肾穿刺活检虚拟仿真教学的设计与应用

Design and application of virtual reality teaching in clinical practice of renal biopsy

摘要

肾穿刺活检是临床上明确肾脏病理类型的重要手段，是理解各类肾脏疾病的基础。但是作为一种有创性操作，肾穿刺活检专科性强，在临床上难以展开实训，以观摩操作为主的学习方式无法培养高素质的医学人才。针对目前肾穿刺活检的教学现状，基于3D仿真技术设计开发一套适用性强的虚拟仿真实验课程，内容包括知识点学习、临床案例、操作步骤、术后观察、自我测试五大模块，系统可进行学习评分及失分反馈。在初步应用中发现，该虚拟仿真实验教学可以实现医学生对理论和实践的双重体验，提高临床实际工作能力，值得在临床教学中应用推广。

Abstract

Renal biopsy is an important method to determine the type of pathology,which is the basis for understanding all types of kidney disease.As an invasive procedure with strong characteristics of specialty,it is difficult to carry out renal biopsy in clinical training.Observing operation is not a good method to cultivate medical talents with high quality.In view of the current teaching status of renal biopsy,a set of virtual reality experiment projects suitable for renal biopsy based on 3D simulation technology was designed and developed,including five modules such as basic knowledge,clinical cases,operation steps,postoperative observation and self-test.Besides,the system can carry out learning scoring and feedback on the loss of score.In the preliminary trial,it was found that this virtual reality experiment teaching can realize medical students' experience of theory and practice and improve clinical practical ability.It is worth promoting in clinical teaching.

Graphical abstract

关键词

虚拟仿真 / 肾穿刺活检 / 临床教学

Key words

virtual reality / renal biopsy / clinical practice

信息技术的革新推动了传统教育理念、模式与方法的变革，也推动学习方式和形态的转变。虚拟仿真技术（virtual reality, VR） 是20世纪80年代兴起的一种综合集成技术，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等，由计算机硬件、软件以及各种传感器构成三维信息的人工环境。作为一种新兴的信息技术手段，以计算机技术为核心，重构现实世界，用户借助多种传感通道与虚拟世界进行交互，具有想象性、交互性和沉浸性等特点^[1]。目前，虚拟仿真技术的应用已成为国内外教育领域的研究热点，作为现代教育重要的引领手段之一，是对传统教学进行改革、提升人才培养质量的重要方向。虽然虚拟仿真技术在中国的高等教育应用起步较晚，但已成为中国高等教育信息化建设的重要内容^[2]，其创造的虚拟现实学习环境，可以为学习者带来更具个性、互动、有趣的学习方式，激发学习者学习的内在动力。虚拟仿真教学的实施可帮助学生提高综合设计与创新能力，提高教师队伍教学能力，拓展实践领域，丰富教学内容，形成教与学的有机统一。作为一种全新的教学载体，虚拟仿真技术在医学教育领域中的应用已成为必然趋势^[3]，随着信息技术与医学高等教育的深度融合，虚拟仿真实验课程建设进入快速发展期。越来越多的研究报道虚拟仿真教学可应用于临床实训、课程教学、手术演练、远程培训等方面，其构建高度逼真的虚拟环境和操作对象，使临床上不具备或者难以完成的教学任务得以实现，激发学习者的学习兴趣^[4-5]。虚拟仿真实验教学在提升医学教学质量和水平等方面也发挥着越来越重要的作用，文献报道虚拟仿真教学能够在诸多方面改善学生的学习成绩，可提高临床实践过程中的精确性、缩短培训时间、强化操作技能等^[6]。

1 肾穿刺活检的教学现状

肾脏病是内科学的三级学科，与病理学、免疫学、病理生理学等基础学科紧密关联，所涉及的病种较多，其知识具有抽象性和复杂性的特点^[7]。且专科操作多，理论和实践融会贯通，在传统的教学模式下，医学生全面掌握肾脏病专业知识和操作技能比较困难。肾脏病理是明确疾病诊断、指导治疗方案和判断患者预后的重要依据，而肾穿刺活检作为明确肾脏病理类型的重要手段，是理解各种类型肾脏病的基础，属于有创性操作范畴。目前，最常用的肾穿方法是B超引导下经皮穿刺肾活检，具体的操作步骤为：患者取俯卧位，局部消毒、铺巾，采用自动穿刺枪，B超引导下准确定位于肾脏下极，快速取出少量肾组织用于病理学分析。虽然操作过程并不复杂，但由于肾脏组织血供丰富，如果技术不熟练，易造成出血等严重并发症，医学生上手的机会并不多；另外，患者维权意识及自我保护能力的增强，使得医学生动手操作较为困难，进一步束缚了实训操作的开展；医患矛盾的加重，患者不愿成为教学对象使得医学传帮带的模式很难顺利实施。总之，肾穿刺活检在临床实践中较难展开实训，以观摩操作为主的学习方式无法培养高素质的医学人才。因此，设计肾穿刺活检的虚拟仿真实验课程在临床教学中就显得非常必要，通过虚拟仿真课程让医学生体验诊疗的全部过程，可规避操作上的风险，确保医学生真正学到实用的临床知识技能。目前，国内关于肾脏病教学的虚拟仿真技术应用尚处于起步阶段，可用于临床教学的虚拟仿真课程非常有限^[8]。个别研发课程存在仿真度差等问题，并不能真正应用于肾病的临床教学。笔者拟设计并开发一套适用性强的肾穿刺活检虚拟仿真实验课程，通过线上虚拟和线下实训有机结合的方式，实现医学生对理论和实践的双重体验，增强临床教学的效果，培养其临床实际工作能力。

2 肾穿刺活检虚拟仿真实验教学的设计思路与开发

笔者以侧重临床实际工作能力提升、培养严谨的医疗工作态度为目标，结合教学大纲的要求和临床实际工作情况，设计了一套适用性强的肾穿刺虚拟仿真实验课程用于教学，旨在提升临床教学的效果。

2.1 肾穿刺活检虚拟仿真实验课程的设计思路

肾穿刺活检虚拟仿真实验课程总体设计思路按顺序包括五大模块：知识点学习、临床案例、穿刺操作、术后观察和自我测试（主界面如图1所示）。具体设计思路结合教学大纲和临床教学所需进行安排。

①知识点学习模块主要是一些理论知识传授，包括肾穿刺的临床意义、适应证、绝对/相对禁忌证和术前准备事项。通过对该模块的学习，可使医学生快速掌握教学要点，判断患者有无肾穿刺活检的指征及做好术前的各项准备工作。

②临床案例模块通过一个肾病综合征的病例，模拟临床诊疗场景，通过人机交互进行病史采集、检查结果判断、病史分析等诊疗关键环节。在真实诊疗环境下，患者及家属对肾穿刺操作的必要性及并发症的过度担心，使得临床医生需要花费较多的时间来解释这个过程。鉴于此现状，虚拟仿真课程在临床案例模块特别设置了这一环节，通过虚拟访谈，重点突出肾穿刺活检术前与患者沟通谈话、签署知情同意书的过程，培养医学生的临床思维和医患沟通能力。

③肾穿刺操作模块涉及物品准备、体位调整、穿刺点选择、消毒、铺巾、局麻、穿刺取材、标本送检、伤口包扎等步骤，通过逼真的虚拟呈现，模拟肾穿刺活检的操作过程，提高医学生参与教学的积极性。

④术后观察模块包括术后观察指标（如生命体征、尿色等），以及出现各种术后并发症（如肾周血肿、出血等）的处置，有利于增强医学生的现场处理能力。

⑤自我测试模块由10道单选题或多选题构成，完成所有答题和操作后呈现综合评估结果，其中临床案例占30分，肾穿刺操作占50分，自我测试占20分，计算各模块得分、总得分和所用时间。医学生通过自测模块及失分反馈，了解自身的知识掌握程度和薄弱环节，并能针对薄弱环节进行反复练习。系统还可进行操作过程的形成性评价、实验教学活动统计等。

该课程通过进阶式学习与通关式问答相结合、线上虚拟交互与线下综合实训相结合、学生自主学习与平台虚拟示教相结合，实现了教学载体信息化创新，让学生在体验互动乐趣的同时还可增强其现场处置能力，充分发挥学习自主能力，提高医学生参与教学的积极性，提升了教学效果。

2.2 肾穿刺活检虚拟仿真实验课程的技术框架和主要研发技术

该课程主要采用虚拟3D仿真技术、3D动画技术、WebGL等技术，通过3DMax、Maya、Unty3D等软件开发合成，编程语言及版本为css、javascript、net framework 4.0。运行软件环境采用Windows7及以上中文操作系统，装有flash播放插件。运行硬件环境建议CPU使用Intel双核以上级别，内存推荐1 G以上，显示器的分辨率调至1 920×1 080以上。系统以视窗的形式展现，动画逼真且操作简单、可交互性强。

3 肾穿刺活检虚拟仿真实验教学的应用步骤与效果

肾穿刺活检虚拟仿真实验课程可在台式计算机、笔记本电脑、手机或平板等移动终端使用，且无须配备3D眼镜。以笔记本电脑为例，医学生通过电脑端访问，打开电脑浏览器，输入实验项目网址，进入仿真教学平台学习。首先可见项目名称等基本信息，然后进入主界面，按次序进行五个模块的学习。在知识点学习模块点击按钮逐一浏览肾穿刺活检的临床意义、适应证、禁忌证和术前准备事项。此模块浏览结束后，再点击临床案例模块按钮，具体操作步骤为长按“按住讲话”键， 医学生向患者进行语音发问，询问病史及进行肾穿刺的术前交流，通过人机交互展开虚拟访谈，如果对所进行的操作不确定，可按“返回”键，返回上一级菜单，如图2所示。系统自动记时，并统计得分。接下来进入肾穿刺活检的操作步骤环节，首先点击选取需要用到的物品，分步进行操作，按体位调整、穿刺点选择、消毒、铺巾、局麻、穿刺取材标本送检、伤口包扎各步骤依次进行，如出现错误步骤，系统会自动进行提示，直至正确后才能进入下一步骤。然后进入术后观察模块，点击相关知识点，浏览观察指标，如生命体征、尿色等，课程逐一呈现肉眼血尿、肾周血肿等并发症的临床表现及处理措施。完成以上阶段的学习后，最后可在自我测试模块进行相关知识点作答，由系统进行评分，学生也可通过得分细则查看失分点并进行学习薄弱环节的改进。在使用该课程进行学习的过程中，需注意不要中途退出，建议一次性做完实验。平台会记录每次学习成绩，以最高分展示为课程成绩。医学生可多次登录课程，反复练习，进而加深对肾穿刺活检操作的理解和知识点的掌握。

团队教师先期在肾内科轮转的60名医学生中进行了试用，并进行了课程满意度调查。90%的学生认为课程非常有意义，通过线上提前学习，对肾穿刺活检的理论和操作有了更深入的认识；73%的学生认为提高了自主学习能力，总体使用满意度达85%。但在应用过程中医学生也发现了一些问题，希望进一步完善课程的内容，如增加标准操作视频演示、提高临床案例的生动性等。

肾穿刺活检虚拟仿真实验教学的实施过程中，线下实训教学也是一个重要的环节。具体方法为分成小组进行线下见习，以真实世界的肾脏病患者为教学对象，重现肾穿刺活检的实际操作过程。教师采用启发式教学模式，引导医学生作为主体，从准备肾穿刺的物品开始，完成体位调整、穿刺点选择、消毒、铺巾等步骤，由医学生作为助手，配合教师完成肾脏穿刺取材的关键环节，术后医学生记录肾穿刺操作的整个过程。联合线下教学有利于进一步加深对肾穿刺活检的印象，培养医学生的临床动手能力。

4 肾穿刺活检虚拟仿真实验教学的优缺点

4.1 肾穿刺活检虚拟仿真实验教学的优点

肾穿刺活检虚拟仿真实验教学突破了时间和空间的限制，是对传统教学的延伸与拓展，弥补了传统教学方式中肾穿刺活检实训难以开展的缺点，避免了单纯观摩操作的不足。采用虚拟仿真的教学方式，医学生可以随时进入平台进行知识点浏览及操作模拟，使得肾穿刺的临床教学变得更加直观生动^[9]。结合线下实训教学，真实展现了肾穿刺的实际操作过程，让医学生具备应有的基本临床操作能力，促进其实践能力和创新能力的提高，也促进了理论与实践教学的深度融合^[10]。同时，教师参与到肾穿刺虚拟仿真实验教学的过程中，要求带教教师除通晓肾脏病专业知识外，还要有较高的网络信息技术水平，利用平台的各种教学资源，随时调整教学方法和手段，以满足虚拟仿真教学的要求。在教学中引入信息化教学方式，使得学生能够学以致用，达到融会贯通的学习结果，也提高了教师的信息化教学水平^[11]。通过师生之间的互动和教学反馈，及时改进教学中存在的问题，提升了医学生的学习满意度。通过对比肾脏病专业出科理论考试与技能考核的成绩评估教学效果，发现临床教学质量较前有一定程度的提升。

4.2 肾穿刺活检虚拟仿真实验教学的缺点

肾穿刺活检虚拟仿真实验教学也存在一些不足的地方，比如医学生对平台使用的积极性和主动性不够，部分学生需要在教师的提醒下才能登录课程进行学习；且学生之间的互动交流较少，缺乏团队合作精神。由于课程开发是一个知识交叉整合的过程，成本高昂且耗时较长^[12]，专业教师关于肾穿刺活检虚拟仿真课程的部分设想无法精确实施，病史询问过程中人机交互程度有待提高，病例分析的场景效果与真实诊疗场景仍有一定的差距，不利于综合分析能力和观察能力的培养等^[13-14]。因此，肾穿刺活检虚拟仿真实验教学并不能够完全替代线下的真实教学，需在教学实践中进行不断地修改完善，以便更好地服务于临床教学。

5 结束语

综上所述，肾穿刺活检虚拟仿真实验教学课程的设计和开发顺应了信息技术革新的潮流，是现代医学教育发展的大势所趋。该课程弥补了肾脏病传统教学中临床操作实训不足的缺点，缓解日益增长的学习者与有限的医学教学资源之间的矛盾。在医学生中应用虚拟仿真实验教学课程可实现医学生对于理论和实践的双重体验，充分发挥学习的自主能力，更好地掌握肾穿刺活检的操作过程，提高其临床实际工作能力，有利于临床思维能力的培养，具有良好的推广应用价值。

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基金资助

上海交通大学医学院一流本科课程建设项目(2021-21)

中国高等教育学会科学研究规划课题(23SZH0418)

上海交通大学教学发展基金项目(CTLD23J0027)