腎小球腎炎虛擬仿真系統(tǒng)在教學中的應(yīng)用

中國醫(yī)科大學 田芷毓 牛祉怡 蘇慧龍 杜景陽 朱風逸

腎小球是腎臟發(fā)揮濾過功能的主要部位，腎小球由血管內(nèi)皮細胞、系膜細胞和足細胞構(gòu)成的毛細血管網(wǎng)及腎小囊構(gòu)成，這幾種細胞結(jié)構(gòu)和功能異常，將造成濾過屏障功能障礙，引起原發(fā)性腎小球疾病。實驗項目以立體的腎小球組織結(jié)構(gòu)為載體，模擬正常腎小球內(nèi)幾種細胞的空間構(gòu)成，利用VR讓學生可以從內(nèi)部來觀察腎小球濾過膜的結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)之上，模擬幾種臨床常見腎小球腎炎的腎小球濾過膜病理形態(tài)學改變，結(jié)合傳統(tǒng)的病理切片和臨床病例，讓學生掌握這幾種腎小球腎炎的發(fā)病機制、病理改變和臨床意義。系統(tǒng)具體全面展示了VR人體腎臟結(jié)構(gòu)，打破傳統(tǒng)模式，讓抽象復(fù)雜的腎臟知識理論具體簡單化。既減輕教師授課壓力，又幫助學生掌握更多知識，利用虛擬仿真模型讓學生的實訓通過電腦和其他媒體終端作為載體，使學生深入理解腎小球腎炎。

近年來人們患腎臟病的幾率逐漸上升，對人們生活造成嚴重影響。這就要求腎臟病臨床教學要不斷開展更深入的教學。但由于后腹腔位置較深，臟器毗鄰關(guān)系復(fù)雜，腎小球腎炎病變原理多樣，學生在學習過程中往往難以理解。因此讓醫(yī)學生充分理解腎臟解剖結(jié)構(gòu)和病理生理過程，熟練掌握臨床腎臟穿刺活檢術(shù)，成為了醫(yī)學院解剖實驗課及臨床醫(yī)生培訓的熱點。

目前我國高等醫(yī)學院院校教學過程中，大多數(shù)授課仍以傳統(tǒng)模式教學為主，臨床醫(yī)學生被動接受知識，具有抽象性和復(fù)雜性，接受起來有一定的困難。但通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以實現(xiàn)傳統(tǒng)教學中難以掌握的手術(shù)技能。通過多媒體的三維立體交互，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建虛擬腎臟模型，使健康腎臟與腎小球腎炎腎臟的結(jié)構(gòu)可視化，突出兩者的區(qū)別，通過模擬誘導(dǎo)動物腎小球腎炎，進行腎小球腎炎臨床手術(shù)，給予學生身臨其境的感受，激發(fā)學生的學習興趣，引導(dǎo)學生發(fā)揮想象，提升學生的創(chuàng)新思維。目前國內(nèi)外關(guān)于腎小球腎炎病變仿真研究較少，研究發(fā)現(xiàn)已有的系統(tǒng)存在著仿真精確度差，解剖紋理細節(jié)不到位，用于解剖教學的系統(tǒng)較少這些問題。針對這些問題，我們設(shè)計了真正具有交互性，真實感，全方面等顯著特點的虛擬仿真系統(tǒng)，用于醫(yī)學院校腎臟解剖的教學。

1 腎小球腎炎虛擬仿真教學系統(tǒng)建立的基本思路

1.1 進行靜態(tài)素材獲取

采用高清相機拍攝腎臟穿刺活檢術(shù)每個步驟場景，例如：超聲定位，穿刺等。

1.2 制作腎小球腎炎虛擬仿真實驗教學的腳本內(nèi)容

程序腳本是該項目要達到教學效果及實施的設(shè)計思路，目標要求及執(zhí)行結(jié)構(gòu)，它是腎小球腎炎知識與信息技術(shù)融合的基礎(chǔ)。

1.3 制作模型

利用3DSMax，Maya等軟件構(gòu)建實物模型，調(diào)整模型線數(shù)面數(shù)貼圖及紋理等參數(shù)，以增加模型的真實度。三維重建腎臟外觀，剖面，腎小球，細胞，腹腔毗鄰部位模型，每種類型腎小球腎炎最具特征病變模型，ST 2誘導(dǎo)構(gòu)建1型糖尿病腎病動物模型等。

1.4 進行動畫程序開發(fā)

進行UI功能制作，場景功能交互制作，特效制作，屏幕渲染及優(yōu)化處理。

Unity3d用代碼邏輯控制UI布局大小及不同分辨率下的自適應(yīng)字體特效圖片大小與動態(tài)顯示和圖片特效等。即將虛擬場景與用戶連接，使用戶可以執(zhí)行從第12肋下進針腎臟，觀看血液流動，拖動互動滑條可通過血管進入腎小球，自由組合來練習有孔的內(nèi)皮、基底膜和足細胞裂孔膜-立體和平面結(jié)構(gòu)，最終按順序組成正確的結(jié)構(gòu)等操作，協(xié)調(diào)整體虛擬系統(tǒng)工作和運轉(zhuǎn)。

1.5 進行軟件測試發(fā)布

軟件測試是教學資源修正優(yōu)化和完善的重要環(huán)節(jié)，把制作好的虛擬仿真教學資源以及執(zhí)行方式或網(wǎng)頁播放進行發(fā)布，以便在本地化運行或遠程在線訪問。

圖1 腎臟的毗鄰關(guān)系

圖2 腎臟解剖結(jié)構(gòu)

圖3 調(diào)查評估問卷1

圖4 調(diào)查評估問卷2

2 腎小球腎炎虛擬仿真系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

該系統(tǒng)由基礎(chǔ)解剖學、微視解剖和生理病理教學系統(tǒng)組成。通過CT采集腎臟數(shù)據(jù)，運用3DMAX，MIMICS三維建模等軟件建模，通過材質(zhì)編輯器完成材質(zhì)與貼圖的建立與編輯，并且通過渲染使物體表現(xiàn)顯示出的質(zhì)地色彩紋理。在Zbrush中進行數(shù)字雕刻，即人體數(shù)字模型的剖面處理，解決相鄰剖面之間的輪廓線匹配問題，構(gòu)網(wǎng)問題，光滑問題等，以構(gòu)建精準細致的腎炎模型，并進行UI功能制作，場景功能交互制作，特效制作，屏幕渲染及優(yōu)化處理，達到微觀世界矢量化的目的。可以放大數(shù)倍精細觀看學習腎臟知識點如腎上極、腎下極、腎被膜等，以及增強對腎小球腎炎病變原理的直觀認知。

3 腎小球腎炎虛擬仿真系統(tǒng)的在教學上的應(yīng)用

3.1 終端輸出方式

該平臺有兩種終端輸出方式，分為PC端和VR端。其中PC端適合教師課上多媒體教學和學生自主練習，增加教學的生動性和趣味性，運用硬件有顯示屏：32in觸屏顯示器（雙屏），角度、高度可調(diào)節(jié)；工控機：PC兼容機Z170-AR、Intel i7 7700、16G內(nèi)存、256G固態(tài)硬盤、RTX2080顯卡、WINDOWS7旗艦版、鼠標鍵盤。VR端即學生佩戴VR頭盔，全景式瀏覽腎臟結(jié)構(gòu)和手術(shù)過程，運用硬件有HTC VIVE VR設(shè)備等。

3.2 教學過程

在教學培訓中，教師可根據(jù)學生數(shù)目，教學時長等具體情況選擇虛擬設(shè)備。教學過程如下：①用戶登陸系統(tǒng)，選擇腎小球腎炎影像資料。增加教學的生動性和趣味性。②觀看模型認識正常腎臟的位置以及與周圍器官毗鄰關(guān)系辨認腎上極、腎下極、腎被膜等基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。③在腎臟切面上，了解腎臟解剖結(jié)構(gòu)，包括皮質(zhì)、髓質(zhì)、腎乳頭、腎盂等如圖2所示，明確常見腎臟疾病的發(fā)病部位；④學習腎單位的組成，包括腎小球及其所屬腎小管，重點認識腎小球內(nèi)各種細胞的組成以及它們之間空間排列關(guān)系；⑤學習腎臟濾過膜的基本結(jié)構(gòu)，組成及生理功能；⑥用虛擬的腎小球立體結(jié)構(gòu)學習各種不同的微小病變腎小球腎炎、膜性腎病、膜增生性腎小球腎炎等免疫復(fù)合物沉積的位置，明確每種疾病的發(fā)病機制；⑦了解臨床B超引導(dǎo)下進行腎臟穿刺的整個過程，以及腎穿刺標本處理方法；⑧學習臨床真實的病例，三種類型腎小腎炎的腎臟穿刺標本，學會用病理改變來解釋該患者的臨床表現(xiàn)；⑨學習并總結(jié)各種類型的原發(fā)性腎小球疾病的具有特征性的病理特征，包括光鏡、電鏡及免疫熒光等；⑩自主學習觀察各種類型腎小球疾病典型的病理改變并完成作業(yè)。對整個實驗進行總結(jié)和滿意度調(diào)查如圖3、圖4所示，學生填寫對本實驗項目評價和建設(shè)性意見的表格，通過郵箱遞交實習報告。

3.3 考查系統(tǒng)

該平臺通過虛擬實驗計分系統(tǒng)考查學生知識掌握程度，具體內(nèi)容如下：（1）系統(tǒng)提供教學模式、實驗練習模式及考試模式，選擇實驗練習模式和考試模式都可以進入虛擬實驗計分系統(tǒng)。（2）實驗?zāi)Ｊ绞轻槍δI小球教學內(nèi)容進行模塊化的操作模擬，用戶操作過程中會有階段性的提示和完成度的動態(tài)標注，操作完畢后系統(tǒng)會自動拉出用戶操作的完整考核數(shù)據(jù)及提升分析報告；考試系統(tǒng)屬于綜合實訓操作，只有計時無過程提示，操作結(jié)束后會給出答卷成績及對應(yīng)的分析。（3）操作合理用時計20分；操作正確性計60分；操作的完整性計20分。

4 系統(tǒng)的特征

系統(tǒng)具有三種特性：沉浸性、交互性和構(gòu)想性。構(gòu)想力是過程，沉浸感是目的，VR以假亂真，即給人以假象，卻帶給人真實的體驗，區(qū)別3D的關(guān)鍵要素是六維，可以交互，加強人的體驗。系統(tǒng)構(gòu)建的虛擬腎臟毗鄰及腎小球模型，將相關(guān)的發(fā)病原因及手術(shù)方法等教學重點和難點融入模型教學中，設(shè)置不同的教學環(huán)節(jié)，涵蓋模擬演示，自行學習，反復(fù)培訓，實踐操作。學生通過反復(fù)的虛擬操作，全面深刻的認識和理解腎小球腎炎病變原理，培養(yǎng)精確操作的臨床思維，達到現(xiàn)實教學中無法達到的教學效果。

4.1 沉浸性

該虛擬仿真系統(tǒng)讓使用者可以獲得視覺感知、聽覺感知等。如使用者可以通過該虛擬系統(tǒng)觀察人體不同解剖面的腎臟結(jié)構(gòu)；在觀看的同時可播放旁白講解；觀看vr沉浸式動畫學習腎臟穿刺活檢術(shù)。從而產(chǎn)生一種身臨其境、沉浸其中的感覺，讓使用者更加專注于當前的情景中。

4.2 交互性

仿真系統(tǒng)中，不僅環(huán)境能夠作用于人，人也可以對環(huán)境進行控制，而且人是以近乎自然的行為進行控制的，虛擬環(huán)境還能夠?qū)θ说牟僮饔枰詫崟r的反應(yīng)。平臺充分利用VR技術(shù)的可互動性，設(shè)計了符合人們自然交互習慣的互動操作模式。本平臺設(shè)計了用于共享信息的人機交互界面，激發(fā)學生的學習興趣，提高學生的動手操作能力。利用網(wǎng)上學習的交互操作，記錄跟蹤每一位學生的學習情況，了解和掌握虛擬實驗中心的應(yīng)用情況，真正起到促進學生學習的目標。

4.3 構(gòu)想性

腎小球腎炎虛擬仿真教學系統(tǒng)可以使腎臟模型可視具體形象。腎臟虛擬環(huán)境既可以對真實世界模擬腎臟的結(jié)構(gòu)，也可以是根據(jù)學習主觀想象的虛構(gòu)；另一方面，人可以沉浸于虛擬環(huán)境中與所處環(huán)境進行自然交互，多維的體驗激發(fā)人豐富的想象，突破原有思維的限制。激發(fā)積極的情緒和動機，創(chuàng)新訓練以達到學生個性化的自主學習。

本文介紹的系統(tǒng)平臺是一個新型的腎小球腎炎的病變原理虛擬仿真實驗教學平臺，有助于學生全面了解腎臟解剖結(jié)構(gòu)，腎小球腎炎病變原理，模擬手術(shù)操作訓練，對于促進醫(yī)學教育，開發(fā)學生的創(chuàng)造研究能力具有很強的現(xiàn)實意義。未來的VR醫(yī)學將要做的不僅僅是簡單的虛擬醫(yī)學培訓，同時還可實現(xiàn)在線醫(yī)院，將用戶病例庫數(shù)據(jù)累計，組建虛擬醫(yī)院數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，學生對虛擬醫(yī)院的真實病例分析和練習，讓學生可以從真實病人數(shù)據(jù)模擬操作中得到更直觀地學習，從而打造未來以虛擬培訓為基礎(chǔ)、實踐為目的的虛擬醫(yī)療體系。