神经外科围手术期3D动画视频的设计创作及应用

Design, creation, and application of 3D animated videos for Neurosurgical perioperative procedures

摘要

目的 探索神经外科围手术期3D动画视频的设计创作及应用效果。 方法 通过资料收集、手术观摩、脚本设计，使用3DPainter、Powerpoint 2019软件和Cartoon Animator 4 PRO软件创作神经外科围手术期3D动画视频，制作完成后实施专家函询，根据意见修改定稿并应用于临床护士培训，在培训前后进行理论测试，观察培训效果。 结果 专家函询评价得分（51.57±3.15）；培训前护士理论测试得分37.5（35，40），培训后护士理论测试得分42.5（40，45）（Z=-2.798，P<0.01）。 结论 神经外科围手术期3D动画视频为临床护理培训提供了一种创新方法，值得在今后的教学中进一步使用。

Abstract

Objective To explore the design, creation, and application effects of 3D animated videos for Neurosurgical perioperative procedures. Methods Through data collection, surgical observation, and script design, 3D animated videos for Neurosurgical perioperative procedures were created using 3DPainter, PowerPoint 2019, and Cartoon Animator 4 PRO. After completion, expert feedback was collected, and revisions were made based on suggestions before finalizing the videos for clinical nursing training. Theoretical tests were administered before and after training to evaluate the effectiveness. Results Expert feedback scores averaged (51.57±3.15); pre-training nursing theoretical test scores were 37.5 (35,40) points, while post-training scores reached 42.5 (40,45) points (Z=-2.798, P<0.01). Conclusion The 3D animated videos for Neurosurgical perioperative training provide an innovative method for clinical nursing education, demonstrating its value for future instructional applications.

Graphical abstract

关键词

神经外科 / 围手术期 / 护理培训 / 3D动画视频

Key words

Neurosurgery / perioperative period / nursing training / 3D animated video

由于神经系统空间结构复杂，即便是微小的解剖细节都可能对疾病产生至关重要的影响，多年来神经系统教学培训都被认为是医学课程中难度较高的领域之一。神经外科显微技术、内镜技术的发展迅猛，手术精细程度不断提高，对神经外科护士专科培训提出更大挑战。针对医学教育培训，Pandey N等^[1]认为充分形象地展现生理活动过程对学习者理解医学专业知识起到举足轻重的作用。目前，神经外科护士虽完成各类理论和实践培训，但很少能参与手术，也缺乏对医疗技术开展方法、手术过程、术中骚扰产生相应并发症等进行系统性学习，制约了其护理专科水平的提升。19世纪70年代，美国神经外科医师Vactor Horsley邀请护士观看手术，以便术后更好地护理患者^[2]，可见手术过程学习对神经外科护士培养有着重要意义。国内也有学者以医师讲解手术视频作为护士培训内容^[3]，相较于组织护士到手术室观摩手术，视频学习不受空间和时间限制，能使护士较直观地了解手术过程。但对于护士而言，在不具备相关解剖知识前提下直接观看手术或手术视频，理解难度较大，且培训内容多以医师角度阐述，因医护信息量不对等极易产生理解偏差。如果术中使用显微镜和内镜等器械，成像仅为非常小的孔洞局部，观看时缺乏整体空间感，也影响培训效果。随着计算机技术和信息技术的快速发展，医学动画被广泛地运用于课堂教育和临床培训，学者们认为医学动画能够突破时间、空间、宏观与微观的限制，呈现人眼与摄像机无法捕捉的动态过程^[4-8]。其中，三维动画（three-dimensional animation，简称3D动画）因其优越的立体效果，精细的图像表达，能使难以理解的知识直观再现。目前，国内3D动画运用广泛，包括医学研究、医学教育等领域，尤其是在人体解剖学课程改革研究中，3D动画不仅从纵、横、深三个方向构图实现立体效果，而且可以解决以往教学模式中图片连续性差、展示不直观等问题，若结合教学模式的创新可大幅度提高学生或受训者的积极性^[9-14]。神经外科一向是尖端技术运用的前沿学科，国内外医疗工作者已将诸如3D-Slicer 软件与CT、MRI数据进行多模态融合，建立虚拟三维可视化模型，为手术患者提供个性化、精准化治疗方案，可见3D可视化技术非常适合结构复杂的神经外科医疗和教学^[15-19]。较早将3D动画视频应用于临床护理培训的报道来自于Ortega-Morán JF等，他们认为随着微创外科的飞速发展，大多数护士缺乏经验及培训，无法更好地完成临床工作，因此开发以3D视频、3D设计为主的腹腔镜混合交互式学习模块，帮助护士从护理角度理解腹腔镜手术概念^[20]。在这些报道当中，自主设计的动画以2D为主，部分3D动画资料来自网络或请第三方公司制作，下载版动画对专业知识强调与解释不足，还存在版权问题，第三方公司的制作成本和时间成本极高。本文旨在介绍模拟神经系统肿瘤手术的3D动画设计创作流程，进一步探讨医学动画在专科护理培训中的应用前景。

1 方法

1.1 脚本设计

课题主创人员均为神经外科护士，在查阅大量资料及手术观摩基础上，按照神经外科肿瘤常见分区，自主设计三组系列动画，包括蝶鞍区、桥小脑角区、天幕区，动画脚本设计框架遵循以下思路：

1.1.1 手术分区概述

通过3D动画从整体到局部展现手术分区所在位置，辅以讲解介绍该区域解剖特点和常见病变类型。以蝶鞍区为例，首先讲解蝶骨定义，构建蝶骨与颅腔的结构关系，示意手术区域位置，然后按照肿瘤生长部位介绍分型，为护士构建立体空间概念。

1.1.2 基础解剖展现

详细展示手术区域基础结构，通过动画动态演示解剖层次。以蝶鞍区为例，讲解相关组织结构丘脑、垂体、视交叉的关系，介绍术区硬脑膜和骨性结构特点，增强护士对手术区域的概念。

1.1.3 毗邻结构回顾

回顾手术区域毗邻重要组织结构，包括主要的动脉、静脉、神经、脑室系统等，强调术中保护重要结构对治疗效果和并发症发生的影响，启发护士运用临床护理思维。

1.1.4 手术入路选择

根据肿瘤生长部位和特点，讲解手术入路选择，包括以3D动画显示入路视角下组织与病变的关系。以蝶鞍区肿瘤为例，分为经鼻蝶入路、经前纵裂入路、经翼点入路，提高护士对不同入路选择策略的理解。

1.1.5 常用器械介绍

介绍手术中常用器械种类及其使用方法，通过3D动画演示器械的操作，使护士了解器械功能和术中使用。

1.1.6 手术基本步骤

模拟该区域某个手术入路基本操作步骤，包括皮肤切开、骨瓣取出、硬脑膜分离、重要组织结构保护、病变切除、术中止血、硬脑膜修补、引流管放置等，通过3D动画和内容讲解展示每个操作步骤，帮助护士理解手术过程。

1.1.7 护理要点指引

结合基础解剖和手术过程，总结该区域围手术期护理要点，动态展示患者出现的症状和并发症的因果关系，提出专科护理要点，使护士知其然也知其所以然，培养理论与临床相结合的专科护理思维。

1.2 开发创作

3D绘图使用3DPainter、Powerpoint 2019软件，动画处理使用Cartoon Animator 4 PRO软件，音频使用语音合成助手软件，培训视频合成使用Powerpoint 2019软件。

1.2.1 图像绘制

创建3D图形素材库，素材分为两类：一类为手术器械，另一类为神经组织结构。两类素材均参照实物或2D平面图，使用3DPainter和Powerpoint 2019绘制3D效果。器械各关节和神经组织结构均可拆分为独立的图形元件，组合时根据层级水平关系使用三维旋转和高度调整达到嵌合效果，以适应动画制作需要。如图1所示。

1.2.2 动画处理

首先，根据脚本内容命名每个图形元件并导入Cartoon Animator 4 PRO软件，利用三维图层空间细化元件层次，表达毗邻组织结构关系和手术器械操作过程。然后，进行模拟动画，手术分区概述中，创建颅腔半透明图层背景，依次添加骨质、神经、血管等元件图形，如桥小脑角区第5~12对颅神经讲解中，通过编辑关键帧加入出现、摄影机缩放、移动、聚焦物体等实现解剖细节动画，帧数与音频时长对应（如图2所示）。手术模拟演示中，以冠状位半开放颅腔图层为背景，根据手术入路调整颅腔位置。演示包括经鼻蝶入路、乙状窦后入路、枕下入路的肿瘤切除术。手术过程中使用显微镜或内镜时设置两个镜头影像，主镜头展现颅脑整体解剖视角，可随操作步骤了解手术进入脑区的位置，分镜头为操作镜下视角，可观察手术镜下细节。所有动画均利用关键帧和补间动画完成元件图形的动态效果。如图3所示。

1.2.3 音频合成

按动画片段撰写音频讲解稿，导入语音合成助手软件选择语音和风格，调整语速及音调，在某些需要分隔点插入停顿，以使讲解自然流畅。音频以片段内容命名保存为48K、Mp3格式，导入Cartoon Animator 4 PRO软件，编辑音轨与动画同步，如果讲解内容较长，可适当增加动画帧数以达到音画匹配。

1.2.4 视频导出

完成动画制作后以MOV格式导出，画面分辨率为1680×1050，保存时应注意设定结束帧。因视频导出后主要应用于专科护士培训，所以选择苹果IOS系统QuickTime对视频进行剪辑，以便配合后期课程培训需要。

1.3 设计评价

视频制作完成后，组织7位从事神经外科医疗、护理和教学相关工作的专家进行该视频的函询评价，其中包括视频内容、视觉效果、清晰度、手术步骤、常用器械介绍、围手术期护理要点等指标，同时收集专家对视频实用性、可用领域等的看法，并提出修改意见。问卷采用Likert 5级评分法对指标进行评价，熟悉程度分为“熟悉”“较熟悉”“一般”“不太熟悉”和“不熟悉”，分别赋分为1、0.8、0.5、0.2、0；判断依据包括“理论分析”、“工作经验”、“对国内外资料了解”和“直觉”四个方面，分别赋分为0.3、0.5、0.1、0.1；评价指标从“不满意/不认同”到“非常满意/非常认同”依次记1~5分。

1.4 培训应用

根据专家意见完成视频修改并应用于神经外科临床护士培训。共18名护士参与培训，采用前后理论测试成绩对照观察培训效果。

1.5 统计分析方法

采用SPSS 26.0软件对数据进行统计分析，比较18名护士培训前后理论成绩差异。数据经S-W检验，后测成绩非正态分布（P<0.05)，故采用Wilcoxon配对样本秩和检验，以中位数和四分位距M（P₂₅,P₇₅）进行描述。

2 结果

2.1 专家函询评价

2.1.1 专家基本情况

参与函询专家7名，其中医疗专家4名（57%），护理专家3名（43%）；男性4名（57%），女性3名（43%）；工作年限均大于15年；本科2名（29%），硕士1名（14%），博士4名（57%）；中级职称1名（14%），副高及以上6名（86%）。

2.1.2 专家积极系数

通过问卷回收率和专家提出建议比例反映专家积极系数。共发放问卷7份，回收7份，有效回收率100%。其中，3名(43%)专家提出修改意见。

2.1.3 专家权威系数

通过判断依据系数(Ca)与熟悉程度系数(Cs)计算专家权威系数(Cr)。专家函询Cr为0.96，Ca为1.00。Cs为0.91。如表1所示。

2.1.4 专家评价及意见

专家对3D动画视频评价满分55分，平均分为（51.57±3.15）。如表2所示。

医疗专家意见集中于解剖知识和手术步骤，比如专家提到某些精细解剖结构画面需注意标识得清晰规范，可加入实际手术图像与模拟图进行对比，并配合文字解释加深受训者印象；护理专家意见则多考虑到低年资护士接受度，认为应放缓基础解剖的讲解速度，且应在调整视角时为受训者陈述目前处于什么位置，如矢状位、冠状位等，以便低年资护士能更好地理解与接受。

2.2 培训效果

2.2.1 护士基本情况

18名临床护士平均年龄（33.67±4.70）岁；学历均为本科及以上；职称结构：主管护师12 人，护师6 人；护士层级：N1级7 人，N2级8 人，N3级3 人。18名护士均已参加过以往其他形式的临床技能与理论培训，有一定的知识积累。

2.2.2 培训前后护士理论成绩比较

理论测试成绩满分50分。经过培训，护士的理论后测成绩中位数为42.5（40，45）分，高于前测成绩中位数37.5（35，40）分，两组总分存在统计学差异（Z=-2.798，P<0.01)，说明3D动画视频对提高培训效果有一定影响。如表3所示。

2.2.3 理论成绩各维度比较

理论测试分别包含分区概述、基础解剖及手术相关、围手术期护理要点三个知识维度，其中基础解剖及手术相关知识前测与后测成绩差异具有统计学意义。如表4所示。

3 结论

3.1 专家评价

通过问卷调查可以看出，专家对视频制作总体评价较高，尤其是内容全面性、护理要点实用性、3D动画效果在各模块中应用的有效性、视频使用的广泛性等方面；但评价条目中手术分区、基础解剖、手术器械介绍仍有改进提升的空间。这也反映出从护士角度出发制作手术相关视频，应更加全面地收集资料和请教专家，尽可能地体现新技术在临床中的运用。另外，专家认为3D动画视频可进一步丰富完善，用于神经外科多个亚专业及其他外科，同时可在门诊宣教，医护沟通配合等方面发挥作用。

3.2 3D动画视频用于临床护士培训

应用3D动画视频对护士进行培训后，护士的理论测验成绩高于培训前，说明该模式对临床护理培训效果有积极影响，特别是护士平时较难理解的基础解剖和手术相关知识方面，因其侧重讲解手术分区、手术入路、手术过程、使用器械、毗邻结构等，能提高护士对每个关键步骤的认识并结合日常工作更好地建立临床护理思维。但从三个维度比较也不难发现，分区概述未达到培训的预期效果，这是由于该部分虽作为开篇引导但讲解不够深入，某些内容一笔带过导致护士印象不深。围手术期护理要点的测试前后成绩无统计学差异，这说明日常护理培训已达到一定效果，护士对该部分内容熟悉程度较高，只有个别低年资护士仍需加强培训。

4 讨论

4.1 3D动画视频设计开发

视频设计开发由护士独立完成，在制作过程中有以下几方面需要注意：第一，取材科学严谨。设计初期需大量收集资料和素材并认真进行比对，保证取材的科学性和严谨性，避免后期制作时出现基本概念错误而重复返工。第二，脚本撰写准确。主创人员应实际观摩手术并记录要点，详细了解术中所需器械的性能和应用场景等，根据观摩要点撰写脚本，并由主刀医师审核给出修改意见，在某些重点环节给予提示及标注，确保无顺序或表述方面的错误。第三，注意元件细节。绘制图形元件时应注意草图渲染3D效果时的细节，尤其是解剖层次关系。比如，经鼻蝶垂体瘤切除术，手术视路在垂体前下方，神经内镜左右为两侧海绵窦。颈内动脉穿过海绵窦，上方为视神经，制作时可使用嵌合功能调整元件位置，准确表达手术视路下的组织结构关系。另外，制作元件时应符合目前学科研究进展。比如，第七、第八对颅神经并行出入颅腔，当听神经发生病变时，肿瘤常将神经推挤至其腹侧面，且多由内耳道向脑干方向生长^[21]，手术动画应呈现此细节（如图4所示）。第四，突出动画展示。3D动画视频教学存在节奏较快，学习者还未完成思考就被动接受其他直观信息的问题^[9]。因此，须加强动画文字表述和标识，详细讲解重点内容。对于细微解剖结构可使用Cartoon Animator 4 PRO软件中摄像头缩放、移动等功能进行聚焦。

4.2 3D动画视频设计开发的意义

3D动画视频具有立体直观的表达优势，在内容设计上注重知识的递进关系，从基础解剖到手术步骤的讲解，引导观看者理解围术期护理要点的由来。系列视频可根据护理培训的不同需求增减内容和重难点，通过后期制作还可用于健康科普、健康宣教等场景。视频设计开发不仅要求护士深入学习专科知识，了解技术前沿，同时也培养了护士的跨学科知识运用能力，如计算机软件运用、教学培训创新等。

4.3 3D动画视频设计开发的局限

主创人员需具备绘画与计算机软件运用能力，想在短时间内实现有一定困难，并且素材收集整合、元件设计制作、视频剪辑优化等都须耗费大量时间精力，临床工作以外很难兼顾设计开发。另外，制作3D动画视频的软件众多，且目前AI功能强大，最适合开发医学类视频的软件有待探索。

5 结束语

护士自主设计开发3D动画视频时应重视前期积累及医护协同，保证内容的科学性与严谨性。设计创作应选择最为合适的计算机软件，对视频内容不断优化达到最佳呈现效果。本研究为临床护理培训提供一种创新方法，对培训效果有一定影响，但由于纳入培训的护士样本量较小，需在将来工作中进一步实施验证。

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基金资助

云南省教育厅科学研究基金项目(2023Y0745)

云南省神经心脏系统疾病临床中心项目(YNLCYXZX2023300077)