脊椎外科に関連する臨床研修において、3D画像技術と問題解決型学習モデルを組み合わせた手法の応用について研究する。
本研究では、徐州医科大学付属病院整形外科で2021年にインターンシップを行う予定の、臨床医学専攻の5年制課程の学生106名を被験者として選定した。これらの学生は無作為に実験群と対照群に分けられ、各群53名ずつとなった。実験群は3D画像技術とPBL学習法を組み合わせた学習方法を用い、対照群は従来の学習方法を用いた。研修後、両群の研修効果をテストとアンケートを用いて比較した。
実験群の生徒の理論テストの合計点は、対照群の生徒の合計点よりも高かった。両群の生徒は授業での成績を自主的に評価したが、実験群の生徒の成績は対照群の生徒の成績よりも高かった（P < 0.05）。学習への関心、教室の雰囲気、教室での交流、授業への満足度は、対照群の生徒よりも実験群の生徒の方が高かった（P < 0.05）。
脊椎外科の教育において、3D画像技術とPBL学習方式を組み合わせることで、学生の学習効率と興味を高め、学生の臨床的思考力の発達を促進することができる。
近年、臨床知識と技術の継続的な蓄積により、医学生から医師への移行にかかる時間を効果的に短縮し、優秀な研修医を迅速に育成できる医学教育とはどのようなものかという問題が注目を集めている[1]。臨床実習は、医学生の臨床的思考力と実践能力の発達における重要な段階である。特に、外科手術は、学生の実践能力と人体解剖学の知識に厳しい要求を課す。
現在、学校や臨床医学では依然として伝統的な講義形式の授業が主流である[2]。伝統的な教授法は教師中心であり、教師が教壇に立ち、教科書やマルチメディア教材などの伝統的な教授法を通して学生に知識を伝える。授業全体は教師によって行われ、学生は主に講義を聞くだけで、自由な議論や質問の機会は限られている。その結果、このプロセスは教師による一方的な教化に陥りやすく、学生は受動的に状況を受け入れることになる。そのため、教師は授業の過程で、学生の学習意欲が低く、熱意が乏しく、効果が低いことに気づくことが多い。さらに、PPT、解剖学の教科書、写真などの2D画像を用いて脊椎の複雑な構造を明確に説明することは難しく、学生がこの知識を理解し習得することは容易ではない[3]。
1969年、カナダのマクマスター大学医学部で、問題解決型学習（PBL）という新しい教授法が試験的に導入されました。従来の教授法とは異なり、PBL学習プロセスでは、学習者を学習プロセスの中心的な部分として扱い、関連する質問をきっかけとして、学習者がグループで自主的に学習、議論、協力し、受動的に答えを受け入れるのではなく、積極的に質問して答えを見つけることができるようにします。[5]。問題の分析と解決の過程で、学生の自主学習能力と論理的思考能力が発達します[6]。さらに、デジタル医療技術の発展により、臨床教育方法も大幅に充実しました。3Dイメージング技術（3DV）は、医療画像から生データを取得し、3D再構成用のモデリングソフトウェアにインポートし、データを処理して3Dモデルを作成します。この方法は、従来の教授法の限界を克服し、さまざまな方法で学生の注意を喚起し、特に整形外科教育において、学生が複雑な解剖学的構造を迅速に習得するのに役立ちます[7, 8]。そこで本稿では、これら2つの手法を組み合わせて、PBLと3DV技術、そして従来の学習モードを組み合わせた場合の実際的な効果を研究する。その結果は以下のとおりである。
本研究の対象は、2021年に当院の脊椎外科実習に参加した学生106名で、乱数表を用いて実験群と対照群に分け、各群53名とした。実験群は男性25名、女性28名で、年齢は21～23歳、平均年齢は22.6±0.8歳であった。対照群は男性26名、女性27名で、年齢は21～24歳、平均年齢は22.6±0.9歳であり、全員が研修医であった。両群間で年齢および性別に有意差は認められなかった（P>0.05）。
参加基準は以下のとおりです。(1) 臨床系学部4年生、(2) 自分の本当の気持ちを明確に表現できる学生、(3) 本研究の全過程を理解し、自発的に参加し、インフォームドコンセントフォームに署名できる学生。除外基準は以下のとおりです。(1) 参加基準のいずれにも該当しない学生、(2) 個人的な理由で本研修への参加を希望しない学生、(3) PBL教育経験のある学生。
生のCTデータをシミュレーションソフトウェアにインポートし、構築したモデルを専用のトレーニングソフトウェアにインポートして表示します。モデルは骨組織、椎間板、脊髄神経で構成されています（図1）。各部位は異なる色で表現され、モデルは必要に応じて拡大縮小や回転が可能です。この手法の主な利点は、CT画像をモデル上に配置でき、各部位の透明度を調整することで、遮蔽を効果的に回避できる点です。
a 背面図、b 側面図。モデルのL1、L3および骨盤は透明です。d CT断面画像をモデルと合成した後、上下に移動して異なるCT平面を設定できます。e 矢状CT画像の結合モデルと、L1およびL3の処理のための隠し命令の使用
研修の主な内容は以下のとおりです。1) 脊椎外科における一般的な疾患の診断と治療、2) 脊椎の解剖学の知識、疾患の発生と進行に関する思考と理解、3) 基本的な知識を教える手術ビデオ。従来の脊椎手術の段階、4) 脊椎外科における典型的な疾患の視覚化、5) デニスの三柱脊椎理論、脊椎骨折の分類、腰椎ヘルニアの分類など、覚えておくべき古典的な理論的知識。
実験グループ：教授法はPBLと3Dイメージング技術を組み合わせたものです。この方法には以下の側面が含まれます。1) 脊椎手術の典型的な症例の準備：頸椎症、腰椎椎間板ヘルニア、錐体圧迫骨折の症例について議論し、各症例で知識の異なるポイントに焦点を当てます。症例、3Dモデル、手術ビデオは授業の1週間前に学生に送られ、学生は3Dモデルを使用して解剖学的知識をテストするように促されます。2) 事前準備：授業の10分前に、学生に具体的なPBL学習プロセスを紹介し、学生が積極的に参加し、時間を最大限に活用し、課題を賢く完了するように促します。グループ分けは、すべての参加者の同意を得た後に行われました。8～10人の学生をグループに分け、自由にグループに分かれて症例検索情報について考え、自習について考え、グループディスカッションに参加し、互いに答え、最後に要点をまとめ、体系的なデータを作成し、議論を記録します。グループディスカッションやプレゼンテーションを組織するために、組織力と表現力に優れた学生をグループリーダーとして選びます。 3) 教師ガイド: 教師はシミュレーションソフトウェアを使用して、典型的な症例と組み合わせて脊椎の解剖学を説明し、学生がソフトウェアを積極的に使用して、CTのズーム、回転、再配置、組織の透明度の調整などの操作を実行できるようにします。病気の構造をより深く理解し記憶し、病気の発症、進行、経過における主要なつながりについて独立して考えるのを助けます。 4) 意見交換とディスカッション。授業前にリストアップされた質問に回答して、クラスディスカッションのためにスピーチを行い、十分なディスカッション時間の後、各グループリーダーにグループディスカッションの結果を報告するように促します。この間、グループは質問をしたり、互いに助け合ったりすることができますが、教師は学生の思考スタイルとそれに関連する問題を注意深くリストアップして理解する必要があります。 5) まとめ: 生徒について話し合った後、教師は生徒のパフォーマンスについてコメントし、よくある質問や議論の的となっている質問を要約して詳細に回答し、生徒がPBL教授法に適応できるように今後の学習の方向性を概説します。
対照群は従来型の学習方法を採用し、授業前に教材を予習するよう学生に指示した。理論講義を行うにあたり、教師はホワイトボード、マルチメディア教材、ビデオ教材、サンプルモデルなどの教材を使用し、教材に沿って授業内容を構成した。カリキュラムの補足として、このプロセスでは教科書の関連する難点と要点に焦点を当てた。講義後、教師は教材の内容を要約し、学生が関連知識を暗記し理解するよう促した。
研修内容に合わせて、筆記試験は持ち込み不可の形式を採用しました。客観問題は、長年にわたり医療従事者から寄せられた関連質問から選定されています。主観問題は整形外科部門が作成し、最終的に試験を受けない教員が評価します。学習に参加します。試験の満点は100点であり、その内容は主に以下の2つの部分から構成されています。1) 客観問題（主に多肢選択式問題）は、主に学生の知識要素の習熟度をテストするもので、全体の50%を占めます。2) 主観問題（症例分析問題）は、主に学生による疾患の体系的な理解と分析に焦点を当てたもので、全体の50%を占めます。
コースの最後に、2部構成で9問からなるアンケートが提示されました。これらの質問の主な内容は表に示されている項目に対応しており、学生はこれらの項目に関する質問に10点満点、最低1点で回答する必要があります。点数が高いほど、学生の満足度が高いことを示します。表2の質問は、PBLと3DV学習モードの組み合わせが、学生が複雑な専門知識を理解するのに役立つかどうかに関するものです。表3の項目は、両方の学習モードに対する学生の満足度を反映しています。
すべてのデータはSPSS 25ソフトウェアを使用して分析され、テスト結果は平均値±標準偏差（x±s）で表されました。量的データは一元配置分散分析（ANOVA）で分析され、質的データはχ2検定で分析され、多重比較にはボンフェローニ補正が使用されました。有意差（P<0.05）。
2つのグループの統計分析の結果、客観的質問（多肢選択式質問）のスコアは、対照群の学生の方が実験群の学生よりも有意に高かった（P < 0.05）。また、主観的質問（事例分析式質問）のスコアは、実験群の学生の方が対照群の学生よりも有意に高かった（P < 0.01）。詳細は表1を参照。
すべての授業後に匿名アンケートが配布されました。合計106のアンケートが配布され、106が回収され、回収率は100.0%でした。すべての用紙が記入されていました。2つの学生グループ間の専門知識の保有度に関するアンケート調査の結果を比較すると、実験グループの学生は脊椎手術の主要段階、計画知識、疾患の古典的な分類などを習得していることが明らかになりました。表2に示すように、その差は統計的に有意でした（P<0.05）。
両グループにおける授業満足度に関するアンケート回答の比較：実験グループの学生は、学習への関心、教室の雰囲気、教室での交流、授業への満足度において、対照グループの学生よりも高いスコアを示した。この差は統計的に有意であった（P<0.05）。詳細は表3に示す。
科学技術の継続的な蓄積と発展に伴い、特に21世紀に入ってからは、病院での臨床業務はますます複雑化しています。医学生が臨床業務に迅速に適応し、社会に貢献できる質の高い医療人材を育成するためには、従来の教化と統一的な学習方法では、実際の臨床問題を解決することが困難になっています。我が国の従来の医学教育モデルは、教室での情報量が多く、環境要件が低く、理論コースの教育ニーズを基本的に満たすことができる教育知識体系を備えているという利点があります[9]。しかし、この教育形態は、理論と実践の間のギャップ、学習に対する学生の主体性と熱意の低下、臨床現場での複雑な疾患を包括的に分析できないことなどを容易に引き起こし、したがって、高等医学教育の要件を満たすことができません。近年、我が国の脊椎外科のレベルは急速に向上しており、脊椎外科の教育は新たな課題に直面しています。医学生の訓練中、外科の中で最も難しい部分は整形外科、特に脊椎外科です。知識のポイントは比較的些細なものであり、脊椎の変形や感染症だけでなく、損傷や骨腫瘍にも関係しています。これらの概念は抽象的で複雑であるだけでなく、解剖学、病理学、画像診断、生体力学、その他の分野と密接に関連しているため、その内容を理解し記憶することが困難です。同時に、脊椎外科の多くの分野は急速に発展しており、既存の教科書に含まれる知識は時代遅れになっているため、教師が教えることが困難です。したがって、従来の教授法を変更し、国際的な研究の最新の発展を取り入れることで、関連する理論的知識の教授を実践的にし、学生の論理的思考能力を向上させ、批判的思考を促すことができます。現在の学習プロセスのこれらの欠点は、現代医学知識の境界と限界を探り、従来の障壁を克服するために緊急に対処する必要があります[10]。
PBL学習モデルは、学習者中心の学習方法です。発見的学習、自主学習、双方向の議論を通して、学生は熱意を十分に発揮し、知識の受動的な受容から教師の指導への積極的な参加へと移行することができます。講義中心の学習モードと比較して、PBL学習モードに参加する学生は、教科書、インターネット、ソフトウェアを使用して質問の答えを探したり、自主的に考えたり、グループ環境で関連トピックについて議論したりするのに十分な時間があります。この方法は、学生の自主的な思考力、問題分析力、問題解決能力を育成します[11]。自由な議論の過程で、異なる学生は同じ問題について多くの異なる考えを持つことができ、学生に思考を広げるプラットフォームを提供します。継続的な思考を通して創造的思考力と論理的推論能力を育成し、クラスメートとのコミュニケーションを通して口頭表現力とチームワーク精神を育成します[12]。最も重要なのは、PBLの指導によって、学生は関連知識を分析、整理、応用する方法を理解し、正しい指導方法を習得し、総合的な能力を向上させることができるということです[13]。研究過程において、学生は教科書から退屈な専門的な医学概念を理解することよりも、3D イメージング ソフトウェアの使い方を学ぶことに興味を持っていることがわかりました。そのため、本研究では、実験グループの学生は、対照グループよりも学習プロセスへの参加意欲が高い傾向がありました。教師は、学生が大胆に発言することを奨励し、学生の主題意識を高め、議論への参加への興味を刺激する必要があります。テスト結果によると、機械的記憶の知識に関しては、実験グループの学生の成績は対照グループよりも低いですが、関連知識の複雑な応用を必要とする臨床ケースの分析に関しては、実験グループの学生の成績は対照グループよりもはるかに優れており、3DV と対照グループの関係を強調しています。伝統医学を組み合わせる利点。PBL 教授法は、学生の総合的な能力を開発することを目的としています。
脊椎外科の臨床教育の中心は解剖学の教育です。脊椎は複雑な構造をしており、手術では脊髄、脊髄神経、血管などの重要な組織が関わるため、学生は学習するために空間的な想像力を養う必要があります。従来、学生は教科書の図や動画などの二次元画像を用いて関連知識を説明していましたが、これだけの資料があっても、学生はこの点に関して直感的で三次元的な感覚を持てず、理解が困難でした。脊髄神経と椎体セグメントの関係など、脊椎の生理学的および病理学的特徴は比較的複雑であり、頸椎骨折の特徴と分類など、重要かつ難しい点もあります。多くの学生は、脊椎外科の内容は比較的抽象的で、学習中に十分に理解できず、授業後すぐに学んだ知識を忘れてしまい、実際の業務で困難が生じると報告しています。
著者は3D可視化技術を用いて、学生に鮮明な3D画像を提示し、その異なる部分を異なる色で表現している。回転、拡大縮小、透明化などの操作により、脊椎モデルとCT画像をレイヤーごとに表示できる。椎体の解剖学的特徴が明確に観察できるだけでなく、学生の退屈な脊椎CT画像を入手したいという欲求を刺激し、可視化分野の知識をさらに強化する。過去に使用されていたモデルや教育ツールとは異なり、透明化処理機能により遮蔽の問題を効果的に解決でき、特に初心者にとって、細かい解剖学的構造や複雑な神経の方向を観察するのに便利である。学生は自分のコンピュータを持参すれば自由に作業でき、関連費用はほとんどかからない。この方法は、2D画像を使用した従来のトレーニングの理想的な代替手段である[14]。この研究では、対照群が客観的な質問でより良い成績を収めたことから、講義形式の教育モデルは完全に否定できるものではなく、脊椎外科の臨床教育において依然として一定の価値があることが示された。この発見を受けて、教育効果を最大化するために、従来の学習方法と3D可視化技術で強化されたPBL学習方法を組み合わせ、様々な試験やレベルの学生に対応できるかどうかを検討するに至りました。しかし、これら2つのアプローチをどのように組み合わせることができるのか、また学生がそのような組み合わせを受け入れるのかどうかは明らかではなく、今後の研究課題となるでしょう。本研究には、学生が新しい教育モデルに参加することを認識した後にアンケートに回答する際に、確証バイアスが生じる可能性があるなど、いくつかの欠点もあります。この教育実験は脊椎外科の分野でのみ実施されており、すべての外科分野の教育に適用できるかどうかは、さらなる検証が必要です。
我々は3Dイメージング技術とPBLトレーニングモードを組み合わせ、従来のトレーニングモードと教育ツールの限界を克服し、脊椎外科の臨床試験トレーニングにおけるこの組み合わせの実践的な応用を研究した。テスト結果から判断すると、実験群の学生の主観的テスト結果は対照群の学生よりも優れており（P < 0.05）、実験群の学生の専門知識と授業に対する満足度も対照群の学生よりも優れていた（P < 0.05）。アンケート調査の結果も対照群よりも優れていた（P < 0.05）。したがって、我々の実験は、PBLと3DV技術の組み合わせが、学生が臨床的思考を訓練し、専門知識を習得し、学習への興味を高めるのに役立つことを確認した。
PBLと3DV技術を組み合わせることで、脊椎外科分野における医学生の臨床実習の効率を効果的に向上させ、学生の学習効率と興味を高め、臨床的思考力の育成に役立てることができます。3D画像技術は解剖学の教育において大きな利点があり、全体的な教育効果は従来の教育方法よりも優れています。
本研究で使用および／または分析されたデータセットは、合理的な要請があれば各著者から入手可能です。当研究グループは、データセットをリポジトリにアップロードするための倫理的許可を得ていません。なお、機密保持のため、すべての研究データは匿名化されています。
Cook DA、Reid DA「医学教育研究の質を評価する方法：医学教育研究品質ツールとニューカッスル・オタワ教育尺度」。医学アカデミー。2015;90(8):1067–76。https://doi.org/10.1097/ACM.0000000000000786。
Chotyarnwong P、Bunnasa W、Chotyarnwong S、他。骨粗鬆症教育におけるビデオベース学習と従来の講義ベース学習の比較：ランダム化比較試験。Clinical experimental studies of aging. 2021;33(1):125–31. https://doi.org/10.1007/s40520-020-01514-2.
Parr MB、Sweeney NM「学部生向け集中治療コースにおける人体患者シミュレーションの使用」Critical Care Nurse V. 2006;29(3):188–98. https://doi.org/10.1097/00002727-200607000-00003.
Upadhyay SK、Bhandari S、Gimire SR「質問ベースの学習評価ツールの妥当性検証」医学教育。2011;45(11):1151–2。https://doi.org/10.1111/j.1365-2923.2011.04123.x。
Khaki AA、Tubbs RS、Zarintan S. 他。医学部1年生の一般解剖学における問題解決型学習と従来型教育に対する認識と満足度：イランの従来型カリキュラムへの問題解決型解剖学の導入。International Journal of Medical Sciences (Qasim)。2007;1(1):113–8。
Henderson KJ、Coppens ER、Burns S. 問題解決型学習の導入における障壁を取り除く。Ana J. 2021;89(2):117–24.
Ruizoto P、Juanes JA、Contador I、他。3Dグラフィカルモデルを用いた神経画像解釈の改善に関する実験的証拠。科学教育分析。2012;5(3):132–7。https://doi.org/10.1002/ase.1275。
Weldon M.、Boyard M.、Martin JL 他。神経精神医学教育におけるインタラクティブな 3D 可視化の使用。Advanced experimental medical biology. 2019;1138:17–27. https://doi.org/10.1007/978-3-030-14227-8_2.
Oderina OG、Adegbulugbe IS、Orenuga OO 他。ナイジェリアの歯科学生における問題解決型学習と従来型教育方法の比較。European Journal of Dental Education. 2020;24(2):207–12. https://doi.org/10.1111/eje.12486.
Lyons, ML「認識論、医学、問題解決型学習：医学部カリキュラムへの認識論的側面の導入」、医学教育社会学ハンドブック。Routledge: Taylor & Francis Group、2009年、221-38頁。
Ghani ASA、Rahim AFA、Yusof MSB 他。問題解決型学習における効果的な学習行動：範囲のレビュー。医学教育。2021;31(3):1199–211。https://doi.org/10.1007/s40670-021-01292-0。
Hodges HF、Messi AT。看護学士課程と薬学博士課程間のテーマ別専門職間研修プロジェクトの成果。看護教育ジャーナル。2015;54(4):201–6。https://doi.org/10.3928/01484834-20150318-03。
Wang Hui、Xuan Jie、Liu Li 他。「歯科教育における問題解決型学習とトピックベース学習」。Ann translates medicine. 2021;9(14):1137. https://doi.org/10.21037/atm-21-165.
Branson TM、Shapiro L、Venter RG「3Dプリントされた患者の解剖学的観察と3Dイメージング技術は、手術計画と手術室での実施における空間認識を向上させる。」Advanced experimental medical biology. 2021;1334:23–37. https://doi.org/10.1007/978-3-030-76951-2_2.
中国江蘇省徐州市徐州医科大学分院脊椎外科、郵便番号221006
全著者が研究の構想と設計に貢献した。資料の準備、データ収集、分析は、孫馬吉、楚富超、馮元が行った。原稿の初稿は高春九が執筆し、全著者が原稿の以前のバージョンにコメントを寄せた。著者らは最終原稿を読み、承認した。
本研究は徐州医科大学附属病院倫理委員会（XYFY2017-JS029-01）の承認を得て実施されました。参加者全員は研究開始前にインフォームドコンセントを得ており、被験者は全員健康な成人であり、本研究はヘルシンキ宣言に違反していません。すべての方法は関連するガイドラインおよび規制に従って実施されました。
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Sun Ming、Chu Fang、Gao Chengら。「脊椎外科教育における3Dイメージングと問題解決型学習モデルの組み合わせ」BMC Medical Education 22, 840 (2022)。https://doi.org/10.1186/s12909-022-03931-5
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投稿日時：2023年9月4日