醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)專業(yè)虛擬臨床教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建

張繼瑜，亓 濤，王 前，鄭 磊，周 芳，胡小佳

（南方醫(yī)科大學(xué) 南方醫(yī)院，廣東 廣州 510515）

當(dāng)前，各類自動(dòng)化檢驗(yàn)儀器廣泛應(yīng)用于臨床檢驗(yàn)工作，傳統(tǒng)手工檢驗(yàn)項(xiàng)目由于操作繁瑣和耗費(fèi)時(shí)間長等原因，正逐步被自動(dòng)化、高效率的檢驗(yàn)儀器設(shè)備所取代。但是，高校醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)專業(yè)教學(xué)并沒有隨之同步發(fā)展，沿用多年的傳統(tǒng)手工檢驗(yàn)項(xiàng)目仍然在檢驗(yàn)專業(yè)教學(xué)內(nèi)容中占據(jù)主要地位，這既不符合醫(yī)學(xué)發(fā)展的需要，也與臨床檢驗(yàn)的實(shí)際工作脫節(jié)［1］。隨著自動(dòng)化檢驗(yàn)儀器設(shè)備的大范圍推廣應(yīng)用，如何開展檢驗(yàn)儀器教學(xué)的問題不斷凸顯并逐步成為醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)專業(yè)教學(xué)的瓶頸問題［2］。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和虛擬實(shí)驗(yàn)室成為解決檢驗(yàn)儀器教學(xué)問題的有效手段和方法，也是眾多高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革、強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的重要發(fā)展方向之一。虛擬實(shí)驗(yàn)室是指在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的各種虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，實(shí)驗(yàn)者可以像在真實(shí)環(huán)境中一樣完成各種預(yù)定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目［3］。南方醫(yī)科大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院（南方醫(yī)院）醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)系依托國家臨床重點(diǎn)專科、國家級特色專業(yè)和優(yōu)勢學(xué)科的地位，初步建成醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)虛擬臨床實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。

1 醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)虛擬臨床教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)現(xiàn)

1.1 數(shù)字模型構(gòu)建

三維數(shù)字模型的構(gòu)建是實(shí)現(xiàn)虛擬交互的基礎(chǔ)，本文采用3ds Max作為建模工具［4］，對檢驗(yàn)科實(shí)驗(yàn)室全景和各種檢驗(yàn)儀器設(shè)備進(jìn)行全方位、多角度的拍攝采樣，然后在3ds Max中按比例構(gòu)建數(shù)字模型，包括場景設(shè)置、建筑材質(zhì)設(shè)計(jì)、場景動(dòng)畫設(shè)置、運(yùn)動(dòng)路徑設(shè)置等。實(shí)驗(yàn)室中各種檢驗(yàn)儀器均可進(jìn)行選擇、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、縮放、鏡像、對齊、陣列等基本操作，最終實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字化虛擬檢驗(yàn)儀器和模擬真實(shí)操作過程的交互式虛擬環(huán)境。圖1是虛擬血細(xì)胞分析儀流水線的拆分截屏圖。

圖1 虛擬血細(xì)胞分析儀流水線拆分的截屏圖

1.2 交互程序開發(fā)

Unity 3D是一款全面整合的專業(yè)游戲引擎，具有跨平臺發(fā)布、高效能優(yōu)化、高性價(jià)比等特點(diǎn)，包含圖形、音頻、物理、網(wǎng)絡(luò)等多方面的引擎支持［5］，其內(nèi)置的NVIDIA、PhysX物理引擎能夠帶來逼真的互動(dòng)感覺，并支持所有主流文件格式，可與大多數(shù)相關(guān)應(yīng)用程序協(xié)同工作。Unity 3D可通過用戶交互按鈕控制燈光、聲音、基礎(chǔ)動(dòng)作、自定義動(dòng)作和攝像機(jī)等動(dòng)態(tài)加載任意三維模型資源。在Unity 3D中制作用戶交互動(dòng)作非常方便，只要在該動(dòng)作對應(yīng)的欄目輸入動(dòng)作名稱并設(shè)置相應(yīng)的動(dòng)作示意圖即可。學(xué)生可以通過模型的界面控制基礎(chǔ)動(dòng)作，獲取全方的瀏覽觀賞，并可通過交互性高級動(dòng)作更深入地學(xué)習(xí)掌握相關(guān)知識。

2 醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)虛擬臨床教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)內(nèi)容

在采集檢驗(yàn)科實(shí)驗(yàn)室全景和各種檢驗(yàn)儀器設(shè)備的文字、照片、操作視頻等原始真實(shí)素材的基礎(chǔ)上，建成醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)虛擬臨床教學(xué)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)全面而開放的底層數(shù)據(jù)庫，包括用戶信息數(shù)據(jù)庫、文字?jǐn)?shù)據(jù)庫、圖片數(shù)據(jù)庫、視頻數(shù)據(jù)庫和操作信息采集數(shù)據(jù)庫。虛擬臨床教學(xué)實(shí)驗(yàn)室分為漫游版、學(xué)習(xí)版和考核版，并通過 Web服務(wù)協(xié)議實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁、光盤、IOS、安卓等運(yùn)行方式。

漫游版主要包括實(shí)驗(yàn)室布局、規(guī)章制度、操作注意事項(xiàng)以及儀器的結(jié)構(gòu)和功能介紹等，通過它，可以初步了解實(shí)驗(yàn)室的基本情況。學(xué)習(xí)版是虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)在醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)臨床教學(xué)中的具體應(yīng)用，通過它，可以全面學(xué)習(xí)各種檢驗(yàn)儀器設(shè)備的相關(guān)知識，包括儀器概述、儀器結(jié)構(gòu)與檢測原理、開機(jī)、關(guān)機(jī)、質(zhì)量控制、校準(zhǔn)定標(biāo)、樣本檢測、更換試劑、維護(hù)保養(yǎng)、報(bào)警處理和病例分析等?？己税嫱ㄟ^幻燈、動(dòng)畫、模型渲染等方式對學(xué)生的虛擬實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行考核。醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)虛擬臨床教學(xué)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)虛擬臨床教學(xué)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)架構(gòu)圖

醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)虛擬臨床教學(xué)實(shí)驗(yàn)室包括臨床基礎(chǔ)檢驗(yàn)和血液學(xué)檢驗(yàn)、臨床生物化學(xué)檢驗(yàn)、臨床免疫學(xué)檢驗(yàn)、臨床微生物學(xué)檢驗(yàn)、臨床分子生物學(xué)檢驗(yàn)等各亞專業(yè)常用的十幾臺自動(dòng)化虛擬檢驗(yàn)儀器，如全自動(dòng)血細(xì)胞分析儀流水線、全自動(dòng)凝血儀、尿液分析儀、精液質(zhì)量分析儀、生化分析儀、血?dú)夥治鰞x、電化學(xué)發(fā)光儀、全自動(dòng)酶免疫、血培養(yǎng)鑒定系統(tǒng)、流式細(xì)胞儀、PCR儀等。虛擬儀器和相應(yīng)的真實(shí)儀器有一樣的操作面板和操作程序，學(xué)生可以方便地實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，從各個(gè)角度觀察儀器構(gòu)造并進(jìn)行全面的操作和學(xué)習(xí)。

3 虛擬臨床教學(xué)實(shí)驗(yàn)室在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢

虛擬實(shí)驗(yàn)室可提供一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)、技術(shù)交流、共同研究、協(xié)同工作的平臺，是一種基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的全新科學(xué)研究與工程設(shè)計(jì)方法［6］。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可充分調(diào)動(dòng)參與者的感覺和思維器官，使他們可從各個(gè)角度、細(xì)節(jié)進(jìn)行觀察、學(xué)習(xí)和掌握。醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)專業(yè)虛擬臨床教學(xué)實(shí)驗(yàn)室在學(xué)習(xí)效率、經(jīng)費(fèi)投入、生物安全等方面較真實(shí)實(shí)驗(yàn)室更具優(yōu)勢，有助于培養(yǎng)和提升檢驗(yàn)專業(yè)學(xué)生實(shí)踐能力，特別是檢驗(yàn)儀器操作實(shí)踐能力。

3.1 提高學(xué)習(xí)效率

近年來隨著高校招生規(guī)模的不斷擴(kuò)大，高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源和實(shí)習(xí)資源的需求量急劇增加，原有的教學(xué)條件難以滿足教學(xué)要求、實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)［7］。由于教學(xué)條件、教學(xué)經(jīng)費(fèi)的限制和不足，學(xué)校單純用于醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的儀器設(shè)備非常少。另外，由于實(shí)驗(yàn)室有嚴(yán)格的管理規(guī)章制度，也使學(xué)生不可能隨時(shí)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和學(xué)習(xí)。實(shí)習(xí)單位的檢驗(yàn)科雖擁有較齊全的儀器設(shè)備，學(xué)生在臨床實(shí)習(xí)階段也有機(jī)會(huì)操作這些儀器設(shè)備，但由于這些儀器設(shè)備造價(jià)昂貴、維護(hù)成本高、操作復(fù)雜、數(shù)量有限，學(xué)生實(shí)際動(dòng)手操作不但受到限制，而且不可能人手一機(jī)，致使學(xué)生的學(xué)習(xí)效率不高。

虛擬臨床教學(xué)實(shí)驗(yàn)室突破了真實(shí)實(shí)驗(yàn)室在空間和時(shí)間上的限制［8］，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)不再囿于有限的實(shí)驗(yàn)室空間。學(xué)生可以在家里或宿舍里隨時(shí)進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)，動(dòng)手操作的空間和時(shí)間得到極大的擴(kuò)展，而且多位學(xué)生可以同時(shí)學(xué)習(xí)和交流互動(dòng)，不再受真實(shí)檢驗(yàn)儀器的數(shù)量限制，能極大地提高學(xué)習(xí)效率。

3.2 節(jié)省資金投入

近年來，高等醫(yī)學(xué)院校投入大量資金購置了自動(dòng)化檢驗(yàn)儀器設(shè)備。雖然這些儀器設(shè)備對學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力的培養(yǎng)發(fā)揮了一定作用，但也存在一些問題需要認(rèn)真解決。一方面，當(dāng)前自動(dòng)化檢驗(yàn)儀器設(shè)備層出不窮、種類繁多，院校投入的資金只能購買部分儀器設(shè)備，有些甚至是低端產(chǎn)品，無法覆蓋全部，同時(shí)也存在學(xué)習(xí)效率不高的問題；另一方面，在實(shí)際教學(xué)過程中存在著實(shí)驗(yàn)成本高、浪費(fèi)實(shí)驗(yàn)試劑、耗材等的問題。

另一個(gè)問題是，依照教學(xué)計(jì)劃，一門專業(yè)課程一般只開設(shè)在春季或秋季學(xué)期；相應(yīng)地，該門課程涉及的檢驗(yàn)儀器在相應(yīng)年級學(xué)生中使用半年，而另半年閑置。即使在儀器停用的半年，也必須按照相關(guān)規(guī)定定期進(jìn)行保養(yǎng)，由此造成實(shí)驗(yàn)的成本比較高。

另外，由于教學(xué)中測試標(biāo)本的數(shù)量明顯少于臨床測試標(biāo)本數(shù)量，多數(shù)配套試劑在一個(gè)學(xué)期內(nèi)不能使用完畢，而等到下一次使用時(shí)又會(huì)超過試劑的有效期限，再加上試劑和耗材（包括質(zhì)控品、校準(zhǔn)品等）十分昂貴，某些實(shí)驗(yàn)所用試劑一個(gè)包裝動(dòng)輒上千元，由此造成很大的浪費(fèi)現(xiàn)象。

虛擬臨床教學(xué)實(shí)驗(yàn)室可完全避免以上問題，不需購置真實(shí)檢驗(yàn)儀器設(shè)備，也不存在實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)和試劑等消耗問題，而且可以反復(fù)多次使用，節(jié)省大量資金，在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)經(jīng)費(fèi)緊張的情況下，虛擬實(shí)驗(yàn)室顯示出巨大的資金優(yōu)勢。

3.3 避免生物危害

檢驗(yàn)科承擔(dān)著醫(yī)院各種病患的血液、體液以及排泄物等標(biāo)本的檢驗(yàn)工作，是病原微生物集中的高危區(qū)域，檢驗(yàn)科常成為醫(yī)院交叉感染的源頭科室［9］。包括實(shí)習(xí)生在內(nèi)的檢驗(yàn)人員密切接觸具有高度傳染性的各類標(biāo)本，存在很大的生物安全隱患。實(shí)驗(yàn)室花費(fèi)大量人力、財(cái)力和物力進(jìn)行檢驗(yàn)標(biāo)本管理、廢棄物處理、人員安全操作管理及重大生物事故的應(yīng)急管理等，但仍不可能完全避免生物危害。檢驗(yàn)專業(yè)學(xué)生在專業(yè)實(shí)驗(yàn)課的學(xué)習(xí)過程中，一定要接觸到一些陽性標(biāo)本（如肝炎病毒、結(jié)核桿菌、艾滋病病毒等），才能完成學(xué)習(xí)任務(wù)，達(dá)到教學(xué)目的?？傊?，不論是在校學(xué)習(xí)階段，還是在臨床檢驗(yàn)科實(shí)習(xí)階段，學(xué)生都要面對生物安全隱患。

虛擬臨床教學(xué)實(shí)驗(yàn)室等同于真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，卻不用接觸真實(shí)的檢測標(biāo)本，更不會(huì)產(chǎn)生醫(yī)療廢物，完全不存在生物危害的問題，而且利用虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)，也不會(huì)發(fā)生在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中由于操作不熟練可能造成的儀器故障或事故，使生物安全和實(shí)驗(yàn)室安全得到有效保障。

4 結(jié)束語

南方醫(yī)科大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院的醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)虛擬臨床實(shí)驗(yàn)室教學(xué)系統(tǒng)已在部分高等院校醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)系推廣應(yīng)用，并得到兄弟院系的支持和肯定。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)利用計(jì)算機(jī)模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，以其特有的多感知性、沉浸性和交互性對傳統(tǒng)教學(xué)產(chǎn)生巨大影響。在醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)學(xué)科領(lǐng)域，虛擬臨床教學(xué)實(shí)驗(yàn)室不僅有效解決了實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)儀器設(shè)備缺乏、試劑耗材浪費(fèi)、存在生物安全隱患、學(xué)習(xí)效率不高等問題，也帶動(dòng)了教育技術(shù)和教學(xué)手段的革新，豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的形式、內(nèi)容和方法，開辟了實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的有效途徑。21世紀(jì)人類全面進(jìn)入信息化社會(huì)，計(jì)算機(jī)、信息技術(shù)在高等教育教學(xué)改革中發(fā)揮愈加顯著的重要作用，而虛擬實(shí)驗(yàn)室將以其顯著優(yōu)勢成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重要發(fā)展方向之一。

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