像技术的应用不仅可以有效弥补传统外科学教学模式的弊端、提高教学效率，还能逐步推动骨科教育模式的进步与变革，为骨科规范化教学提供有力的技术支持。本文将阐述混合现实技术与骨科教学目前现状与意义，在理论教学、手术实训、远程培训等方面进行总结与展望。
[关键词]骨科；混合现实全息影像技术；教学；理论学习；临床实践
基金支持：2018年度上海交通大学医学院重点课程建设----骨科学
上海市第一人民医院高峰学科基金
Abstract: Mix reality is a new holographic digital imaging technology based on virtual reality. As a new teaching mode, Mixed reality holographic imaging technology has good prospects in orthopedics teaching. The application of this technology can effectively make up the deficiencies of the traditional teaching mode, improve teaching efficiency, change the orthopedics education mode, and provide strong technical support for standardized teaching of orthopedics. In this article, mixed reality technology was innovatively used in orthopedics teaching, which contained the theory teaching, operation training, and remote learning.
Key words: orthopedics; mixed reality; teaching; theoretical study; clinical practice
这些年来，随着人工智能、虚拟现实、智能机器人等迅速发展，科技对社会诸多行业影响巨大，特别使得医学教育领域发生着巨大的改变。如何实现混合现实技术在骨科教学中的应用与推广，提高医学生的学习效率，培养学习主动性都有着重要的意义。
一、混合现实相关技术的基本概念
混合现实(Mixed Reality，简称MR)是一种信息反馈循环技术，通过在现实场景呈现虚拟场景信息，在现实世界、虚拟世界和用户之间创建的交互反馈的回路，以增强用户真实体验感。
虚拟现实与混合现实区别是：虚拟现实主要针对虚拟世界，追求沉浸感，纯虚拟数字画面和环境；混合现实是数字现实结合虚拟数字图像[1, 2]。对于医学专业，特别是骨科、解剖学密不可分，混合现实技术在骨科学术范围内有着非常广阔的前景，为此我们针对混合现实在骨科教学中的应用现状、优势和展望进行阐述与分析。
二、混合现实全息影像技术在骨科教学中的应用
1.1混合现实全息影像技术论教学与意义：
对于医学生而言：由于人体解剖学是基础课，学生通常在1-2年级学习，外科学基础课则是2-3年后进行学习，而此时需要大多数医学生把解剖学知识、病理、影像学、生物力学和骨科专业知识等相结合起来才能够完成临床学习。混合现实全息影像技术可在虚拟现实的基础上将手术过程、虚拟解剖、实体标本、人体解剖均能清晰显示并结合起来制作出全息解剖数据库图像，可包括骨关节及周围结构、局部骨骼大体形态、相关重要血管神经结构及走向等[3]。
通过对空间模型的全面观察，学生借助混合现实全息影像技术可以不断验证或修改之前对病例相关信息进行主观评判，并对骨科相关的X片、CT与MRI进行评判，锻炼并提高学生的专业阅片水平。针对骨科复杂病例进行的教学，混合现实全息影像技术可以将影像学数据的虚拟空间数字图像直观地展现在眼前，可以让学生更直观更生动的认识病变形态和特点。然后通过实际病例验证教学效果，提高骨科形态与机理的学习[4]。混合现实全息影像技术可以借助解剖模型、遗体、道具等相关教具，混合实际图像，将不同的疾病解剖结构个性化的展示[5]。在展现的内容上，可根据课程需求重建并按需编辑制定部位的颜色、大小、角度等属性，学生可浏览空间中的3D模型，可利用混合现实眼镜隐藏、显示、虚化、调整目标图像大小，可以利用大屏幕共享术者的第一视角，可以录制和直播，达到3D模型和视野共享的目的，大幅提高学习效率，充分利用了现有的教学资源[6]。
1.2 在骨科手术实训中的应用与意义：
骨科手术、脊柱外科、骨肿瘤外科、关节外科、创伤外科都要求操作精细、准确，把控手术骨骼的力线与角度[9][7]，需要系统的术前设计讨论、准确术中分析定位及术后评价[8]。而初学者很难在短时间内熟练掌握手术技巧，往往是管中窥豹，浅尝辄止。利用混合现实技术构建的全息模型可以密不这些问题，特别是可以在术前设计、术中定位分析及术后效果评价上大幅度提高教学效率和教学效果，使学生共享全息视野，更好地参与到手术的各个环节中。
作者在实践中，在骨科手术中使用混合现实技术所构成的全息影像进行术中模拟。在术前根据X线、CT、MRI影像，作者通过混合现实技术进行全息影像进行Hololens眼镜多角度、多维度地观察血管走行及毗邻，结合全息模型优化手术设计，根据实际病例结合手术方案进行讲解[9]。而在术中操作时可以将全息投影同患者术区进行工具匹配，可以在术中进行准备、切口选择、骨折术中力线，椎弓根螺钉等技术、术中验证与处理等[10]。虚拟的全息成像技术可以更加精准地寻找重要解剖结构，如神经根走行，减少手术操作的副损伤，缩短手术时间。同时可以共享全息视野，以第一视野形象地讲解手术操作过程，[11]。通过系统的虚拟培训，临床实习生对骨科各种手术会有更全面的认识，实习医生可以身临其境的观察并参加手术，临床带教老师同时也可节约自己带教的时间。课程最后，请学生对教学案例进行总结，然后带教老师做出补充修正，并结合本病例扩展相关的诊断和治疗新进展。
骨科专业技能的掌握来源于不断地临床操作实践，然而由于医患关系本身的问题、法律法规不完善等方面，导致实习医生失去了许多临床操作的机会，从而增加了培养专业骨科医生的难度，虚拟手术学增加了医生临床手术操作的机会。此外，在虚拟模拟手术操练中，学生可以根据自己的理解找到理论课中没有体会到的细节问题，此时通过带教教师的针对性补充讲解，将大幅提高课堂的氛围和互动性，显著提高教学质量，可谓事半功倍。
1.3 在远程骨科教育培训中的应用与意义：
利用MR全息医学教育系统可以使用第三视角录制软件把头戴空间站的医生以及在他视角中的全息模型采集到屏幕，可录制讲解过程并利用网络进行远程传播共享。同时使用全息直播与解说为远程用户提供主控医生的全息视角，提高医学信息传输效率，对远程医学教育培训有重大意义。教师可以把在课堂、医学会议上要讲解的病例，利用工作站进行三维重建，把讲解病例、手术方案、影像信息、手术操作过程与全息3D模型相结合，针对全息个性化模型进行讲解，学生则在大屏幕和投影仪上观看全息PPT，实现医学信息二维传输到全息立体传输的革命，大幅提高医学信息交流效率，使听众更自然而全面地获取主讲人的内容。
随着科技的进步和教师队伍理念的不断更新，尤其是近年来随着Google Glass、微软HoloLens眼镜等AR、MR智能穿戴设备在医学应用中应用越来越广泛，以混合现实虚实结合的展示方式创新教学模式正悄悄改变着骨科的教育模式[12, 13]。
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学生可以在课堂上学习，也可以课后弥补，同时可以将混合现实设备作为载体采用“翻转课堂”或“微课导学”教学模式等组织教学，为学生提供自主学习条件，教师也可以从繁重的重复性讲解中解脱出来，有针对性地为学生答疑解惑，有助于传统教学方式的变革。混合现实全息影像技术不仅能提高教师和学生的信息流动效率，还能使学生更加直接地获取骨科学解剖信息，提高学习主动性和学习效率。
三、混合现实全息影像技术在骨科教学中的优势
1、直观的教学效果
在传统的骨科学教学课堂上，知识的传输主要通过文字、图片、声音、动画和视频的形式呈现。当遇到比较复杂的解剖结构，比如脊柱椎体的解剖，椎弓根螺钉，骨盆髋臼骨折等，教师用语言很难表达得非常清晰，同时由于每个学生的理解力不同，教学效果也会因人而异，甚至初次学习这些知识的学生会得到“盲人摸象”般的感受。而采用混合现实技术组织教学，三维立体效果的呈现可以弥补这样的缺憾，能够把知识立体化，把难以想象的东西直接以三维形式呈现出来，让学生直观感受到文字所表达不出来的知识，真实的情景可以帮助学生对知识的理解和记忆，使学生的想象变得更加丰富。
2、提高学生的学习兴趣
传统的学习方式让很多学生觉得枯燥乏味，为了应付考试不得不去死记硬背，但很多知识学生完之后很快会忘得一千二净。混合现实全息影像技术具有视觉、听觉和触觉一体感知反馈效果，学生具有真实情境体验、跨越时空、动感穿越的感受，能身临其境般在人体的具体结构器官中参观，让书本中的内容可触摸、可互动、可感知、可理解。学生身临其境的感受和丰富的交互体验不仅极大地激发了学习者的学习动机，更给学习者提供了大量观察、参与实践以及与他人合作学习的机会，促进了学生的认知加工及知识建构过程中深层次理解。混合现实全息影像技术组织教学，新颖的学习方式和丰富多彩的学习内容能够极大地提升课堂教学的趣味性，生动形象的场景会加强学生的记忆，激发学生的学习兴趣。
3、混合现实应用能促进优质资源均衡化
混合现实全息影像技术可以进行线上教学，我国幅员辽阔，地区之间贫富差距较大，存在教学资源分配不均的情况。经济发达地区无论是软硬件配置，教学师资和教学资源都非常丰富，而经济落后、地域偏远的医学教育都难以实现进一步普及。各级政府和教育主管部门都在大力推进教育均衡发展，加大教育投资力度，而混合现实全息影像技术应用将是解决城乡教育资源不均衡问题的一把利器，有利于缓解教育资源两极分化，扩大优质资源的分享范围，能让教育资源不再受限于地区和学校。
4、充分利用教学工具，降低教学成本
利用混合现实全息影像技术可以完全可以利用虚拟的空间数字模型进行三维的解剖学骨科影像知识的传授，空间立体地进行临床带教，也可以同时利用实体教具，降低了教师对授课实体依赖性，同时充分提高了教学工具的使用效率。
四、混合现实全息影像技术在骨科教学中的前景展望
随着科学技术的迅猛发展，在云计算、雾计算、物联网、“互联网+”、大数据、人工智能突飞猛进的新时代背景下，混合现实全息影像技术与人工智能、大数据和物联网融合，将会让混合现实技术应用如虎添翼。[14]。运用混合现实技术具有激发学习动机、创设学习情境、增强学习体验、感受心理沉浸、跨越时空界限、动感交互穿越和跨界知识融合等多方面的优势。将会提高未来课堂的教学效率混合现实全息影像技术在教学中的应用普及将会颠覆传统的教育方法和教学形式，具有巨大的应用潜力与应用前景。
五、结束语
我们预测未来的混合现实全息影像技术将结合更多高新科技元素如人工智能、云计算大数据、机器人和移动技术等，其在教育领域的发展前景也将会越来越广阔[15]。混合现实学习环境带给我们的不仅仅是一个技术平台或工具，更会孕育出一种新型的教学模式和教学方法。混合现实技术能够将虚拟对象与真实环境相融合，通过其较强的交互性能给学生带来更多的学习乐趣，并为学生提供一种新的学习媒体和学习体验，促使学生在愉悦的状态下进行移动学习、自主学习、项目学习和创客学习。让混合现实技术与教育完美结合，快速走进骨科学教育课堂，将为开启未来教育创新之路做出巨大贡献。
参考文献
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论文作者:马小军1 蔡郑东2(通讯作者)
论文发表刊物:《临床医学教育》2018年11期
论文发表时间:2018/11/17
标签：全息论文; 骨科论文; 现实论文; 技术论文; 影像论文; 学生论文; 手术论文; 《临床医学教育》2018年11期论文;