數字醫學在醫學教育中應用的研究進展

劉剛剛 謝欣昇 高 魯 高雪嬌 李富震

1.黑龍江中醫藥大學附屬第二醫院骨一科，黑龍江哈爾濱 150001；2.黑龍江中醫藥大學附屬第一醫院耳鼻喉科，黑龍江哈爾濱 150040；3.黑龍江中醫藥大學基礎醫學院，黑龍江哈爾濱 150040

醫學教育的目的是通過醫學理論知識學習與實踐技能培訓，使醫學生構建醫學思維，理論知識與臨床實踐相結合，掌握醫學技能，獨立完成臨床工作。為培養具有自主學習能力、快速適應崗位能力、良好臨床診療能力和創新能力的復合型醫學人才，提高醫學教育水平，“早期接觸臨床”的教育理念已成為共識[1]。因傳統的“基礎課-臨床課-實習”三段式醫學教育模式在授課方式、教學課程、內容設置等方面與臨床實踐之間脫節[2]，故已不能滿足醫學教育的需要。諸多學者為尋求更加高效的教學方法進行很多探索和研究。將數字醫學應用于醫學教育，在近些年被國內外學者所重視，因其為老師提供更多教學方法，為學生提供更多的實踐和學習方式，且具有可線上線下結合、早期接觸臨床、教學方式靈活鮮明、應用貫穿于醫學教育始終等特點，從而得到良好的教學效果，值得深入研究和大力推廣。

1 數字醫學

數字醫學是基于信息科學，將醫學教育、科研、臨床、醫政管理、遠程醫療會診等工作數字化，并通過數據采集分析，與計算機輔助設計/制造的醫學應用、醫學工程、人工智能、互聯網等結合的多學科、多系統交叉體系。其理念最早由美國威斯康星大學Slack 教授于20 世紀末提出[3]。自2001 年起，鐘世鎮院士多次在國內多地組織舉行“中國數字化虛擬人體的科技問題”研討會，提出國內的數字醫學的概念。中華醫學會數字醫學分會于2011 年5 月成立，標志著我國數字醫學成為一門新的學科。近十幾年來，隨著信息工程、醫學工程的高速發展和國家政策性扶持推動，對數字醫學的發展產生深遠的影響。數字醫學研究內容涵蓋了整個醫學及其相關領域，在醫、教、研的開發應用、醫政管理、健康大數據、云計算、人工智能、區塊鏈、醫工結合、基礎設施建設等方面得到突飛猛進的發展[4-13]。國內外均在積極開展數字醫學的基礎理論研究和應用基礎研究，如我國的“中國數字化人體數據集的建立”項目、虛擬生理人體項目、全息數字人項目[14-15]；美國的虛擬生理人計劃和數字人計劃；德國的Voxel-Man 研究；歐洲虛擬生理人研究等，此外醫學形態學標本數字庫和基因工程數據庫的建立，以及基于信息科學衍生出的虛擬現實（virtual reality，VR）、增強現實（augmented reality，AR）、混合現實（mixed reality，MR）、三維可視化、3D 打印（three-dimensional printing，3DP）等數字化技術在臨床、科研、教學中的廣泛應用，逐漸構建出數字醫學體系。同時醫療行政部門通過網絡與各醫學院校、數字醫院的數字系統互聯，形成健康醫療大數據、醫學教育平臺和醫政管理系統，服務于醫、教、研與醫政管理工作。隨著數字醫學體系組建的進行，與之相關的醫學工程和信息工程技術逐漸完善，應用愈發廣泛，功能日趨多樣。對于數字醫學在醫學教育的應用研究也成為現在教育研究的重要組成部分[16]。

2 醫學教育中的應用

2.1 醫學基礎教育中的應用

目前國內很多院校都建成自己的醫學形態學標本數字庫[17-18]，學生可通過網絡終端學習，解決了組織胚胎學、生理病理學、微生物學、寄生蟲學等學科標本不足、樣本缺失，以及解剖尸體不足等問題。國外研究表明，3D 打印模型應用于解剖教學并不比尸體材料差，甚至可能會取得更好的教學效果[19]。我國研制的智能電子標準化患者教學系統-機能學數字人“ESP”[20]已應用于高校醫學生理學教學中。意大利、英國、立陶宛的多所醫學院校已將數字病理學納入醫學教育的大綱[21]。Adnan 等[22]通過文獻研究得出結論，3D 解剖軟件、VR、AR 等已應用于歐美多所院校的高級解剖學課程，如局部解剖學和神經解剖學。Branson 等[23]使用自動立體可視化技術（AS3D）從DICOM 數據中查看解剖結構，結合對相同立體屏幕圖像的3DP 模型的觸覺探索，從而提高學生的空間意識和對解剖特征的了解。陸軍軍醫大學[18]通過數字解剖教學系統應用3DP 模型進行人體解剖學的學習，同時又開展仿真手術技能培訓等解剖學拓展學習，以貼近臨床，加強學習效果。總而言之，數字醫學基礎教育不僅可以解決標本缺失、不足等問題，還可以將抽象的文字知識點轉化為動態具象化數字和實物模型，并與真實臨床患者病歷信息相結合，使其更加直觀和便于理解，解決了傳統醫學教育模式課堂氛圍枯燥、學生學習興趣低下、注意力不集中、難以全面掌握知識點的問題，此外，還可避免學生長期接觸福爾馬林的健康風險。

2.2 臨床課中的應用

基于“互聯網+”、大數據、云平臺、移動智能設備和數字醫院HIS、PACS 的萬物互聯，數字醫學教育將傳統“教學-記憶-實踐”學習模式轉換為“教學-實踐-理解-記憶”模式。以3DP 為例，臨床課老師可以輕松地從醫院PACS 系統中獲取典型病例的影像學DICOM 數據，通過3Dslicer 等軟件進行3D 建模并制備3DP 模型，以應用于臨床課教學，3DP 模型除了可以直觀展示病變部位解剖結構外，還可進行模擬手術操作，讓學生對理論知識有更深層的認識，同時達到在臨床操作之前的鍛煉目的，有效提高學生理論聯系實際能力，提升學習興趣并激發學生學習熱情[24]。此外，如王微微等[25]將數字醫院的T-PACS 通過互聯網與移動終端相結合，構建Hinacom 醫學影像學教學平臺，采取線上線下混合教學模式，在課堂授課之余學生可以通過移動智能設備隨時隨地學習PACS 數據庫中典型病例的臨床資料和影像學數據，將課堂與臨床相結合，大大提高了學習效率、學習積極性和自主學習能力。

2.3 臨床實踐教學中的應用

近年來，3DP、MR、VR、AR、三維可視化等數字醫學技術在國內外臨床實踐教學中應用廣泛。例如，澳大利亞醫學院校將結合數字仿真的VR 解剖廣泛應用于手術解剖訓練中[22]。陳敬寅等[26]發現AR 技術能夠讓醫學生在高度還原實際情況的環境下無風險地提高腦室穿刺術的能力、提升血管內介入治療技術。石小強等[27]通過將MR 應用于腹膜后腫瘤手術臨床教學，可明顯提升醫學生對解剖結構的空間理解力。Andersen 等[28]通過試驗證明基于沉浸式VR 的培訓模式，顯著提高了美國醫學生超聲引導下外周靜脈置管安置的學習效果。Recker 等[29]利用3DP制作的巨細胞動脈炎模型在超聲下與真實病例基本一致，在超聲科的臨床培訓取得較好效果。張旭等[30]通過建立醫學影像學病例庫，并通過3DP 與之結合應用于臨床教學，提升教師教學質量和教學水平，同時提高學生的學習興趣和獨立學習、主動解決問題的能力。總而言之，數字醫學的諸多先進技術可以模擬真實的臨床病例和操作場景，增加臨床醫學生的仿真操作機會，進行臨床技能的訓練，提升臨床技能，極大提升臨床教學效果。

除此之外，數字醫學的教育模式還可以通過網絡利用智慧終端開展，如利用機器人系統遠程手術操作教學[31]、應用遠程醫學和數字化教學平臺[32]開展醫學繼續教育等。這種模式可以貫穿醫學教育始終，特別是在醫學教育師資落后的地區和基層醫院，對醫療水平和醫學教育內容具有極大補充和提升作用。

3 存在問題

數字醫學在醫學臨床和教學中的作用已得到廣泛的認可，但仍存在很多問題和不足亟待解決，經總結有如下幾個方面：①在政策方面，國家對數字醫學的政策扶持偏向于數字化醫療裝備和醫療大數據建設，而缺乏對數字醫學教學和診療技術的支持。②缺乏數字醫學的跨學科人才培養體系，學科建設和人才培養僅局限于江蘇、廣東、上海、重慶、北京等地的數所高校和其附屬醫療機構間[13-14，16]，如南方醫科大學、上海交通大學、陸軍軍醫大學等，醫科與工科難以形成合力，缺乏產業支持，導致數字醫學臨床和教學師資人才稀缺、數字醫學教學發展緩慢等問題。③數字醫學的3DP、MR、AR、VR、三維可視化等技術需要高精尖設備支持，價格昂貴，僅在部分師資力量雄厚，教學理念先進的院校開展試驗或試點，很難在大班授課的普通高校普及應用。④由于基于數字化的教學平臺缺乏政策性扶持、整合和公開，平臺多由高校和醫療、科研機構自主建設，信息壁壘嚴重，且大多數高校、醫療機構教學設施和教學內容、授課模式與數字醫學脫節，嚴重阻礙了數字醫學在教學中的發展。⑤數字醫學涉及大量臨床信息的采集及對應的數字情景模擬、3DP 等，其中涉及的患者隱私及倫理問題仍需值得思考和探討。⑥網絡信息安全對數字醫學的影響也需慎重考慮，特別是健康醫療大數據和基因工程的信息可能會涉及國家安全層面。

4 展望

數字醫學在我國起步較晚，但是國家對其非常重視，將作為數字醫學基礎的健康醫療大數據提高到國家重要的基礎性戰略資源的高度，并在《“健康中國2030”規劃綱要》《關于促進和規范健康醫療大數據應用發展的指導意見》等政策的支持下，在全國構建“1+5+X”的健康醫療大數據戰略布局[33]，并積極推動數字醫學數據要素全面開放共享，目前已具備基于健康數據科學開展“數據密集科研范式”及多學科融合研究的條件[34]。鼓勵信息技術與醫學發展深度融合，推動數字醫學技術在臨床醫學、醫學教育、醫政管理、信息工程等領域的開發、轉化和應用。

隨著國家對于數字醫學的大力支持，進而扶持和整合數字醫學教育資源，推進教育大數據和云平臺建設，將不同院校和科研、醫療機構可公開的數字醫學醫、教、研資源進行開源共享，比如虛擬生理人、醫學形態學標本數字庫、數字醫學輔助程序等。推進各院校和醫療機構轉變教學理念，優化教學內容和結構，改變傳統的“Lecture-Based Learning”教學模式，成立數字醫學教學管理部門或工作室，建設自己的“課堂-臨床”互聯的數字化教育系統，改善教學設施和條件，增加對智能終端設備的投入，通過線上與線下相結合，應用3DP、MR、AR、VR、三維可視化等數字醫學技術開展教學活動。同時加強對數字醫學臨床、教學和醫工人才的培養，比如對高校教師及臨床帶教開展mimics、3Dslicer 等軟件的應用和數字醫學設備的使用教學，以推進數字醫學技術在基礎教育和臨床教學中的普遍應用。

隨著信息技術和工程學的不斷發展，新的技術不斷涌現，如4D 打印技術[35]也開始逐步應用于醫學領域[36]，該技術在將來必然會應用于醫學教學中。隨著數字醫學的進一步發展，甚至可以通過數字孿生[37]或“元宇宙”[38]創建虛擬醫院，利用人工智能系統模擬教學和臨床操作過程，并進行考核。隨著經濟的發展、教育理念的變革和對數字醫學教育資金投入的不斷增加，在不久將來數字醫學在醫學教育中的應用將更加普遍，發揮更重要的作用。