麻醉臨床技能多模態虛擬仿真教學體系建設與實踐

龔燦生 高 飛,3 解慧泓 郭艷華 鄭 艇 蔣俊丹 鄭曉春,3,4

（1 福建醫科大學省立臨床醫學院，福建省立醫院麻醉科，福建 福州 350001；2 福建省急救中心，福建省 “一帶一路” 聯合共建實驗室，福建 福州 350001；3 福建省急救中心，福建省急診醫學重點實驗室，福建 福州 350001；4 福建省急救中心，福建省疑難重癥研究重點實驗室，福建 福州 350001）

麻醉學科是一門對臨床實踐高要求的臨床學科，麻醉醫師除了需要掌握內外婦兒及麻醉學科理論知識外，必須具備扎實的臨床技能，才能勝任臨床工作[1]。目前大多數教學醫院仍沿用觀摩-實踐-指導的傳統教學模式，對于醫學生及處于規范化培訓階段的住院醫師而言，教學風險較高[2]。我院融合線上-線下理論課程、虛擬仿真技術及虛擬現實技術等方法，形成視聽觸覺多模態教學體系，顯著提高了臨床教學安全性、增加了臨床技能培訓教學的豐度，調動了學員學習興趣，提高了麻醉學科臨床實踐人才培養的質量與效率。

1 傳統麻醉臨床技能培訓面臨的問題

對于臨床技能培訓而言，在真實患者身上進行實踐操作是學習的最佳途徑，但麻醉學技能操作多為高風險操作，操作不當易導致嚴重的并發癥。讓毫無經驗的醫學生在患者身上進行各種操作練習（如氣道管理、椎管內穿刺、中心靜脈穿刺置管、神經阻滯等），無疑對患者的安全造成威脅，也可能引發醫療事故和糾紛[3]。另一方面，若沿用傳統的觀摩-實踐-指導教學方法，學員實踐機會少，只能靠“運氣”學習所遇到的病例；對于不能見到的病例或操作，只能通過教材或課程進行學習記憶，猶如紙上談兵，不能獲得深刻的體會。第三，麻醉學科醫師人數仍十分緊缺，臨床技能培訓講師的數量少，教學水平參差不齊，難以保障培訓的同質化和優質化[4]。因此，解決上述教學難題，探討更加有效的教學模式，保障麻醉學科臨床技能培訓、提高醫學教育質量，是麻醉臨床技能培訓課程改革的重點問題。

2 麻醉學科臨床技能多模態虛擬仿真教學體系的建設與實踐

虛擬仿真技術通過計算機技術構建虛擬現實環境，模擬真實世界中的各種情境，讓學生在虛擬環境中進行實時的、交互性的操作和訓練[5]。目前，虛擬仿真技術已廣泛應用于醫學教育中，包括外科手術、內科診斷和治療、急救技能培訓等多個領域。顯然，虛擬仿真技術可以提供逼真的視覺和聽覺效果，從而為學員創造出一個近乎真實的環境，讓學員更好地理解和掌握實踐課的內容[6]。但對于麻醉學技能培訓而言，許多規范動作習慣的習得是需要依靠多次觸覺反饋來實現的，如動脈搏動感、組織穿刺的阻力感和落空感等。遺憾的是，目前絕大多數麻醉技能培訓虛擬仿真平臺無法提供觸覺反饋，這無疑使虛擬仿真技術在麻醉臨床技能培訓中的應用效果大打折扣[7]。

首先，我院通過融合線上-線下理論課程、虛擬仿真技術及虛擬現實技術等措施，形成視聽觸覺多模態虛擬仿真教學體系，顯著增加了臨床技能培訓教學的豐度。其中，線上-線下理論課程總學時為106學時，涵蓋了麻醉的基礎知識、臨床麻醉前的準備工作、圍手術期的各項生命征監測、急性疼痛服務的管理、無痛分娩的實施以及超聲輔助麻醉技術。線下課程在我院定時定點開展，而線上課程免費開放（線上課程網址：https://mooc1-1.chaoxing.com/course/template60/203007728.html，目前正式選課人數為645人，師生利用在線平臺討論3 020次，課程訪問量達841 368次），課程設計注重教材建設與學術進展，以臨床為導向，結合臨床案例，通過視頻還原臨床現場場景，結合手機移動終端學習軟件和線下討論課、技能培訓課，實現教學方法多元化、數字化。專業教師輪流在線“值班”，及時解答學生問題，圍繞“啟發式”教學理念，旨在使學生更全面、系統地認識麻醉在臨床醫學中扮演的角色，并掌握圍手術期醫學與臨床麻醉理論知識與實踐能力。

其次，我們利用國家虛擬仿真試驗項目共享平臺及福建醫科大學自建臨床麻醉學虛擬仿真教學課程，通過人機交互平臺逼真地模擬病房、手術室等醫療場景，以虛促實，讓學員按照系統的操作提示，進行沉浸式技能訓練，熟悉技能場景、操作步驟與注意事項；自建課程內容包括麻醉前評估、全身麻醉與氣管插管、困難氣道處理、椎管內穿刺置管、圍手術期生命征監測、圍手術期決策、機械通氣、血流動力學調控、小兒麻醉等虛擬仿真試驗項目。教師可以根據課程不同級別和難度需求，進行教學資源配備，快速組件實踐團隊，讓學員能在仿真環境中將理論知識和實踐有機結合起來。

第三，我院將虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術和力反饋技術相結合，研發了視聽觸覺多模態仿真教學模型，使學員不僅能沉浸式熟悉技能場景和操作步驟，還能獲得操作的實時觸覺反饋。首先，我們利用MIMICS（Materialise's Interactive Medical Image Control System）軟件重建的VR 3D解剖模型，結合力反饋設備Geomagic Touch X，完成了可實現不同力反饋的操作模型，導入UNITY 3D虛擬現實開發平臺，通過佩戴VR眼鏡（HTC VIVE設備）及操作力反饋手柄進行虛擬世界中的操作訓練。學員根據視聽觸覺反饋對操作過程進行調整，從而最終加深對解剖的理解，掌握操作技巧，提高成功率。見圖1。

圖1 學員利用視聽觸覺多模態仿真教學模型進行操作訓練

3 多模態虛擬仿真教學體系在麻醉臨床技能教學中的應用效果評價

本研究以腰硬聯合麻醉穿刺為考察項目，采用前瞻、隨機、對照臨床研究，評估傳統教學體系與多模態虛擬仿真教學體系對臨床技能教學效果的影響。研究通過醫院倫理委員會審查（倫理號：K2020-12-018），并在中國臨床試驗注冊中心完成了注冊（注冊號：ChiCTR2100043952）。本研究共納入20名從未有過椎管穿刺經驗的實習醫師，隨機抽樣法將這20名實習醫師分為傳統教學組（C組）和虛擬仿真教學組（S組），每組10名。

所有實習醫師在分組前均接受一節理論課程，分組后C組接受傳統的標準化模擬人穿刺操作培訓，S組接受上述多模態虛擬仿真操作培訓教學（線上課程+虛擬仿真平臺+VR模型培訓）。培訓共計6 d，培訓期間每位醫師完成30次穿刺訓練。培訓結束后，各實習醫師在同一名經驗豐富且對分組不知情的高年資主治醫師指導下各對一例符合納入標準的患者進行腰硬聯合麻醉操作。納入標準：具有腰硬聯合麻醉適應證、年齡≤65歲、BMI 18～25 kg/m2、ASA分級Ⅰ～Ⅱ級，簽署知情同意書。排除標準：凝血功能障礙、腰椎結構變異或手術史、局部皮膚破潰感染、所用局部麻醉藥物過敏、精神異常或交流障礙。所有醫師和患者均取得知情同意。

患者入手術室后，常規建立上肢靜脈輸液通路，監測心率、無創血壓及脈氧飽和度。確定腰3～腰4椎間隙后進行常規蛛網膜下腔穿刺及硬膜外腔置管。用攝像系統記錄整個穿刺過程，記錄學員主動與被動調整穿刺角度的次數、從穿刺開始到硬膜外針刺破黃韌帶所需時間等，并由一名不了解分組情況的主治醫師采用改良椎管內穿刺技能考核評分標準對視頻的操作進行評分。見表1。

表1 改良椎管內穿刺技能考核評分

結果表明，與C組學員相比，S組學員的改良椎管內穿刺技能評分更高[（91.20±2.78）分vs.（86.70±2.87）分，P＜0.05）]。具體評分項目比較，S組學員能更好地擺放體位[（6.40±1.07）分vs.（5.00±0.67）分，P＜0.05）]，更熟練運用氣泡壓縮試驗[（7.60±0.70）分vs.（6.00±0.67）分，P＜0.05）]，突破黃韌帶項目得分更高[（7.80±0.79）分vs.（5.90±0.74）分，P＜0.05）。穿刺情況比較，S組學員主動調整穿刺方向的次數顯著高于C組（2.0[1.2]vs.1.0[1.0]，P＜0.05），被動調整穿刺方向次數顯著減少（1.0[1.0]vs.2.5[1.0]，P＜0.05），穿刺開始至突破黃韌帶的時間顯著縮短[（5.91±1.24）minvs.（8.66±1.19）min]，P＜0.05）。

3 討論

麻醉學是一門臨床實踐性很強的學科，傳統臨床帶教存在醫療風險高、學習效率低、帶教師資少等問題[8]。虛擬仿真教學可彌補現有教學模式的部分不足之處，提高臨床操作流程的培訓效率。本研究針對臨床技能培訓的特點，將虛擬仿真教學和力反饋技術有機結合，形成視聽觸覺多模態虛擬仿真教學體系，讓學員在多模態反饋下更快掌握操作技巧，提高培訓效率。

3.1 虛擬仿真培訓體系顯著提高臨床安全性 麻醉學綜合操作技能多為高風險操作，操作不當可能導致非常嚴重的麻醉意外和并發癥，虛擬仿真技術提供無風險環境，讓學員在沒有真實風險的情況下進行實踐操作，提高其技能和經驗[9]。在模擬復雜情景時，學員可以嘗試不同的處理方式，并觀察結果和各種反應，從而提高自身操作經驗。以本研究椎管內穿刺與置管教學為例，毫無經驗的醫學生容易穿刺失敗或引起腦脊液漏等并發癥，讓無經驗的實習生操作無疑使患者處于危險境地；醫學教育與臨床安全之間存在較大矛盾。虛擬仿真教學體系逼真地模擬手術室和麻醉情境，根據臨床操作步驟設置了相應的動作環節，使學員進行沉浸式操作步驟培訓；并通過力反饋系統，模擬針尖穿刺皮下、棘上韌帶、棘間韌帶、黃韌帶和硬膜時，以及穿刺針觸及骨質表面時的阻力變化。學員通過感受不同過程的阻力變化，獲得與真實臨床椎管內穿刺操作相似的體驗，避免了臨床風險。

3.2 虛擬仿真培訓體系提升臨床技能培訓效率 目前多數虛擬仿真平臺只能提供視覺和聽覺的模擬情境，無法提供觸覺反饋，對于流程的熟悉具有一定效果[10]。但對于技能操作培訓而言，觸覺反饋是必不可少的內容。本研究融合視聽觸覺反饋，形成多模態教學體系，學員可獲得近乎真實的感覺體驗；操作失誤時，也可獲得相應的感覺反饋。穿刺結束后，學員可點擊各層次按鈕學習解剖位置和形態，有助于學習復盤和操作失誤原因判斷，加深解剖印象。本研究通過臨床試驗的方式，評估傳統臨床模擬教學和多模態虛擬仿真教學對學習效果的影響。S組在體位擺放、氣泡壓縮和黃韌帶穿刺方面的得分顯著高于C組，說明虛擬仿真體系可促進學員的流程學習，避免了關鍵步驟的遺漏。此外，穿刺情況而言，S組學員穿刺方向主動調整次數顯著高于C組，而從穿刺開始至黃韌帶突破的時間顯著縮短，說明S組學員已學會在實踐中根據阻力變化或其他真實反饋進行主動調整，提高了學習效率。觸覺反饋是麻醉臨床技能培訓的關鍵因素，視聽觸覺多模態教學體系能提供更真實有效的培訓反饋，促進學員對學習過程的思考與驗證。

3.3 虛擬仿真培訓體系助力標準化病例庫建設 豐富的臨床案例是臨床技能培訓質量的關鍵因素之一。招募并培訓標準化患者需要大量的經費和精力支持[11]。而虛擬仿真教學體系可以模擬常規手術室場景，也可以復現真實特殊案例和醫療情境，可節約醫療教育成本。培訓講師利用虛擬仿真教學平臺，有規劃有層次地給不同階段學員提供豐富的培訓機會，教學方法更為科學。同時，標準化案例庫的建設，可為教學效果評估提供考核素材和同質化評判標準；特殊案例的建設更是有助于教學效果的多站式考核。此外，虛擬仿真教學體系不受時間和師資數量的限制，學員可以根據自己需要進行登錄使用，反復訓練，從而提高培訓效果。

綜上所述，虛擬仿真技術已經廣泛應用到醫學教育中，本研究在該基礎上融合了力反饋技術，形成視聽觸覺多模態虛擬仿真體系，顯著提高了麻醉臨床技能培訓的效率和效果。今后，我們將繼續探索多模態虛擬仿真體系基礎上的翻轉課堂及PBL教學改革，以培養醫學生的綜合實踐能力和創新能力。