肺部影像解剖与功能成像虚拟仿真实验教学体系的构建与实践​

摘要

为有效地解决传统教学中设备资源受限、学生参与度低、临床思维能力培养不足等问题，本文基于计算机辅助诊断（Computer-Aided Diagnosis，CAD）技术与成果导向教育理念，构建了“技术-教学-评价”三位一体的虚拟仿真实验教学体系。同时，结合教学目标与教学模式开展对照教学实践。教学效果评估显示这种模式可显著提升学生的理论成绩，临床实践能力和教学满意度。实践中的“前测-实操-反馈”闭环可使学生从被动灌输型学习转变为主动思考探究式学习。因此，研究构建的“技术-教学-评价”三位一体的虚拟仿真实验教学体系是具有推广价值的医学影像学实验教学实践模式，不仅为医学影像学实践教学的推进提供了新的思路和方法，也可供其他临床医学课程的教学改革参考。

Graphical abstract

医学影像诊断学作为连接中基础医学与临床医学的核心桥梁学科，是影像专业理论与实践密切结合的一门课程。其教学质量直接决定学生临床诊断思维与实践能力的培养成效。肺部影像解剖与功能成像是该学科的重点教学内容，涵盖肺叶/肺段三维解剖结构、肺通气/灌注动态功能变化及10余种常见肺部疾病的影像学鉴别诊断，具有“空间结构复杂、功能变化抽象、疾病表现重叠”等特征。目前国内85%的医学院校在肺部影像教学中仍采用“教师讲授＋静态图像展示”的传统教学模式，学生对肺血管各级分支空间关系的理解正确率仅为52%，对慢性阻塞性肺疾病（Chronic Obstructive Pulmonary Disease，COPD）功能成像参数的解读准确率不足40%^［1］。

传统实验教学的局限性进一步加剧上述问题：其一，高端影像设备资源不足，国内仅12%的高校影像实验室配备肺功能成像后处理系统，学生人均设备操作时长不足0.5 h/学期。其二，临床影像数据隐私保护限制，学生难以接触真实病例的完整影像后处理流程，导致“理论学习-临床实践”出现教学断层。其三，教学评价体系单一，90%的课程仍以理论考试作为唯一评价指标，忽视实验操作熟练度与临床思维能力的考核^［2］。针对影像诊断学中肺部影像解剖的三维结构抽象、功能成像动态变化难呈现、传统实验教学设备资源不足等核心问题，虚拟仿真技术凭借“可视化、可交互、可重复、低成本”的优势，已成为突破医学实验教学资源瓶颈的关键手段^［3］。近年来，计算机辅助诊断（Computer-Aided Diagnosis， CAD）技术在肺部影像处理领域的应用取得突破，基于U-Net神经网络的肺实质自动分割精度达（92.3±2.1）%，肺结节检出灵敏度达89.7%^［4］，为虚拟仿真教学的实现提供了技术支撑。

团队前期已完成“数字肺”分析平台的构建（包含2000余例胸部影像数据）及教学目标，以学生为中心的BOPPPS教学模式在影像教学中的应用验证（延安大学2021年重点教改项目）。在此基础上，本研究进一步整合CAD技术与成果导向教育理念（OBE理念），构建肺部影像解剖与功能成像虚拟仿真实验教学体系，通过对照实验验证其教学效果，旨在为医学影像学实验教学改革提供科学可行的新路径。

1 研究背景与现存教学问题​

1.1 肺部影像学教学的核心挑战​​

肺部影像教学需实现“解剖识别-功能解读-疾病鉴别”三维能力培养，但传统教学模式存在局限性。首先，空间结构理解困难：肺叶、肺段及肺血管分支呈复杂三维网络结构，传统静态图像无法呈现不同体位下的解剖关系，学生对斜裂与右肺中叶的空间毗邻、左肺上叶舌段支气管走行等知识点的掌握正确率仅为48%（团队2021年教学诊断数据）。其次，功能变化动态缺失：肺通气功能需通过吸气相/呼气相影像对比分析，传统教学中无法动态展示肺组织密度变化过程，导致学生对“肺气肿患者通气功能障碍”的病理生理机制理解率不足35%^［5］。最后，疾病鉴别标准模糊：肺部疾病影像表现存在一定的重叠性（如肺炎与肺结核的渗出性病变、肺栓塞与肺癌的肺血管改变），传统教学仅强调定性特征（如“磨玻璃影”，“条索影”），缺乏定量指标（如CT值范围，病变体积变化率）支撑，学生对常见疾病诊断准确率仅为（65.2±7.3）%^［6］。

1.2 传统实验教学的现存壁垒

1.2.1 设备资源约束

全国30所医学院校的调研数据显示，2022年仅18%的高校影像实验室配备肺功能成像后处理系统，62%的实验室仍使用普通CT设备，无法支持肺密度定量分析、肺通通气功能评估等进阶实验操作^［7］。受设备数量限制，学生分组实验规模普遍为8~10人/组，人均实际操作时长不足15 min/次，难以培养完整的实验操作能力。

1.2.2 教学方法固化

80%的实验课采用“教师演示-学生模仿”的单向教学模式，学生被动完成“影像导入-参数测量-报告生成”流程，缺乏独立分析问题的机会。例如在肺结节良恶性鉴别实验中，传统教学直接给出“结节边缘光滑度、密度均匀性”等判断标准，学生无需自主分析，导致其在临床实习中对亚实性结节的鉴别错误率达53%^［8］。

1.2.3 评价体系缺陷

传统教学评价存在“三缺乏”：缺乏实验操作过程性评价（如设备操作规范性、参数设置合理性）、缺乏临床思维考核（如病例分析逻辑、鉴别诊断依据）、缺乏学生个性化反馈（如知识薄弱点定位）。团队2021年数据显示，传统教学评价体系下，65%的学生无法准确识别自身在“影像后处理参数设置”环节的不足。

1.3 虚拟仿真教学的政策与技术支撑​​

教育部2022年发布的《虚拟仿真实验教学课程建设指南》明确要求“医学类专业须建设不少于3门虚拟仿真实验课程，且需覆盖解剖学、影像学等核心学科”^［9］，这为虚拟仿真教学的推进提供了政策保障。技术层面，CAD技术的发展为虚拟仿真教学提供精准支撑：基于注意力机制的U-Net++模型可实现肺血管1~6级分支的自动分割，分割准确率达（88.5±3.2）%，较传统U-Net模型提升12.3%^［10］；VTK（Visualization Toolkit）引擎可实时渲染肺部三维模型，支持旋转（0~360°）、缩放（0.1~10倍）、透明化（透明度0%~100%）操作，帧率>30 fps，确保交互流畅性^［11］；自动计算肺气肿体积百分比（Emph%）、肺内血管体积（IPVV）、结节体积倍增时间（VDT）等临床核心参数，计算误差<5%^［12］，为教学提供精准定量依据。

2 虚拟仿真实验教学体系的构建​

2.1 体系设计理念​

以OBE成果导向教育理念为核心，遵循“临床需求→教学目标→技术实现→效果评价”设计进行教学体系的构建，研究思路如图1。具体方法如下① 临床需求分析：通过访谈15名三甲医院影像科主治医师（工作年限5年以上），明确肺部影像诊断需具备的3项核心能力（诊断逻辑，鉴别应用，定量参数应用能力）；② 教学目标拆解：将临床能力转化为可量化的教学目标（如：能准确识别肺段支气管分支、能独立计算Emph%并判断COPD严重程度等）；③ 技术实现路径：通过CAD技术实现“解剖可视化、功能定量化、场景交互化”，确保教学目标的实施；④ 效果评价闭环：建立“知识-能力-反馈”三维评价体系，动态调整教学内容与方法。

2.2 技术路径与核心模块​

2.2.1 技术架构

采用“数据层-处理层-应用层”三层架构构建虚拟仿真平台：数据层：整合临床影像数据（飞利浦IQon光谱CT、联影UIH-760螺旋CT采集，层厚0.625 mm，矩阵512×512）、解剖结构标注数据（由2名副主任医师双盲标注，Kappa值=0.89）及临床诊断报告（包含病史、实验室检查、治疗随访结果），共构建2000例标准化数据库（其中正常病例500例，疾病病例1500例）。处理层：基于Python 3.8实现影像预处理（高斯滤波去噪，σ=1.0；多模态配准，采用互信息优化算法）、自动分割（U-Net++模型，学习率1e-4，迭代次数500）、三维重建（VTK 9.1引擎）及定量分析（基于ITK-SNAP实现参数计算）。应用层：开发Web端教学平台（支持Chrome/Firefox浏览器），包含“解剖学习-实验操作-病例分析-考核评价”四大功能模块，支持100人同时在线访问，平均响应时间<2 s。

2.2.2 三级教学模块设计

① 基础模块：正常肺部解剖可视化。构建可交互三维解剖模型，包含肺叶、肺段、1~5级支气管、1~4级肺血管及胸膜等结构。具体包括结构标注：鼠标点击任意解剖结构，自动显示名称、解剖位置及生理功能（如“右肺中叶：位于右肺下部，呈楔形，约占右肺体积的15%”）；动画展示肺通气过程（吸气时肺容积扩大，肺密度降低；呼气时相反），支持步速调节（0.5~2倍速）；系统随机隐藏1~2个结构，学生通过鼠标选择并命名，即时反馈正确率；教学目标为90%学生能准确识别所有肺段及1~4级支气管分支，解剖定位正确率≥85%；② 进阶模块：疾病功能定量化分析。针对7类常见肺部疾病，构建1000例标准化病例库（表1），每例病例均包含，原始影像：CT平扫、增强扫描或双气相扫描图像；定量参数：系统自动计算并展示核心诊断参数（如COPD的Emph%、肺栓塞的栓子体积）；学习资源：包含疾病病理生理机制动画、影像鉴别要点及临床指南摘要；操作任务：学生须独立完成“影像导入→病变分割→参数计算→结果分析”流程，系统实时提示操作错误（如“肺实质分割范围过大，请重新调整阈值”）；③ 实战模块：临床场景还原—基于BOPPPS教学模式设计“六步教学流程”，每个病例教学过程包括：引入（Bridge-in，15 min），展示临床真实病例场景（如“急诊患者，突发胸痛伴呼吸困难，CTA提示肺动脉充盈缺损”）；提出核心问题；目标（Objective，10 min）：明确本次教学的3~4项具体目标（如“掌握肺栓塞的影像特征，能计算栓子体积并评估危险度”）；前测（Pre-assessment，10 min），通过平台题库测试学生基础认知（如“肺动脉解剖结构”）；参与式学习（Participatory Learning，60 min），学生分组完成病例影像处理、参数计算、诊断报告书写，系统实时反馈操作错误；后测（Post-assessment，10 min），完成1例模拟病例诊断，系统自动批改并标注错误；总结（Summary，5 min），教师点评典型问题，梳理“影像特征-定量参数-临床决策”逻辑链。

3 教学实践与效果评价

3.1 教学实践对象与评价指标

教学实践对象为延安大学延安医学院2020级医学影像专业本科生，共80人，随机将其分为实验组与对照组，每组40名学生。所有学生均签署知情同意书。

教学效果评价采用“多维度、多指标”价体系。具体包括知识维度：理论考核（解剖识别、参数解读、疾病鉴别）、实验操作考核（影像处理熟练度、参数计算准确率）；能力维度：病例分析报告评分（诊断逻辑、鉴别依据、定量指标应用）；小组讨论表现评估；反馈维度：学生满意度问卷（Likert 4级量表）。

3.2 教学效果评价

3.2.1 知识掌握度

实验组学生在理论成绩、实验成绩、参数计算准确率以及报告书写规范性方面均显著高于对照组（表2），差异具有统计学意义（P<0.001）。

3.2.2 临床思维能力

实验组病例分析总分及各维度得分均显著高于对照组（表3，P<0.001）。虚拟仿真平台通过VTK引擎实时渲染三维模型，使学生直观观察肺血管分支、肺通气动态变化等抽象内容，与彭娟等^［20］研究结论一致——虚拟仿真可使抽象知识理解率提升40%以上。体系嵌入临床核心参数计算功能，学生可独立完成“影像分割→参数解读”流程，能够结合最新临床指南理解参数意义。该实验使实验组学生“定量参数应用”得分显著高于对照组（实验组：85.6分，对照组：62.1分），解决了“教学与临床脱节”问题，与葛岩松等^［21］“医学影像教学需强化定量思维”的观点相符。

3.2.3 教学满意度

实验组在“知识理解难度”，“学习兴趣”和“临床信心”3个维度的满意度均显著高于对照组（P<0.001）。其中，92.5%的实验组学生认为虚拟仿真“有效降低抽象知识的理解难度”（对照组仅45%），90%的学生表示“提升了临床诊断信心”（对照组仅42.5%，表4）。BOPPPS模式与虚拟仿真的融合，通过“前测-实操-反馈”闭环让学生从被动灌输型学习转变为主动思考探究式学习。印证了刘伟等^［23］的自我决定理论-交互性教学可增强学习动机的理论。

综上所述，本研究构建的肺部影像解剖与功能成像虚拟仿真实验教学体系，通过“可视化、定量化、交互化”的设计，有效解决了教学设备不足，教学方式固化，评价体系单一等传统教学的核心问题。研究所用病例涵盖“常见-疑难-急危重症”谱系的7类疾病1000例病例库，关联最新临床指南，教学适用性更强。通过构建“知识-能力-反馈”三维评价体系，引入操作准确率、诊断逻辑等定量指标，教学评价更具系统性和科学性。而相关教学实践也表明，该体系可显著提升学生理论成绩、临床思维能力、实践能力以及教学满意度，为医学影像学实验教学改革的长期实施提供了可推广的实践模式。未来可拓展至腹部、骨骼等部位影像教学，构建完整的医学影像虚拟仿真教学体系。

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基金资助

延安大学2023年教学改革研究项目(YDYJJGZD23-01)