網絡環境下數字切片庫的構建及其在病理教學中的應用△

劉宇飛 汪慧娟 胡余昌 魯 華 黃益玲 郎博娟

(1.三峽大學病理學研究所&宜昌市中心人民醫院病理科 宜昌 443003；2.宜昌市中心人民醫院財務科 宜昌 443003；3.三峽大學病理學研究所&三峽大學醫學院病理學系 宜昌 443000)

病理學是臨床醫學與基礎醫學的橋梁學科，在臨床醫療實踐中，依靠直觀地觀察疾病的形態學改變來作出病理學診斷，是迄今診斷疾病的最可靠的方法。作為一門直觀性很強的形態學課程，病理學實驗課教學居于非常重要的地位，其教學效果直接影響著臨床醫學生對病理學知識的理解和掌握，以及運用病理學知識分析疾病的能力。傳統教學模式中基于顯微鏡下觀察病理切片，辨識病變組織的形態特征是病理學實驗課教學的重點和難點。然而，目前傳統的病理實驗教學實踐中卻存在以下一些問題：(1)囿于宏觀和微觀的巨大差異，學生往往不能準確辨認出病變組織的鏡下特點；(2)傳統病理學實驗教學所用的玻璃切片數量少、易毀損且缺乏特殊染色和稀缺標本；(3)組織來源不一、玻片制作水平不一，染色深淺各異，制作切片標本的蠟塊也會由于切片深度不一，導致形態結構不一致，切片的質量難以保證；(4)學生學習必須依賴于顯微鏡和實驗室觀察標本，需在專業實驗室內進行，受時間和空間的限制。以上問題導致了學生在病理學實驗中處于被動接受為主的地位，缺少獨立思考和強化訓練的過程，不利于發揮學生學習的主動性，教學效果不佳，難以培養學生團隊協作和創新能力。

隨著信息化技術的迅猛發展及新的教學理念的轉換，將普通HE或特殊染色的玻片掃描、重構成數字化切片，以圖像的方式呈現給學生，模擬顯微鏡觀察切片全過程的全數字病理切片技術給傳統的病理學實驗教學帶來全新模式的變革。而結合網絡教學平臺的應用可以實現病理教學資源的共享，克服了傳統病理實驗教學依賴實驗室顯微鏡才能觀察切片的固有弊端，打破了時間和空間限制，方便學生進行主動學習。因此，構建病理學數字切片庫并用于教學可有效利用和整合資源、創建新的實驗教學體系，推動教學改革和信息化進程。本文結合近年來的工作經驗探討網絡環境下病理數字切片庫的構建以及在實際教學中的應用，現報道如下。

1 材料和方法

1.1 材料

根據人民衛生出版社全國統編教材《病理學》(第8版)的內容，結合作者所在單位三峽大學病理學研究所的實驗教學大綱和教學內容，挑選病變形態特征典型、染色均衡鮮艷、無明顯褶皺和刀痕的切片為數字切片的母版，從100余張教學切片中精選80張不同類型典型病例的HE染色切片。

1.2 方法

應用國產全自動數字切片掃描儀(江豐生物科技有限公司，型號：KF-PRO-005)掃描成數字切片。制備過程如下：首先使用全自動顯微掃描平臺，在低倍物鏡(2倍)下快速掃描整張切片，掃描系統在此基礎上自動生成建?；c，再在高倍物鏡(40倍)下以基點為坐標進行逐層逐點掃描，這樣就能獲得一張無縫拼接的高精度、高分辨率全視野的數字切片，其內包含了玻璃切片上的所有信息；再借助Motic DigiLab II 軟件系統在電腦上觀察，通過鼠標或鍵盤操作，可自由觀察圖像的任意位置，不僅能夠在2～40 倍的縮放范圍內無極倍率變化，還能同時保證瀏覽的流暢性；將制作完成的數字切片標注病變名稱或編碼，建立適合三峽大學病理學實驗教學的數字切片庫。

1.3 構建網絡病理數字切片平臺

將掃描的數字切片，上傳至三峽大學病理研究所數字切片網絡平臺(http:3xia.kfbio.cn/login.aspx)，實現了切片數字化和網絡化。

1.4 數字切片教學實施和評價

我們在2016級臨床醫學專業本科病理學實驗教學采用數字切片和傳統玻璃切片相結合的實驗教學。經三大中文和Web of Science數據庫檢索發現，數字切片教學效果評價指標一般選取以下方面: 學生成績( 理論或實驗) 、學生主觀感受和其他指標如學生學習時間和教師投入時間等[1]。因此，把2016級臨床醫學本科1班作為對照組，采用傳統病理組織玻璃切片進行實驗教學與考核；將2016級臨床本科2班40 人作為實驗組，由同一位教師用數字切片進行實驗教學與考核。我們在病理實驗教學課程結束后向所有參加教學改革8名教師和160名本科生學生發放調查問卷，問卷內容包括與傳統教學模式相比，數字切片新實驗教學模式是否更能激發學習興趣、學習是否更主動積極、是否更有利于討論交流等。

1.5 統計學方法

2 結果

2.1 數字切片掃描結果

根據傳統HE染色玻片和掃描設備的特點，挑選符合規格的數字教學切片，逐一掃描，共計80張。

2.2 病理數字切片庫建立

病理數字切片庫主要由3部分組成: 容量為1T移動硬盤、80張數字切片和瀏覽軟件。瀏覽軟件為江豐生物科技有限公司提供的Motic DigiLab II軟件系統。

2.3 網絡數字病理切片平臺應用

本所內的教師、醫生和學生可用不同的賬號和密碼登陸，無需安裝軟件即可隨時直接瀏覽、學習本網絡平臺上的數字切片。

2.4 數字切片教學效果評價

統計分析學期末兩組學生實驗考試成績。結果顯示，實驗組學生的實驗考試成績為(90.93±6.69)分，優于對照組的(86.35±9.12)分，差異有統計學意義(t=1.994，P=0.012)，見表1。通過調查問卷結果顯示，88.24%參與數字切片教學的學生和100%的實驗課教師認為數字切片教學要優于傳統玻璃切片教學模式。數字切片方便操作，提高了教師的教學質量同時也激發學生的學習興趣，學習更主動積極，有利于討論交流，見表2～3。

3 討論

病理大體標本、光學生物顯微鏡和HE染色玻片是主要的傳統的病理學實驗教學的載體，教學載體陳舊單調，學生操作機會少，實驗教學方法較為單一，學生與老師之間的共享信息量相對較少，實驗中的典型形態結構無法及時展示給所有學生且需耗費教師大量的精力，導致學生學習的主觀能動性不夠，不利于培養和提高學生的臨床思維、綜合分析解決問題和創新的能力。因此，改革現有陳舊的實驗教學模式迫在眉睫。

目前包括數字切片在內病理學虛擬資源的發展，更新了病理學實驗教學手段，為解決當前病理學實驗教學中所遇到的問題提供可能。病理學數字切片庫具有以下諸多優點：(1)解決了教學資源日益匱乏的難題，虛擬切片將原始切片轉化為電子資源，便于永久儲存和管理；數字切片不會褪色、磨損，還包含原玻璃切片的全部信息，分辨率高，圖像清晰，便于復制和攜帶，保證了教學的一致性。尤其是一些少見病變組織掃描后可以永久使用，提高了教學資源的利用率；(2)可通過外加相應的熒光光源和更換濾光鏡掃描玻璃熒光切片，克服了熒光切片易褪色、不宜長久保存的缺點；(3)節省了切片制作過程中的人力、物力和財力，節約教學成本，可有助于緩解目前實驗技術人員短缺的難題；(4)數字切片可利用專用圖像瀏覽軟件模擬顯微鏡觀察模式，不受顯微鏡和場地限制；(5)通過將成熟的虛擬資源上傳至網絡服務器可以實現網絡化，教師和學生在任何地方都可以借助一臺電腦、智能手機和網絡進入病理實驗室進行自主學習，突破了實驗教學上時間和空間的限制，滿足了學生個性化學習方式的需求，大大提高了學習效果；(6)數字切片可通過全景導航圖迅速直觀地幫學生定位病變區域，從而節約教師的精力，教師可以有充足的時間來引導學生開展自主式學習、合作式學習及探究式學習，使學生上升到學習的“主體”地位上，真正以主角身份參與教學過程；學生還可以通過觀察已編輯標注好的數字病理切片，更快更好地理解和掌握病變特點，提高了學習效率；(7)病理學數字切片庫還可以幫助學生復習，教師答疑時針對學生的疑問利用數字切片進行解答，學生易于理解，尤其是帶有普遍性的問題，教師可以一同解答，非常方便、高效；(8)應用數字切片進行實驗考試，考試內容統一，不受切片質量影響，確保了考試的客觀性；(9)各院校之間虛擬資源共享能校際間的合作和交流，互通有無，豐富教學內容，使病理學教學得以快速發展。

表1 數字切片實驗教學成績比較

表2 數字病理切片教學效果調查表(教師)

表3 數字病理切片教學效果調查表(學生)

決定了數字切片未來的走向的是其在實際教學的效果，而通過考試形式獲得的學生成績是重要的評價指標之一。在數字病理教學平臺初步構建完成后，我們針對學生進行了試探性教學。調查問卷結果顯示大多數學生充分肯定了數字病理教學的優點，認為數字病理教學有益于提高他們對病理學知識的學習掌握，網絡數字病理平臺的開放對他們預習或復習病理知識有很大的作用。與對照組比較，實驗組病理實驗切片考核成績得到了顯著的提高(P=0.012)，表明數字切片教學有利于提高學生的學習成績。國內外的研究結果顯示數字切片相比于傳統玻片教學能促進學生成績上調[2]，雖然可能只是適度提高[3]，但病理學數字切片教學所展示出的優越性毋庸置疑。數字切片單用于實驗教學也存在著一定的問題:(1)虛擬資源完全替代實際玻片會降低學生動手能力及顯微鏡使用能力，而光學顯微鏡系統在病理、臨床診斷、科研等方面是需要的，尤其在科研的探索中需要使用光學顯微鏡先去發現和尋找有價值信息，然后才是數字化的記錄；并且光鏡觀察同一器官結構的多個標本，容易發現標本間的差異，有利于空間結構的建立，而一般數字切片庫所含的標本數目較少；(2)數字切片容易使學生把精力浪費在瀏覽切片文件上，而對課程內容無法深入學習；(3)實驗技術人員制作切片的實驗技術流失，不利于病理學的長遠發展；(4)購買掃描系統、建立網絡數字切片庫的費用相對昂貴；(5)對于某些特殊規格的切片，如前列腺大尺寸切片等，有一定的掃描難度，需要不斷地摸索；(6)目前尚無油鏡掃描設備，對需要放大倍數更高才能觀察清楚的精細結構或細胞目前通過數字切片還達不到要求[4]；(7)熒光切片需要外加相應的熒光光源和更換濾光鏡，費用也不菲。鑒于數字切片和傳統光學顯微鏡這兩種系統有各自的優勢，我們認為在教學中混合使用是不錯的選擇。此外，雖然在網絡環境下學生可以利用數字切片自主學習，突破時間和空間的限制，但有報道更傾向于使用電子學習資源及課堂外自學的美國密西根大學醫學生中自學學生的學習成績卻低于那些使用課堂教學資源的學生，這表明學生使用不同的學習資源和學習方式對其學習成績的影響[5]。因此，實驗課堂教學仍不可或缺[1]。

總之，病理學數字化教學切片數據庫的建立和推廣使用為教學工作提供有效的工具和交流平臺，我們將繼續完善、補充該數據庫，并將基于該平臺進行相關形態學實驗教學的改革和信息化進程，真正實現以學生為中心的學習，為學生打造優質的自主學習平臺。