虛擬仿真技術在臨床麻醉技能教學中的應用*

張 東,律 峰,閔 蘇,崔 紅,黎 平

重慶醫科大學附屬第一醫院麻醉科,重慶 400016

臨床麻醉技能含有大量高風險的操作,如果操作不當,不僅會影響實習的教學質量,而且會導致患者發生嚴重的并發癥和麻醉意外。故麻醉技能教學需要將扎實的理論基礎與大量的臨床實踐相結合,通過標準、嚴格、反復、長期的模擬訓練,使進入臨床實習的麻醉本科生樹立強大的信心,迅速適應崗位的需求,加快醫學生向醫生的角色轉換。

目前多數醫學高等院校的臨床麻醉技能授課主要沿用傳統的課堂理論教學-臨床示教-臨床實習的模式,形式較單一、枯燥,不能充分營造視覺沖擊,且存在教學模型數量有限(模型與學生的數量比例小于1∶10)、學生實踐操作中浪費相關耗材等問題,難以滿足鍛煉學生動手能力的需求,以至于無法調動學生的學習興趣和積極性,從而出現教學與臨床嚴重脫節的現象。

近年來,虛擬仿真技術在醫學領域得到廣泛應用,它是將虛擬的系統模仿成真實世界系統的技術,是一種可創建和體驗虛擬世界的計算機系統,作為一種全新的教育技術,可以使學生沉浸式體驗教學過程。它具有4個基本特性:沉浸性、交互性、虛幻性、逼真性[1-2]。它提供虛擬的多維空間,根據用戶的感知、認知能力及主觀能動性,全方位獲取操作場景,使用戶能隨意進行操作實踐,感受身臨其境的效果,從而達到對技能操作的熟練掌握[3]。有研究表明,虛擬教學軟件在麻醉技能教學及學生臨床思維能力的培養等方面具有較高的應用價值,其教學效果優于傳統教學[4]。若將虛擬仿真技術融入臨床麻醉技能教學中,將真實的麻醉操作場景顯示在學生面前,讓學生身臨其境,通過虛擬多維空間完成技能操作練習,這樣不僅能培養學生的臨床思維能力,還能調動學生的積極性,給學生們帶來強烈的視覺沖擊,進一步鍛煉學生腦與手相結合的能力,有助于提高臨床麻醉技能的教學效果。

1 虛擬仿真技術在臨床麻醉技能教學中的應用前景

將虛擬仿真技術融入麻醉技能教學對于提高教學質量有重要的意義。研究表明,開設虛擬仿真模擬課程能顯著提高醫學專業本科生及碩士研究生的實踐技能[5]。虛擬仿真技術構建了各種臨床麻醉技能操作的三維虛擬空間,為學生提供一種新穎、有效的學習方式,不僅能讓學生體驗到一種身臨其境的感受,還可以在沒有現實風險和經濟損失的前提下練習和掌握麻醉操作技能,從而達到臨床教學目的。虛擬仿真技術可打造多樣化教學內容,營造安全的實踐教學環境,突破時間和空間的限制,減少差錯,增強師生互動性,使資源可持續利用和共享[6-7]。

1.1利用虛擬仿真技術構建人體解剖的三維模型 解剖是臨床技能教學的基礎,任何技能操作都離不開解剖結構的支撐,因此掌握人體臟器、血管、神經等結構之間的毗鄰關系至關重要。傳統的教學模式常以理論課為基礎輔以解剖課,通過學習大量解剖圖譜及人體標本掌握解剖結構,教學形式較單一,學習難度大,嚴重影響學生的學習積極性。近年來,解剖學的教學開始采用具有虛擬仿真技術的多媒體軟件(3D Body、3D-DOCTOR及“數字人”解剖系統等),通過3D形式盡可能逼真地顯現解剖學影像進行教學[8-9]。這些軟件在虛擬仿真技術的支撐下,可以清晰、精準、直觀地顯示人體的三維立體解剖模型,能夠幫助學生快速掌握復雜的解剖結構,這無疑為學習麻醉操作技能提供了極大幫助。例如,虛擬仿真技術下氣管插管的仿真模型,當學生戴上頭盔顯示器(HMD)、數據手套等輔助傳感設備后可以清晰地看到氣管插管的虛擬場景,能直觀感受插管過程中氣管導管經過的路徑,學生可通過該場景仿真模型進行練習,并更好地理解氣管插管的操作要點。這種虛擬仿真教學方式靈活多樣、生動有趣,可激發學生主動探索新的學習模式,并構建自身認知體系,將全面提升自身學習能力。

1.2利用虛擬仿真技術進行技能操作演示或錄制視頻 既往麻醉技能操作通過相關的解剖結構來定位,如果患者存在解剖結構變異,按照常規解剖定位進行操作會給患者帶來很大的潛在風險。隨著麻醉醫生的“第3只眼”——彩色多普勒超聲在圍術期的廣泛應用,相關風險的發生逐漸降低,但是整個超聲畫面缺乏立體感,對人體各組織的辨認難度大,以至于學生在臨床實習中體驗感欠佳。重慶醫科大學(以下簡稱本校)目前已建成由基礎醫學、臨床技能、臨床檢驗診斷、護理、藥學及重慶市人類生命與健康博物館等構成的統一的校級虛擬仿真實驗中心。通過該中心可利用虛擬仿真技術進行現場操作演示或錄制視頻以便后期觀看,打破視覺上的限制,讓學生身臨其境,更加深入地體會操作細節,使整個體驗過程生動形象,從而增強其主動學習的興趣和積極性,引導學生深入學習基礎知識,促進基礎-臨床課程整合。虛擬仿真教學實踐表明,參與虛擬仿真教學的學生理論考核成績和操作技能考核成績均顯著高于傳統教學的學生,在教學方法滿意度、自學能力等方面均優于傳統教學法,這充分表明虛擬仿真教學效果顯著,能充分激發學生的學習興趣,提高學習效率、教學效果及綜合素質[10-11]。

1.3利用虛擬仿真技術進行技能的仿真培訓 麻醉學人才(“四生”:包括實習生、碩/博士研究生、住院醫師規范化培訓生、進修醫生)的培養除了要有扎實的專業理論知識,還必須要有較強的臨床操作能力。在以往學生的臨床實習過程發現,絕大多數的學生在臨床技能操作上存在動作不規范、過程不熟悉、解剖結構不認識等諸多問題,導致其自信心和學習積極性受到嚴重影響,同時也給患者帶來意外傷害的風險并嚴重影響患者的滿意度和舒適度。歐洲麻醉學會建議加強麻醉相關知識與技能培訓,全面保障患者安全[12]。因此,在學生完成相關理論知識的學習后至臨床實習前應該對操作技能進行強化訓練,從而使其在今后臨床工作中能精確操作,盡量避免造成對患者的意外傷害及醫療耗材的浪費。

如何才能進行有效的技能培訓呢?可以采用虛擬仿真技術進行有目的性的反復模擬培訓,培養扎實的臨床技能,構建活躍的臨床思維,更好地綜合應用理論知識。學生可以通過人機交互虛擬仿真教學系統隨意選擇訓練項目,比如虛擬氣管插管模擬器、虛擬心肺復蘇模擬器、虛擬椎管內穿刺模擬器及虛擬神經阻滯模擬器等項目。不管何種虛擬學習項目,學生戴上相關設備后選擇相應的虛擬模擬器項目,相應的虛擬場景就會自動呈現,清晰精確地展示血管、肌肉、骨骼、神經等解剖結構的三維毗鄰關系,并能顯示相關操作的用具供學生自由組合挑選。這不僅帶來強烈的視覺沖擊,而且手感上也能實時地反饋觸覺,使整個過程更加真實生動。有研究顯示,SimMan綜合模擬人系統是基于虛擬仿真技術的一種教學工具,它可重復操作訓練,還可暫停操作即席討論,具有記錄和保存功能,可重新模擬正確示范操作。學生經過該模擬人系統反復訓練,能培養扎實的臨床基本技能,構建活躍的臨床思維。該系統還可以按照系統設置,個性化編輯某種疾病的處置流程,實施精準治療[13]。同理,在人機交互虛擬仿真教學系統基礎上,學生課前預習相關知識,利用虛擬仿真技術進行模擬培訓,可通過在線人機交互進行基礎的自由練習、特殊疑難病例高階挑戰提升培訓、以病例為基礎的理論和實踐考核培訓,以及課后復習進行查漏補缺鞏固課堂內容。

此外,虛擬仿真技能培訓系統還可以虛擬多種不同的真實臨床病例情景,比如不同情況的困難氣道、特殊患者的腰椎穿刺及各種神經阻滯。這增加了課堂的生動性和趣味性,有效地將理論與實踐結合起來。為了讓實習生快速掌握麻醉相關技能操作,本校臨床技能中心專門對其開放虛擬實驗室,他們可以有目的地進行各種麻醉相關的技能練習,經過反復強化訓練,可為今后的臨床實踐打下夯實的基礎。

2 虛擬仿真技術應用于麻醉技能教學的問題

雖然虛擬仿真技術在醫學領域教學上存在諸多的優勢,但是也存在亟待解決的問題,阻礙了其在麻醉學乃至整個醫學教學中的應用。

2.1經濟方面 醫用虛擬仿真設備非常昂貴,需要各種高端的儀器設備及系統,如高性能計算機系統、虛擬環境生成器、人體的姿勢/頭/眼/手位置的跟蹤測量系統、三維視景圖像生成及立體顯示系統等,這些儀器和設備的成本及維護費用較高,在一定程度上限制了該技術的廣泛應用。另一方面,在建設虛擬仿真技術實施的場地方面,需要采用先進的虛擬仿真3D技術結合虛擬仿真設備、電動機械等,以3D的形式模擬出真實的醫學場景,這些都需要大量財力及先進設備的支持才能實現。

2.2技術方面 虛擬仿真技術的主要問題體現在圖像的清晰度不夠、圖像刷新率低及網絡質量不佳。虛擬仿真呈現的圖像或視頻的清晰度不夠會直接影響學生學習的興趣及學習效果;圖像刷新率是指電子束對屏幕上的圖像重復掃描的次數,刷新率越高,所顯示的圖像(畫面)穩定性就越好;網絡質量不佳會導致在操作過程中出現卡頓甚至死機現象。

2.3感官體驗方面 部分同學在操作體驗過程中可能出現如眩暈反應等身體不適[14]。通常虛擬仿真技術中體驗者都以第一人稱視角移動,因此很可能會發生不同程度的眩暈反應,這與人體的適應能力和設備配置相關,但更主要的原因還是虛擬仿真設備本身存在運動追蹤的問題。當體驗者移動頭部時,設備需要及時檢測到頭部的動作并且調整相應顯示角度才能帶給人真實的臨場感覺。目前的設備大多通過運動追蹤感應器來實現這一功能,但使用過程中還是會存在畫面跟不上頭部動作的情況,會給體驗者帶來明顯的眩暈和不適。

2.4師資與課程建設方面 虛擬仿真技術運用于醫學教學領域還處于萌芽階段,許多老師比較缺乏虛擬仿真教學方面的知識,相關師資培訓遠遠不夠。據報道,在2018年由浙江大學醫學部承辦的麻醉學師資培訓班對來自全國39所高校中的55名麻醉學教師進行了虛擬仿真教學調查,結果顯示76.9%的教師表示在實際教學過程中未采用過虛擬仿真教學,67.3%的教師了解虛擬仿真教學,17.3%的教師完全不了解,僅有15.4%的教師熟悉此教學方法[15]。由此可見,我國絕大多數的醫學院校在應用虛擬仿真教學過程中師資培養的普及度還不夠,還需要進一步積累虛擬仿真教學經驗。

師資培訓固然重要,但課程建設方面更不能忽視。筆者團隊可依托本校虛擬仿真實驗中心創建麻醉學虛擬仿真實驗平臺,根據麻醉學本科生、麻醉學碩士研究生及麻醉學住院醫師規范化培訓生的教學計劃進行相應的課程建設,開發虛擬仿真課程軟件和開放式網絡3D教學課件,研發麻醉基礎實驗關鍵技術,開發住院醫師規范化培訓實踐操作虛擬仿真課程軟件等[16]。在麻醉學教學中加強對麻醉學師資虛擬仿真教學的培訓、推進虛擬仿真課程的設置和加強軟件的開發及增加經濟和技術層面的支持才可能推動其在麻醉學各層學員培養中的應用[17]。

此外,相關研究表明,通過構建虛擬教研室能有效提升麻醉住院醫師規范化培訓理論授課質量,培養優秀的麻醉學緊缺人才,將有助于改善社會整體醫療服務質量。虛擬教研室理念的引入將整合高校、醫院與科室之間的優勢教學資源,也為改善麻醉教學質量提供了新思路[18]。

3 結論與展望

醫學教育的改革與發展一直是現代醫學關注的重點,以往傳統單一的教學模式已經不能適應現代教育的需求。隨著科學技術的快速發展及精準醫療理念的提出,麻醉學專業的技能教學必然面臨越來越多的新挑戰。如何培養出順應時代需求的高質量創新型麻醉學緊缺人才,是當今麻醉學教育的首要任務。目前,數字化教學是醫學教學模式發展的一個趨勢,虛擬仿真技術作為數字化教學的重要輔助手段,其在技能教學中的應用具有明顯的優勢,將虛擬和現實有機結合,既豐富了教學情景,又提高了學生學習的積極性和興趣。為了加快培養麻醉緊缺人才,有效提升其創新意識和臨床實踐能力,本文從虛擬仿真技術如何在臨床麻醉技能教學中的應用及在應用過程中所面臨的相關問題進行了初步的探討與分析。筆者一方面將繼續落實虛擬仿真技術的硬件設備、人力資源與課程建設等問題,另一方面完善在線人機交互麻醉學基本臨床技能虛擬仿真教學內容及軟件模擬內容,并應用于教學。虛擬仿真技術無論在醫學教育還是在臨床工作中均給現代醫療行業帶來了革新,相信在醫學領域中的應用也將成為必然。在新時代、新科技、新理念的前提下,將虛擬仿真技術與醫學教育完美有機結合,不僅能彌補傳統教學方法的不足,而且還能幫助學生理解記憶及提高臨床技能操作能力,從而提高醫學教育的質量和效率。