Interaktive intraoperative Annotation chirurgischer Anatomie in der studentischen Ausbildung zur Unterstützung der Lerneffizienz und -motivation

Die vorliegenden Daten wurden von Studierenden im fünften bis zehnten Semester Humanmedizin erhoben. Während regulärer Anwesenheitspraktika wurden die Studierenden, ohne vorherige Ankündigung, zufällig drei verschiedenen Gruppen zugewiesen: Selbststudium (Kontrollgruppe), 2‑D-Gruppe oder 3‑D-Gruppe.

Zur Ermittlung des Wissensstands mussten alle Studierenden zehn vorgekennzeichnete anatomische Strukturen im Schläfenbein zu benennen (Tab. 1, Spalte 1; [15]). Im Anschluss wurde Informationsmaterial verteilt, bestehend aus einem Operationsbericht über eine Cochleaimplantation und dazugehöriges Bildmaterial [15, 16]. Nach Sichtung des Materials (30 min) erfolgte für die Kontrollgruppe nach Selbstlerneinheit die Wissensüberprüfung durch Benennung von elf Strukturen an ausgedruckten intraoperativen Bildern (Tab. 1, Spalte 2; Abb. 1).

Die 2‑D- und 3‑D-Gruppen verfolgten währenddessen eine mikrochirurgische Operation im Operationssaal. Als Modelloperation wurde die Cochleaimplantation gewählt. Die Operation ist hochgradig standardisiert. Die Präparation erfolgt entlang statischer chirurgisch-anatomischer Landmarken. Die betroffenen Patient*innen haben in der Regel ein anatomisch-topographisch gesundes Schläfenbein, weshalb die Operation für die Überprüfung des Lernzuwachses bei anatomischen Bezugspunkten besonders geeignet erscheint. Innerhalb des Saals wurde die Operation mit einem volldigitalen Operationsmikroskop (Arriscope Evo2 ENT, Fa. MSI, München, Deutschland) mit der Fähigkeit, ein 2‑D- und ein 3‑D-Bild zu übertragen, demonstriert. Der Bildausschnitt, die Größe und das Operationsfeld waren für Operateur und Beobachter identisch. Die Live-Bilder wurden den Studierenden auf 65-Zoll-3-D-Displays (LG 65EF9509, Fa. LG Electronics, Seoul, Republik Korea) präsentiert. Die zwei Displays waren so positioniert, dass alle Studierenden einen direkten Blick auf die Bildschirme hatten, ohne dass es zu Blickwinkelverzerrungen kam. Alle teilnehmenden Studierenden beobachteten die chirurgischen Eingriffe entweder in 4K-Qualität in 2‑D-Ansicht (2-D-Gruppe) oder in 3‑D-Ansicht (3-D-Gruppe) mit passiven, polarisierten 3‑D-Brillen (Fa. Schleiter & Jauernig, Hamburg, Deutschland) in audiovisueller Echtzeit. Durch eine Touchscreen-Bedienoberfläche am Operationsmikroskop wurde das Betrachten und das grafische Annotieren auf dem Operationsfeld durch die Studierenden zur Markierung anatomischer Strukturen, ermöglicht („assist mode“). Alle Studierenden mussten zehn Strukturen aus dem Operationsfeld benennen (Tab. 1, Spalte 3) und diese kennzeichnen (Abb. 2). Die angezeichneten Strukturen wurden im digitalen Binokular direkt vor den Augen des Chirurgen sichtbar. Dieser konnte, ohne sich vom Binokular abwenden zu müssen, eine Aussage über richtig und falsch markierte anatomische Strukturen tätigen. Vor der Operation gaben die Patienten eine schriftliche Einverständniserklärung für die anonymisierte Übertragung der chirurgischen Bildgebung zu Lehrzwecken ab.

Nach Ende der Selbstlerneinheit sowie nach Abschluss der Live-Operation füllten die Studierenden einen Bewertungsfragebogen aus, um den subjektiven Wert der unterschiedlichen Visualisierungsmethoden zu evaluieren. Die ersten acht Fragen waren auf einer 5‑Punkte-Likert-Skala zu beantworten (volle Zustimmung = 1 Punkt; Zustimmung = 2 Punkte; unentschieden = 3 Punkte; eher keine Zustimmung = 4 Punkte; keine Zustimmung = 5 Punkte, keine Antwort möglich = 6 Punkte), und drei Aussagen waren mit einer Ratingskala und Abstufungen von sehr gut bis mangelhaft zu bewerten. Die Fragen der Evaluationsbögen sind Tab. 2 zu entnehmen. Die Ergebnisse der Auswertung wurden mit der Software Prism (Version 8, Fa. GraphPad Software, La Jolla, CA, USA) deskriptiv ausgewertet. Es wurden die Normalverteilung geprüft, Mittelwerte (M) sowie Standardabweichungen (SD) berechnet und Prozentsätze ermittelt.

Insgesamt nahmen 47 Studierende an der Pilotstudie teil, und 45 füllten die Evaluationsbögen aus. Die jeweiligen Antworten sind Abb. 3 und 4 zu entnehmen. Alle Studierenden füllten zudem eine Wissensstanderhebung aus. Nach Aufteilung der Studierenden führten 31 das Selbststudium durch und füllten im Anschluss die Wissensüberprüfung aus. Im Operationssaal nahmen 6 Studierende in 2‑D und 10 Studierende in 3‑D an einer Cochleaimplantation teil.

Durch eine zunehmende Digitalisierung hat sich nicht nur das gesellschaftliche Leben, sondern auch die Anforderungen an eine moderne Gesundheitsversorgung und Revolutionierung der Lehre verändert. Innerhalb der letzten Jahre haben neue technologische Innovationen zunehmend die Medizin und Lehre erreicht und somit ebenso die Anforderungen an der Durchführung neuartiger Lehrmethoden verändert [17]. Die konventionelle Wissensaneignung mit Lehrbuch und bibliothekarischem Lernen scheint veraltet. Moderne Lehrformate haben den Anspruch, traditionellen Lehrmethoden überlegen zu sein. Beispielsweise wird durch die Digitalisierung in der Lehre nachweislich die Lernmotivation gesteigert [18, 19]. Bei der Erprobung neuer Lehrmethoden ist neben objektiven Verfahren auch der subjektive Nutzen von großer Bedeutung, da besonders die individuelle Wahrnehmung des Lernens durch die Studierenden als ein Hauptindikator für den Lernerfolg angesehen wird [3, 20, 21]. Das Fachgebiet der Hals-Nasen-Ohren-Heilkunde ist breit gefächert und aufgrund hervorragender Visualisierungsmöglichkeiten besonders gut für die Entwicklung neuer Bildungsressourcen geeignet [22, 23]. Studierende zeigen insgesamt ein hohes Interesse an der Modernisierung und Digitalisierung in der HNO-Ausbildung [23].

Für das konzeptionelle Verständnis der Anatomie ist das Erlernen von 3‑D-Beziehungen im Operationsfeld, der Orientierung zwischen Mikrostrukturen und individuellen chirurgischen Proportionen von großer Bedeutung [24, 25]. Studien haben gezeigt, dass digitale 3‑D-Modelle eine wertvolle Ergänzung zu bestehenden Lehrmethoden, insbesondere für komplizierte mikrochirurgische Strukturen, sein können [7, 26, 27]. Die Mikrochirurgie des Schläfenbeins setzt ein präzises Arbeiten sowie ein detailliertes anatomisches Wissen zwingend voraus.

Die meisten mikrochirurgischen Eingriffe werden mit konventionellen optischen Operationsmikroskopen durchgeführt, die eine stereoskopische Sicht mit binokularem Sehen für den Operateur durch das Mikroskop ermöglichen. Die Übertragung der Operation für die Studierenden erfolgt durch einen zusätzlichen Strahlenteiler, entweder monokular oder an eine Kamera gekoppelt, um auf einem separaten Bildschirm die Operation binokular verfolgen zu können. Das binokulare Sehen ist dem monokularen überlegen. Studien zeigen, dass bei Probanden, denen zudem die Möglichkeit der Stereovision fehlt, das binokulare nichtstereoskopische Sehen beim Erlernen chirurgischer Fertigkeiten von Vorteil ist [28]. Für die Studierenden ist es einfacher, die Operationsschritte und Kommentare des Operateurs nachvollziehen zu können, wenn sie die gleiche Sicht wie der Chirurg auf das Operationsgebiet haben. Die Verbesserung der chirurgischen Visualisierung stellt einen hohen Mehrwert für die Qualität der Lehre dar [3, 7].

80 % der Studierenden bewerteten die Überlegenheit der 3‑D-Visualisierung gegenüber der 2‑D-Visualisierung hinsichtlich der Wahrnehmung anatomischer Topographie und Strukturen und 70 % der Studierenden die 3‑D-Lernmethode mit sehr gut. Auch gaben die Studierenden eine subjektiv gesteigerte Einprägsamkeit gezeigter Strukturen und Lernmotivation an. Für einen messbaren Vorteil im Lernzuwachs für die Benennung anatomischer Landmarken trifft dies allerdings nicht zu. Hinsichtlich der Wissensstanderhebung und Lernkontrolle/Benennung chirurgisch-anatomischer Landmarken im Assistentenmodus zeigten sich unterschiedliche, teils stark variierende und nicht vergleichbare Ergebnisse. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Studierenden verschiedenen Semestern zugehörig waren, sie einen unterschiedlichen Kenntnisstand hatten und die Stichprobengrößen für die Komplexität der Anatomie möglicherweise zu klein sind. Zur Messung des Lernzuwachses in Abhängigkeit von der Methode sind die Testgruppen bezüglich ihres Kenntnisstands vor der Testung bei zukünftigen Studien zu nivellieren. Die vorliegenden Untersuchungen zeigen, dass der Lernzuwachs bei den Studierenden unterschiedlich und stark von verschiedenen Faktoren (Vorkenntnisse, Eigenmotivation) abhängig ist. Praktische Fertigkeiten für angehende Otochirurgen werden nicht vermittelt. Psychomotorische Lernstrukturen sind abhängig von der Anzahl der praktizierten Repetitionen, wie Untersuchungen zu Fertigkeiten bei der HNO-Spiegeluntersuchung zeigen [29]. Als „Outcome-Parameter“ zur Evaluation einer solchen Lehrmethode kann der Lernzuwachs für praktische Fertigkeiten nur bedingt herangezogen werden.

Die Evaluation zeigte richtungsweisend, dass die verwendeten Visualisierungsmöglichkeiten das Interesse der Studierenden steigerten und somit zu einem subjektiv bedeutenden Nutzen und langfristig zu einer Motivationssteigerung führt [18, 20, 30]. Zudem zeigen die Ergebnisse, dass der gefühlte Lernzuwachs für die Studierenden wesentlich höher ist, wenn die gezeigte Operation in persönlicher Interaktion mit dem Operateur und Erklärungen am Bildschirm in hoher Bilddarstellungsqualität erfolgt. Im Vergleich zum Selbststudium zeigten sich die Studierenden der 2‑D- und 3‑D-Gruppe deutlich zufriedener und damit auch motivierter. Der Zuwachs an didaktischer Qualität ist signifikant höher bei dieser Form der Lehre. Zwischen den beiden interaktiven Gruppen 2‑D/3-D lässt sich mit der verwendeten Evaluation kein signifikanter Unterschied in den Ergebnissen der subjektiven Qualität der Lehrmethode nachweisen. Die Vorteile der Verwendung hochauflösender Echtzeit-Bilddarstellung gegenüber papierbasierter Lehre von Operationsverfahren ist möglicherweise derartig groß, dass sie viel leichter messbar sind gegenüber den didaktischen Unterschieden der 2‑D- und 3‑D-Darstellung. Für den Nachweis des didaktischen Vorteils von 3‑D- gegenüber 2‑D-basierter visueller Lehre sind speziellere Testdesigns für die verblindete Testung und/oder der direkte Vergleich der Visualisierung für die Testpersonen wahrscheinlich geeigneter. Eine weitere Limitation dieser Pilotstudie ist die geringe Anzahl an teilnehmenden Studierenden, besonders bezüglich der 2‑D- und 3‑D-Gruppen, die in die Untersuchung eingeschlossen werden konnten. Dies ist bedingt durch die Einschränkungen des Präsenzunterrichts und die Reduktion des elektiven Operationsprogramms aufgrund der COVID-19-Pandemie. Um diesen Limitationen zu entgegnen, soll in einem nächsten Schritt die Etablierung des multimodalen Lehrkonzepts der 3‑D-Visualisierung anhand einer größeren Gruppe von Studierenden eines gesamten Semesters verglichen werden.

Vor dem Hintergrund der durch die COVID-19-Pandemie resultierenden Einschränkungen des Präsenzunterrichts zeigen die vorliegenden Ergebnisse, dass die Studierenden auch mit privaten Endgeräten von zu Hause aus in 2‑D-Ansicht an einer Operation teilnehmen könnten. Neben innovativen Lehrformaten, erzwungen durch Kontaktbeschränkungen, lässt sich schlussfolgern, den technischen Vorteil für zentrale Lehrformate zu nutzen [31‐34]. Strukturschwache Länder könnten von der zentralen Ausstrahlung audiovisueller Inhalte mit direkter Interaktion für die Studierenden besonders profitieren [35]. Beispielsweise können seltene oder zentralisierte Operationsverfahren sowie Behandlungen aus Schwerpunktkliniken für die Ausbildung transparent gemacht werden. Da sich sowohl für die 2‑D- als auch die 3‑D-Visualisierung ein positiver Effekt zeigte, gilt es sicherzustellen, dass diese visuellen interaktiven Technologien integraler und zugänglicher Bestandteil regulärer Lehrmethoden werden. Die technische Ausstattung der ausbildenden Klinika und Universitäten ist entsprechend anzupassen. Sie stellt eine effiziente Methode dar, die das umfangreiche Selbststudium unterstützt [19, 36].