輔助生殖技術(shù)中胚胎冷凍與復(fù)蘇虛擬仿真實驗項目的思考

王 道 陳建林

中南大學(xué)湘雅二醫(yī)院婦產(chǎn)科,湖南省長沙市 410011

在互聯(lián)網(wǎng)和人工智能迅速發(fā)展的時代,人們的日常生活發(fā)生了翻天覆地的變化,其中最重要的變化之一就是高校教學(xué)資源的信息化,引領(lǐng)未來實驗教學(xué)改革的新的重要方向[1]。近幾年,歐美等發(fā)達國家的醫(yī)學(xué)院校都將虛擬仿真實驗技術(shù)應(yīng)用在臨床實驗教學(xué)上[2],著力打造統(tǒng)一管理的虛擬仿真醫(yī)療平臺,將臨床和實踐有機結(jié)合,變革教學(xué)管理模式,建立資源使用率高、課程兼容性強的多學(xué)科的實驗平臺。

據(jù)統(tǒng)計我國現(xiàn)有5 000～7 000萬例不孕不育患者,生殖醫(yī)學(xué)中心的需求數(shù)量也在相應(yīng)地增加,尤其是輔助生殖實驗技術(shù)人員的缺口日益增大[3]。輔助生殖實驗室是生殖醫(yī)學(xué)中心的核心,需要人員具備扎實過硬的輔助生殖實驗室操作技能。因為技術(shù)人員的操作技能差或者操作失誤可以嚴重影響到配子及胚胎的結(jié)局,特別是胚胎冷凍與復(fù)蘇技術(shù),操作難度比一般的基礎(chǔ)實驗大。對于醫(yī)學(xué)本科生來說,很難有機會進入實驗室觀摩實際操作,更不可能親自操作人類胚胎及配子。同時,胚胎實驗室的貴重儀器精密度高,對操作環(huán)境要求也很嚴格。這些問題都大大限制了實驗教學(xué),達不到理想的教學(xué)效果。因此,建立胚胎冷凍與復(fù)蘇虛擬仿真實驗具有重要意義,特別是對于輔助生殖臨床上高風(fēng)險、高成本、高難度的手術(shù)項目,或者是難以進入輔助生殖實驗室親手操作的實驗,虛擬仿真實驗不受限制,虛實結(jié)合,基礎(chǔ)加臨床,讓學(xué)生在虛擬環(huán)境下參與實驗操作,了解輔助生殖技術(shù)理論和實踐治療不孕癥的方法。

1 虛擬仿真實驗具備的優(yōu)勢

1.1 虛擬仿真實驗?zāi)軇?chuàng)造逼真環(huán)境,提高用戶體驗感 虛擬仿真技術(shù)能夠通過計算機模擬一個人體生殖系統(tǒng)的模型,讓本科生更直觀了解生殖系統(tǒng)的構(gòu)造和功能,還可以融合VR(Virtual Reality)、MR(Mixed Reality)等技術(shù)[4-5],比傳統(tǒng)線下課堂教學(xué)生動有趣。并且,學(xué)生還能夠進行數(shù)字人體解剖,提高自主性,使用高質(zhì)量的學(xué)習(xí)資源庫,不限時間和地點反復(fù)學(xué)習(xí)。在實際操作人類胚胎冷凍和復(fù)蘇之前,輔助生殖技術(shù)新手可以借助虛擬仿真技術(shù),在顯示器上重復(fù)地練習(xí)和模擬操作過程,提高技術(shù)的熟練程度。

1.2 虛擬仿真實驗?zāi)茉鰪姲踩?防范醫(yī)療風(fēng)險 虛擬仿真實驗技術(shù)的應(yīng)用為輔助生殖技術(shù)等特殊專業(yè)的醫(yī)學(xué)技能訓(xùn)練創(chuàng)造了基本條件,學(xué)生掌握了相關(guān)理論知識點后能夠在虛擬場景中反復(fù)練習(xí),避免以無技能或者低技能狀態(tài)進入臨床學(xué)習(xí),降低了未來在真實醫(yī)療實踐過程中可能出現(xiàn)的安全、質(zhì)量和倫理風(fēng)險。生殖科醫(yī)師也能夠沉浸在虛擬場景中,進行各種復(fù)雜或者特殊手術(shù)的實際操作,體驗并學(xué)習(xí)如何應(yīng)對臨床手術(shù)中的各類突發(fā)情況。不但節(jié)約了培訓(xùn)醫(yī)務(wù)人員的成本和時間,而且使非熟練人員進行手術(shù)的風(fēng)險大大降低。對改善不同地域醫(yī)療手術(shù)水平發(fā)展不平衡的現(xiàn)狀有著重大意義。

1.3 虛擬仿真實驗?zāi)茉⒔逃跇贰⒃⒔逃谛?虛擬仿真實驗教學(xué)成了醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域里最主要的教學(xué)方式。本科生不再受限于傳統(tǒng)課堂的空間和時間,能夠利用空閑時間和任意地點,按照角色扮演游戲的攻關(guān)式的操作指引,完成了只有在真實環(huán)境下才具備的操作流程。這種虛擬仿真實驗教學(xué)模式既鞏固了所學(xué)知識,又加深了記憶,還緊密結(jié)合了理論與實踐。所有的訓(xùn)練與學(xué)習(xí)都充滿了快樂,很受醫(yī)學(xué)師生們的歡迎。虛擬仿真平臺是真正能夠達到跨區(qū)域、無時限、多角度、高效率的教學(xué)與訓(xùn)練工具。

2 虛擬仿真實驗項目的建設(shè)

2.1 實驗內(nèi)容 由實驗?zāi)康摹嶒炘怼嶒灧椒ǖ冉M成,以一對不孕不育癥患者夫婦的門診就醫(yī)過程為線索展開,簡要介紹了國內(nèi)面臨的不孕不育的人群現(xiàn)狀,輔助生殖技術(shù)的機遇和挑戰(zhàn)。實驗?zāi)康囊灾委熁颊卟辉胁挥膯栴}為中心,指導(dǎo)學(xué)生了解胚胎冷凍發(fā)展歷史、學(xué)習(xí)低溫生物學(xué)基本原理以及冷凍保護劑類型,幫助學(xué)生快速掌握玻璃化冷凍胚胎技術(shù)和胚胎復(fù)蘇技術(shù)。實驗原理通過動畫視頻生動形象地呈現(xiàn)胚胎發(fā)育、冷凍胚胎、復(fù)蘇胚胎等過程。實驗內(nèi)容包括實驗操作視頻和虛擬實驗操作部分。實驗操作視頻包括小鼠胚胎的體外受精、受精卵的培養(yǎng);虛擬實驗操作包括胚胎玻璃化冷凍、胚胎復(fù)蘇。

2.1.1 實驗?zāi)康摹Ｍㄟ^虛擬演示和操作掌握輔助生殖基本理論知識,包括胚胎發(fā)育過程、卵裂期的胚胎評分標準、玻璃化冷凍和復(fù)蘇基本原理等;通過觀看視頻和虛擬互動掌握玻璃化冷凍胚胎技術(shù)和解凍胚胎技術(shù);培訓(xùn)學(xué)生輔助生殖技術(shù)的實際操作能力,具備嫻熟和精湛的技藝,擁有良好的心理素質(zhì)。

2.1.2 實驗原理。首先建立小鼠促排卵—體外受精動物模型,實驗以6～8周SPF級昆明小鼠為材料,皮下或者腹腔注射PMSG 5～10IU,48～50h后再通過皮下或者腹腔注射hCG誘導(dǎo)LH峰出現(xiàn)并誘導(dǎo)排卵,然后在雌鼠的輸卵管壺腹部撿出成熟卵母細胞。取雄性小鼠附睪及輸精管中擠出精液,得到成熟的精子,通過常規(guī)IVF進行體外受精,獲取到受精卵。然后觀察評估胚胎,第3天選擇性冷凍,擇期復(fù)蘇進行移植。

2.1.3 實驗方法。學(xué)生首先需要注冊學(xué)號姓名,輸入賬號和密碼后就可以登錄進入本項目平臺。第一次登陸學(xué)習(xí),建議先通過病例背景部分了解本實驗的男女雙方患者基本情況包括既往史和現(xiàn)病史等。然后,根據(jù)平臺指引播放動畫視頻,掌握實驗原理。再播放實際操作視頻預(yù)習(xí)即將進入的實驗操作流程,觀看完成之后才可以進入正式的虛擬仿真實驗實訓(xùn)模塊。學(xué)生能夠自主依據(jù)本學(xué)期課程教學(xué)進度選擇適當?shù)纳险n時間。最后,學(xué)生在線提交生成實驗報告,教師在線及時查閱學(xué)生的客觀題考核結(jié)果和實驗報告,統(tǒng)計整個課程學(xué)生的學(xué)習(xí)成績情況,線下及時跟蹤學(xué)生學(xué)習(xí)效果,及時得到反饋,有利于調(diào)整實驗的進度和深度,完善虛擬仿真實驗內(nèi)容。

2.2 實驗項目教學(xué)方法

2.2.1 以多學(xué)科交叉為特色的實驗教學(xué)法。輔助生殖技術(shù)人員必須掌握好生物學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、氣象學(xué)、統(tǒng)計學(xué)、計算機等豐富學(xué)科知識以及擁有良好的心理素質(zhì)。老式傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方法已經(jīng)很難適應(yīng)當今信息時代的需要。隨著人工智能等高新技術(shù)的發(fā)展和普及,極大地加速了生殖醫(yī)學(xué)與其他各學(xué)科之間的交叉和滲透,傳統(tǒng)意義上的學(xué)科之間的邊界越來越模糊和淡化[6-7]。未來培養(yǎng)新的復(fù)合型人才就應(yīng)該具備一定的跨學(xué)科、跨專業(yè)、復(fù)合型的知識結(jié)構(gòu),掌握科學(xué)的思維方式、具備解決復(fù)雜問題的方法以及終身學(xué)習(xí)的能力。

2.2.2 以臨床病例為引導(dǎo)的實驗教學(xué)法。以不孕癥患者病例為導(dǎo)向的實驗教學(xué)方法,詳細介紹了不孕癥的定義、病因、診斷和治療手段以及輔助生殖技術(shù)的應(yīng)用等核心內(nèi)容,使學(xué)生對這個較為陌生的鄰域有所認知和了解,激發(fā)了學(xué)生對生殖醫(yī)學(xué)的興趣,使課本上生硬枯燥的知識躍然紙上,讓每個學(xué)生從被動聽變?yōu)橹鲃幼?從被動思考變?yōu)橹鲃酉搿６鴤鹘y(tǒng)課堂教師教學(xué)只能生硬地以板書或者幻燈片展示輔助生殖技術(shù)的理論,學(xué)生依舊缺乏實際操作的經(jīng)驗,畢業(yè)之后不能進入胚胎實驗室操作。

2.2.3 以線上加線下的混合式實驗教學(xué)法。借助線上線下混合式教學(xué)資源,可以把學(xué)生的學(xué)習(xí)由淺入深地引向深度學(xué)習(xí),充分給予學(xué)生充足的學(xué)習(xí)時間,盡可能讓每個學(xué)生都能帶著預(yù)備扎實的知識理論進入教師面對面的線下課堂,讓師生之間的溝通效率更高[8]。特別是針對虛擬仿真胚胎冷凍和復(fù)蘇的操作中需要注意的細節(jié)如在不同液體中浸入時間是多久、吹吸多少次、裝載在載杠上的液滴大小等實際問題。這種混合式實驗教學(xué)法讓學(xué)生能夠積極思考,多提出難度比較大的問題,教師也相應(yīng)對實際操作的薄弱環(huán)節(jié)進行有力補充。

3 虛擬仿真實驗存在的缺點

3.1 虛擬仿真實驗的維護時間成本不足 教育部2018年發(fā)布《關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)的工作的通知》,雙一流高等院校都在建設(shè)各個重點學(xué)科的虛擬仿真實驗項目。通常這些項目需要高校投入一定數(shù)額的啟動資金,耗費一定的時間建成所需學(xué)科的實驗項目。虛擬平臺運行一段時間后,開發(fā)和維護實驗項目的工作量是巨大的,比如硬件和軟件的迭代更新或者運行期間不斷的改進設(shè)計方案。這就需要國家相關(guān)部門出臺機制來激勵、保障教師和學(xué)校對虛擬實驗項目的可持續(xù)性投入。否則,一些實驗項目很可能在幾年之后就因為資金和時間上的支持不足而成了擺設(shè),偏離了設(shè)置虛擬平臺的初衷,也浪費了教師的精力和時間,得不償失。

3.2 虛擬仿真實驗的硬件設(shè)備尚不成熟 虛擬仿真實驗項目使用到的顯示設(shè)備除了最常見的電腦顯示器外,還可以選配的其他高端顯示設(shè)備,主要包括VR、AR、MR等終端,還包括移動終端、三維桌面終端。但是,絕大多數(shù)用戶還是以鼠標作為主要交互方式。因為頭戴VR在使用一段時間后,部分用戶會感覺頭昏、惡心甚至嘔吐;其次,頭戴VR佩戴舒適度不佳,廠家生產(chǎn)成本費用高,售價達數(shù)千元,過高的價格和舒適感不好限制了該設(shè)備在高校的普及。只有頭戴VR、觸控手套的生產(chǎn)成本降低,特別是索尼等品牌全能一體機的上市,才能提高使用普及率。

3.3 虛擬仿真實驗存在共享困難 大多數(shù)高校所采用的虛擬仿真實驗平臺數(shù)據(jù)接口沒有統(tǒng)一的標準,造成虛擬仿真實驗資源和學(xué)校教學(xué)管理平臺互相不兼容,影響了虛擬仿真實驗資源的共享和應(yīng)用,阻礙了大規(guī)模數(shù)據(jù)的共享[9]。另外,針對高校都開設(shè)的基礎(chǔ)通用實驗,高校之間可以通過虛擬大教室的形式展開聯(lián)合教學(xué),這對高校的專屬服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和網(wǎng)絡(luò)安全性提出了更高的要求[10]。學(xué)校需要配備專門人員24h對網(wǎng)絡(luò)攻擊等進行排查和維護,日常管理難度日益增加。近年來興起的第三方設(shè)備市場,由于廠家采用的系統(tǒng)架構(gòu)不同即產(chǎn)品的系統(tǒng)開發(fā)標準不同,導(dǎo)致不同設(shè)備建設(shè)的虛擬仿真實驗兼容性差,不便于優(yōu)勢資源的共享。

4 小結(jié)

在新冠疫情流行的大背景下,輔助生殖實驗室由于實驗條件、儀器設(shè)備和準入門檻等因素的限制,輔助生殖操作技術(shù)無法開展現(xiàn)場教學(xué)。因此,虛擬仿真實驗的建設(shè)和實施,有效彌補了常規(guī)教學(xué)中的不足,減少了實驗教學(xué)中臨床實驗標本的投入[11-12]。虛擬仿真實驗充分突出了實操性強、風(fēng)險低、效率高等特征,重點突出以學(xué)生實操為主,得到廣大師生的一致認可[13-15]。同時,貫徹了新冠疫情防控期間的高校教學(xué)要求“停課不停教、停課不停學(xué)”,反映了國內(nèi)高校為適應(yīng)新技術(shù)革命變化所做的不懈努力和取得的顯著成效。