麻醉臨床技能多模態(tài)虛擬仿真教學體系建設與實踐

龔燦生 高 飛,3 解慧泓 郭艷華 鄭 艇 蔣俊丹 鄭曉春,3,4

（1 福建醫(yī)科大學省立臨床醫(yī)學院，福建省立醫(yī)院麻醉科，福建 福州 350001；2 福建省急救中心，福建省 “一帶一路” 聯(lián)合共建實驗室，福建 福州 350001；3 福建省急救中心，福建省急診醫(yī)學重點實驗室，福建 福州 350001；4 福建省急救中心，福建省疑難重癥研究重點實驗室，福建 福州 350001）

麻醉學科是一門對臨床實踐高要求的臨床學科，麻醉醫(yī)師除了需要掌握內外婦兒及麻醉學科理論知識外，必須具備扎實的臨床技能，才能勝任臨床工作[1]。目前大多數(shù)教學醫(yī)院仍沿用觀摩-實踐-指導的傳統(tǒng)教學模式，對于醫(yī)學生及處于規(guī)范化培訓階段的住院醫(yī)師而言，教學風險較高[2]。我院融合線上-線下理論課程、虛擬仿真技術及虛擬現(xiàn)實技術等方法，形成視聽觸覺多模態(tài)教學體系，顯著提高了臨床教學安全性、增加了臨床技能培訓教學的豐度，調動了學員學習興趣，提高了麻醉學科臨床實踐人才培養(yǎng)的質量與效率。

1 傳統(tǒng)麻醉臨床技能培訓面臨的問題

對于臨床技能培訓而言，在真實患者身上進行實踐操作是學習的最佳途徑，但麻醉學技能操作多為高風險操作，操作不當易導致嚴重的并發(fā)癥。讓毫無經(jīng)驗的醫(yī)學生在患者身上進行各種操作練習（如氣道管理、椎管內穿刺、中心靜脈穿刺置管、神經(jīng)阻滯等），無疑對患者的安全造成威脅，也可能引發(fā)醫(yī)療事故和糾紛[3]。另一方面，若沿用傳統(tǒng)的觀摩-實踐-指導教學方法，學員實踐機會少，只能靠“運氣”學習所遇到的病例；對于不能見到的病例或操作，只能通過教材或課程進行學習記憶，猶如紙上談兵，不能獲得深刻的體會。第三，麻醉學科醫(yī)師人數(shù)仍十分緊缺，臨床技能培訓講師的數(shù)量少，教學水平參差不齊，難以保障培訓的同質化和優(yōu)質化[4]。因此，解決上述教學難題，探討更加有效的教學模式，保障麻醉學科臨床技能培訓、提高醫(yī)學教育質量，是麻醉臨床技能培訓課程改革的重點問題。

2 麻醉學科臨床技能多模態(tài)虛擬仿真教學體系的建設與實踐

虛擬仿真技術通過計算機技術構建虛擬現(xiàn)實環(huán)境，模擬真實世界中的各種情境，讓學生在虛擬環(huán)境中進行實時的、交互性的操作和訓練[5]。目前，虛擬仿真技術已廣泛應用于醫(yī)學教育中，包括外科手術、內科診斷和治療、急救技能培訓等多個領域。顯然，虛擬仿真技術可以提供逼真的視覺和聽覺效果，從而為學員創(chuàng)造出一個近乎真實的環(huán)境，讓學員更好地理解和掌握實踐課的內容[6]。但對于麻醉學技能培訓而言，許多規(guī)范動作習慣的習得是需要依靠多次觸覺反饋來實現(xiàn)的，如動脈搏動感、組織穿刺的阻力感和落空感等。遺憾的是，目前絕大多數(shù)麻醉技能培訓虛擬仿真平臺無法提供觸覺反饋，這無疑使虛擬仿真技術在麻醉臨床技能培訓中的應用效果大打折扣[7]。

首先，我院通過融合線上-線下理論課程、虛擬仿真技術及虛擬現(xiàn)實技術等措施，形成視聽觸覺多模態(tài)虛擬仿真教學體系，顯著增加了臨床技能培訓教學的豐度。其中，線上-線下理論課程總學時為106學時，涵蓋了麻醉的基礎知識、臨床麻醉前的準備工作、圍手術期的各項生命征監(jiān)測、急性疼痛服務的管理、無痛分娩的實施以及超聲輔助麻醉技術。線下課程在我院定時定點開展，而線上課程免費開放（線上課程網(wǎng)址：https://mooc1-1.chaoxing.com/course/template60/203007728.html，目前正式選課人數(shù)為645人，師生利用在線平臺討論3 020次，課程訪問量達841 368次），課程設計注重教材建設與學術進展，以臨床為導向，結合臨床案例，通過視頻還原臨床現(xiàn)場場景，結合手機移動終端學習軟件和線下討論課、技能培訓課，實現(xiàn)教學方法多元化、數(shù)字化。專業(yè)教師輪流在線“值班”，及時解答學生問題，圍繞“啟發(fā)式”教學理念，旨在使學生更全面、系統(tǒng)地認識麻醉在臨床醫(yī)學中扮演的角色，并掌握圍手術期醫(yī)學與臨床麻醉理論知識與實踐能力。

其次，我們利用國家虛擬仿真試驗項目共享平臺及福建醫(yī)科大學自建臨床麻醉學虛擬仿真教學課程，通過人機交互平臺逼真地模擬病房、手術室等醫(yī)療場景，以虛促實，讓學員按照系統(tǒng)的操作提示，進行沉浸式技能訓練，熟悉技能場景、操作步驟與注意事項；自建課程內容包括麻醉前評估、全身麻醉與氣管插管、困難氣道處理、椎管內穿刺置管、圍手術期生命征監(jiān)測、圍手術期決策、機械通氣、血流動力學調控、小兒麻醉等虛擬仿真試驗項目。教師可以根據(jù)課程不同級別和難度需求，進行教學資源配備，快速組件實踐團隊，讓學員能在仿真環(huán)境中將理論知識和實踐有機結合起來。

第三，我院將虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）技術和力反饋技術相結合，研發(fā)了視聽觸覺多模態(tài)仿真教學模型，使學員不僅能沉浸式熟悉技能場景和操作步驟，還能獲得操作的實時觸覺反饋。首先，我們利用MIMICS（Materialise's Interactive Medical Image Control System）軟件重建的VR 3D解剖模型，結合力反饋設備Geomagic Touch X，完成了可實現(xiàn)不同力反饋的操作模型，導入UNITY 3D虛擬現(xiàn)實開發(fā)平臺，通過佩戴VR眼鏡（HTC VIVE設備）及操作力反饋手柄進行虛擬世界中的操作訓練。學員根據(jù)視聽觸覺反饋對操作過程進行調整，從而最終加深對解剖的理解，掌握操作技巧，提高成功率。見圖1。

圖1 學員利用視聽觸覺多模態(tài)仿真教學模型進行操作訓練

3 多模態(tài)虛擬仿真教學體系在麻醉臨床技能教學中的應用效果評價

本研究以腰硬聯(lián)合麻醉穿刺為考察項目，采用前瞻、隨機、對照臨床研究，評估傳統(tǒng)教學體系與多模態(tài)虛擬仿真教學體系對臨床技能教學效果的影響。研究通過醫(yī)院倫理委員會審查（倫理號：K2020-12-018），并在中國臨床試驗注冊中心完成了注冊（注冊號：ChiCTR2100043952）。本研究共納入20名從未有過椎管穿刺經(jīng)驗的實習醫(yī)師，隨機抽樣法將這20名實習醫(yī)師分為傳統(tǒng)教學組（C組）和虛擬仿真教學組（S組），每組10名。

所有實習醫(yī)師在分組前均接受一節(jié)理論課程，分組后C組接受傳統(tǒng)的標準化模擬人穿刺操作培訓，S組接受上述多模態(tài)虛擬仿真操作培訓教學（線上課程+虛擬仿真平臺+VR模型培訓）。培訓共計6 d，培訓期間每位醫(yī)師完成30次穿刺訓練。培訓結束后，各實習醫(yī)師在同一名經(jīng)驗豐富且對分組不知情的高年資主治醫(yī)師指導下各對一例符合納入標準的患者進行腰硬聯(lián)合麻醉操作。納入標準：具有腰硬聯(lián)合麻醉適應證、年齡≤65歲、BMI 18～25 kg/m2、ASA分級Ⅰ～Ⅱ級，簽署知情同意書。排除標準：凝血功能障礙、腰椎結構變異或手術史、局部皮膚破潰感染、所用局部麻醉藥物過敏、精神異?；蚪涣髡系K。所有醫(yī)師和患者均取得知情同意。

患者入手術室后，常規(guī)建立上肢靜脈輸液通路，監(jiān)測心率、無創(chuàng)血壓及脈氧飽和度。確定腰3～腰4椎間隙后進行常規(guī)蛛網(wǎng)膜下腔穿刺及硬膜外腔置管。用攝像系統(tǒng)記錄整個穿刺過程，記錄學員主動與被動調整穿刺角度的次數(shù)、從穿刺開始到硬膜外針刺破黃韌帶所需時間等，并由一名不了解分組情況的主治醫(yī)師采用改良椎管內穿刺技能考核評分標準對視頻的操作進行評分。見表1。

表1 改良椎管內穿刺技能考核評分

結果表明，與C組學員相比，S組學員的改良椎管內穿刺技能評分更高[（91.20±2.78）分vs.（86.70±2.87）分，P＜0.05）]。具體評分項目比較，S組學員能更好地擺放體位[（6.40±1.07）分vs.（5.00±0.67）分，P＜0.05）]，更熟練運用氣泡壓縮試驗[（7.60±0.70）分vs.（6.00±0.67）分，P＜0.05）]，突破黃韌帶項目得分更高[（7.80±0.79）分vs.（5.90±0.74）分，P＜0.05）。穿刺情況比較，S組學員主動調整穿刺方向的次數(shù)顯著高于C組（2.0[1.2]vs.1.0[1.0]，P＜0.05），被動調整穿刺方向次數(shù)顯著減少（1.0[1.0]vs.2.5[1.0]，P＜0.05），穿刺開始至突破黃韌帶的時間顯著縮短[（5.91±1.24）minvs.（8.66±1.19）min]，P＜0.05）。

3 討論

麻醉學是一門臨床實踐性很強的學科，傳統(tǒng)臨床帶教存在醫(yī)療風險高、學習效率低、帶教師資少等問題[8]。虛擬仿真教學可彌補現(xiàn)有教學模式的部分不足之處，提高臨床操作流程的培訓效率。本研究針對臨床技能培訓的特點，將虛擬仿真教學和力反饋技術有機結合，形成視聽觸覺多模態(tài)虛擬仿真教學體系，讓學員在多模態(tài)反饋下更快掌握操作技巧，提高培訓效率。

3.1 虛擬仿真培訓體系顯著提高臨床安全性 麻醉學綜合操作技能多為高風險操作，操作不當可能導致非常嚴重的麻醉意外和并發(fā)癥，虛擬仿真技術提供無風險環(huán)境，讓學員在沒有真實風險的情況下進行實踐操作，提高其技能和經(jīng)驗[9]。在模擬復雜情景時，學員可以嘗試不同的處理方式，并觀察結果和各種反應，從而提高自身操作經(jīng)驗。以本研究椎管內穿刺與置管教學為例，毫無經(jīng)驗的醫(yī)學生容易穿刺失敗或引起腦脊液漏等并發(fā)癥，讓無經(jīng)驗的實習生操作無疑使患者處于危險境地；醫(yī)學教育與臨床安全之間存在較大矛盾。虛擬仿真教學體系逼真地模擬手術室和麻醉情境，根據(jù)臨床操作步驟設置了相應的動作環(huán)節(jié)，使學員進行沉浸式操作步驟培訓；并通過力反饋系統(tǒng)，模擬針尖穿刺皮下、棘上韌帶、棘間韌帶、黃韌帶和硬膜時，以及穿刺針觸及骨質表面時的阻力變化。學員通過感受不同過程的阻力變化，獲得與真實臨床椎管內穿刺操作相似的體驗，避免了臨床風險。

3.2 虛擬仿真培訓體系提升臨床技能培訓效率 目前多數(shù)虛擬仿真平臺只能提供視覺和聽覺的模擬情境，無法提供觸覺反饋，對于流程的熟悉具有一定效果[10]。但對于技能操作培訓而言，觸覺反饋是必不可少的內容。本研究融合視聽觸覺反饋，形成多模態(tài)教學體系，學員可獲得近乎真實的感覺體驗；操作失誤時，也可獲得相應的感覺反饋。穿刺結束后，學員可點擊各層次按鈕學習解剖位置和形態(tài)，有助于學習復盤和操作失誤原因判斷，加深解剖印象。本研究通過臨床試驗的方式，評估傳統(tǒng)臨床模擬教學和多模態(tài)虛擬仿真教學對學習效果的影響。S組在體位擺放、氣泡壓縮和黃韌帶穿刺方面的得分顯著高于C組，說明虛擬仿真體系可促進學員的流程學習，避免了關鍵步驟的遺漏。此外，穿刺情況而言，S組學員穿刺方向主動調整次數(shù)顯著高于C組，而從穿刺開始至黃韌帶突破的時間顯著縮短，說明S組學員已學會在實踐中根據(jù)阻力變化或其他真實反饋進行主動調整，提高了學習效率。觸覺反饋是麻醉臨床技能培訓的關鍵因素，視聽觸覺多模態(tài)教學體系能提供更真實有效的培訓反饋，促進學員對學習過程的思考與驗證。

3.3 虛擬仿真培訓體系助力標準化病例庫建設 豐富的臨床案例是臨床技能培訓質量的關鍵因素之一。招募并培訓標準化患者需要大量的經(jīng)費和精力支持[11]。而虛擬仿真教學體系可以模擬常規(guī)手術室場景，也可以復現(xiàn)真實特殊案例和醫(yī)療情境，可節(jié)約醫(yī)療教育成本。培訓講師利用虛擬仿真教學平臺，有規(guī)劃有層次地給不同階段學員提供豐富的培訓機會，教學方法更為科學。同時，標準化案例庫的建設，可為教學效果評估提供考核素材和同質化評判標準；特殊案例的建設更是有助于教學效果的多站式考核。此外，虛擬仿真教學體系不受時間和師資數(shù)量的限制，學員可以根據(jù)自己需要進行登錄使用，反復訓練，從而提高培訓效果。

綜上所述，虛擬仿真技術已經(jīng)廣泛應用到醫(yī)學教育中，本研究在該基礎上融合了力反饋技術，形成視聽觸覺多模態(tài)虛擬仿真體系，顯著提高了麻醉臨床技能培訓的效率和效果。今后，我們將繼續(xù)探索多模態(tài)虛擬仿真體系基礎上的翻轉課堂及PBL教學改革，以培養(yǎng)醫(yī)學生的綜合實踐能力和創(chuàng)新能力。