淺談醫(yī)學(xué)虛擬機(jī)能實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)機(jī)能實(shí)驗(yàn)的利弊

周峰

摘 要：本文介紹了虛擬機(jī)能實(shí)驗(yàn)的概念，分析了虛擬機(jī)能實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)機(jī)能實(shí)驗(yàn)的利弊。在此基礎(chǔ)上，闡述了虛擬機(jī)能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的功能和實(shí)際應(yīng)用情況。結(jié)果表明用虛擬機(jī)能實(shí)驗(yàn)進(jìn)行合理的替代傳統(tǒng)機(jī)能實(shí)驗(yàn)可以有效地提高實(shí)驗(yàn)的效果，是對(duì)傳統(tǒng)機(jī)能實(shí)驗(yàn)的有益補(bǔ)充。然而因虛擬系統(tǒng)無法完全模擬生物復(fù)雜的生命活動(dòng)，所以對(duì)于研究性實(shí)驗(yàn)來說虛擬機(jī)能實(shí)驗(yàn)是無法替代傳統(tǒng)機(jī)能實(shí)驗(yàn)的。

關(guān)鍵詞：虛擬機(jī)能實(shí)驗(yàn)；傳統(tǒng)機(jī)能實(shí)驗(yàn)；利與弊

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）20-0191-02

在醫(yī)學(xué)、藥學(xué)和生物學(xué)研究中，傳統(tǒng)機(jī)能實(shí)驗(yàn)是不可缺少的一部分。每一種新藥的研究都需要大量的動(dòng)物來進(jìn)行毒理、藥理、副作用等各方面的研究；每一個(gè)生理系統(tǒng)調(diào)節(jié)機(jī)制的研究也需要大量的動(dòng)物。所以傳統(tǒng)機(jī)能實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的需求量很大。所以在人道主義原則下，傳統(tǒng)機(jī)能實(shí)驗(yàn)是有爭議的。再加上實(shí)驗(yàn)成本、實(shí)驗(yàn)動(dòng)物尸體的處理等等問題使得虛擬機(jī)能實(shí)驗(yàn)得到了廣泛應(yīng)用。

1 虛擬機(jī)能實(shí)驗(yàn)概述

《醫(yī)學(xué)機(jī)能學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)室》以計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)和數(shù)碼仿真技術(shù)為核心，生物仿真引擎、處理因素?cái)?shù)據(jù)庫、虛擬環(huán)境界面等多種技術(shù)為支撐的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由儀器介紹、手術(shù)操作、仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)自測(cè)和藥物考核等5大模塊組成。在計(jì)算機(jī)環(huán)境中建立的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境使實(shí)驗(yàn)者可以像在真實(shí)的環(huán)境中一樣運(yùn)用各種虛擬實(shí)驗(yàn)器械和設(shè)備， 對(duì)“實(shí)驗(yàn)動(dòng)物或標(biāo)本”進(jìn)行虛擬操作，完成各種預(yù)定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，起到學(xué)習(xí)訓(xùn)練的作用。該系統(tǒng)由于不受試驗(yàn)動(dòng)物、試劑的制約，特別適用于開放實(shí)驗(yàn)室。學(xué)生在預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)或拓展訓(xùn)練時(shí)采用虛擬實(shí)驗(yàn)比實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)有更大的優(yōu)越性。虛擬實(shí)驗(yàn)室在教學(xué)方法和手段上開辟了一個(gè)新的領(lǐng)域[1]?！夺t(yī)學(xué)機(jī)能學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)室》的主要技術(shù)參數(shù)包括。

1.1 動(dòng)物與器械

系統(tǒng)按照目錄結(jié)構(gòu)查看實(shí)驗(yàn)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物及實(shí)驗(yàn)器械，介紹實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的生理特性、生理常數(shù)、介紹實(shí)驗(yàn)器械的用途與使用說明。

1.2 仿真實(shí)驗(yàn)

虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中可查看實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)對(duì)象、實(shí)驗(yàn)試劑、實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)介紹、實(shí)驗(yàn)步驟、仿真實(shí)戰(zhàn)及仿真實(shí)驗(yàn)。模擬各種藥物對(duì)動(dòng)物呼吸、血壓、泌尿、張力等影響。

（1）生理實(shí)驗(yàn)。骨骼肌實(shí)驗(yàn)、期前收縮和代償間歇、蛙心灌流、血壓調(diào)節(jié)、呼吸調(diào)節(jié)、平滑肌特性、泌尿?qū)嶒?yàn)、神經(jīng)干AP、膈神經(jīng)放電、皮層誘發(fā)電位、微音器電位。

（2）藥理實(shí)驗(yàn)?？垢哐獕核幬飳?shí)驗(yàn)、動(dòng)脈血壓綜合實(shí)驗(yàn)、苯海拉明藥效實(shí)驗(yàn)、藥物急性毒性實(shí)驗(yàn)、磺胺半衰期測(cè)定、PH對(duì)藥物排泄的影響、安定的抗驚厥作用、度冷丁鎮(zhèn)痛作用、藥物的協(xié)同作用、藥物對(duì)高血壓大鼠血壓的影響、擬腎上腺素藥與抗腎上腺素藥的作用、擬腎上腺素藥與抗腎上腺素藥對(duì)麻醉大鼠的影響、傳出神經(jīng)系統(tǒng)藥物對(duì)狗血壓的影響、有機(jī)磷酸酯類的中毒與解救等等。

（3）病生實(shí)驗(yàn)。水腫、乏氧性缺氧、失血性休克、急性右心衰竭、急性呼吸功能不全、白鼠CO中毒實(shí)驗(yàn)、白鼠亞硝酸鈉中毒實(shí)驗(yàn)。

（4）其他實(shí)驗(yàn)。人體動(dòng)脈血壓測(cè)定、人體心音聽診、蛋白質(zhì)薄膜電泳、瓊脂糖漿凝膠電泳檢測(cè)重組質(zhì)粒、小鼠肝臟RNA提取等等。

（5）仿真實(shí)驗(yàn)部分要求留有接口，用戶自定義特色仿真實(shí)驗(yàn)，其中包含對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象、實(shí)驗(yàn)試劑、實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)介紹、實(shí)驗(yàn)波形曲線均以獨(dú)立添加、更新、刪除，對(duì)藥物及其藥效進(jìn)行自定義的維護(hù)。并支持診斷學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室形態(tài)學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室。

（6）仿真系統(tǒng)對(duì)波形可以進(jìn)行標(biāo)尺度量、進(jìn)行橫向縱向的壓伸處理和速度等控制，模擬顯示藥物在體內(nèi)的濃度變化，可以對(duì)藥物進(jìn)行換洗。

2 傳統(tǒng)機(jī)能實(shí)驗(yàn)中存在的弊

在實(shí)驗(yàn)室中，傳統(tǒng)機(jī)能實(shí)驗(yàn)對(duì)動(dòng)物進(jìn)行科學(xué)研究，以獲得有關(guān)生物學(xué)和醫(yī)學(xué)的新知識(shí)或解決具體問題。實(shí)驗(yàn)動(dòng)物是傳統(tǒng)機(jī)能實(shí)驗(yàn)不可缺少的材料，而在各種傳統(tǒng)機(jī)能實(shí)驗(yàn)中通常存在以下問題：首先是成本問題。以一只家兔為例，現(xiàn)在我們?cè)谑袌?chǎng)上買一只實(shí)驗(yàn)家兔，價(jià)格大概是人民幣80元。而有的體型大或者質(zhì)量要求更嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，其成本甚至可以更高。為了在實(shí)驗(yàn)過程中獲得準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們通常采用數(shù)據(jù)對(duì)比的方法，這增加了在實(shí)驗(yàn)中使用動(dòng)物的數(shù)量。此外，動(dòng)物在采購回來后，喂養(yǎng)管理造成的物料、人工成本的支出也不可忽視。2018年上半年我院生理藥理實(shí)驗(yàn)室在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物這一塊的支出約8萬元，這僅僅只是半年的消耗，還不包括動(dòng)物管理、飼養(yǎng)、運(yùn)輸、以及動(dòng)物尸體和其他廢物的處理。其次是管理問題。為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物一定要確保其質(zhì)量，才能滿足實(shí)驗(yàn)的要求，這就對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的喂養(yǎng)管理提出了較高的要求。我們國家對(duì)于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的管理有著嚴(yán)格的條例規(guī)定，從飼養(yǎng)管理到檢疫和傳染病控制，必須符合條例規(guī)定才能用于實(shí)驗(yàn)。再次是傳統(tǒng)機(jī)能實(shí)驗(yàn)的倫理問題。傳統(tǒng)機(jī)能實(shí)驗(yàn)對(duì)生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展起到了重要的促進(jìn)作用，但隨著動(dòng)物保護(hù)主義的興起，傳統(tǒng)機(jī)能實(shí)驗(yàn)受到了來自生態(tài)倫理學(xué)中動(dòng)物權(quán)利論的挑戰(zhàn)與壓力。最后是實(shí)驗(yàn)廢棄物的危害。在實(shí)驗(yàn)完成后，對(duì)于實(shí)驗(yàn)廢棄物和實(shí)驗(yàn)動(dòng)物尸體的處理也是一大問題，一旦出現(xiàn)處理不當(dāng)，極可能出現(xiàn)不可預(yù)測(cè)的危害。

3 虛擬機(jī)能實(shí)驗(yàn)中展現(xiàn)的利

3.1 有效降低實(shí)驗(yàn)成本問題

實(shí)驗(yàn)動(dòng)物是傳統(tǒng)機(jī)能實(shí)驗(yàn)耗材成本的重要組成部分，由于動(dòng)物保護(hù)、動(dòng)物資源等各個(gè)方向的影響，該部分的成本在不斷增加。虛擬機(jī)能實(shí)驗(yàn)可以有效地降低傳統(tǒng)機(jī)能實(shí)驗(yàn)的成本支出。采用虛擬機(jī)能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，雖投入不菲，但這是一次性的成本被投入，實(shí)際成本低于傳統(tǒng)機(jī)能實(shí)驗(yàn)長期的成本。例如一個(gè)容納30人實(shí)驗(yàn)的醫(yī)學(xué)機(jī)能學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)室的造價(jià)在30萬左右，而我院2018年上半年在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物這一點(diǎn)上就花費(fèi)了8萬元，也就是說只需要不到兩年，我院用于實(shí)驗(yàn)的動(dòng)物總價(jià)就超過了一個(gè)醫(yī)學(xué)機(jī)能學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)室的造價(jià)。在此之上，省去了各個(gè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)器械、實(shí)驗(yàn)藥劑、實(shí)驗(yàn)耗材的準(zhǔn)備工作。通過虛擬機(jī)能實(shí)驗(yàn)，降低了實(shí)驗(yàn)成本，減少了動(dòng)物的繁育，減少了實(shí)驗(yàn)的耗損和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的損壞。

3.2 解決傳統(tǒng)機(jī)能實(shí)驗(yàn)倫理問題

自19世紀(jì)中期產(chǎn)生的以動(dòng)物實(shí)驗(yàn)為主要內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)醫(yī)學(xué)問世之后，生物醫(yī)學(xué)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)為人類的醫(yī)療、科技發(fā)展乃至生活提供了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和利益的同時(shí)，動(dòng)物保護(hù)主義也開始出現(xiàn)，并迅速發(fā)展起來。在這種情況下，我們不得不思考開展動(dòng)物實(shí)驗(yàn)是否符合道德倫理規(guī)范，是否應(yīng)該進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)[2]。為了解決這一問題實(shí)驗(yàn)動(dòng)物管理辦法提出了“減少、替代、優(yōu)化”三個(gè)原則，這些原則解釋了虛擬機(jī)能實(shí)驗(yàn)是解決傳統(tǒng)機(jī)能實(shí)驗(yàn)倫理問題的有效途徑。虛擬機(jī)能實(shí)驗(yàn)雖不能完全代替動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，但可以有效地減少實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的數(shù)量，是傳統(tǒng)機(jī)能實(shí)驗(yàn)的有效補(bǔ)充。

3.3 創(chuàng)造一個(gè)理想的實(shí)驗(yàn)環(huán)境

虛擬機(jī)能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以創(chuàng)造一個(gè)理想的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。眾所周知，實(shí)驗(yàn)環(huán)境對(duì)實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性有著重要的影響，但在實(shí)際環(huán)境中創(chuàng)造一個(gè)理想的實(shí)驗(yàn)環(huán)境需要付出高昂的代價(jià)。這些可以毫不費(fèi)力地在虛擬機(jī)能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。

4 虛擬機(jī)能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用的合理性

4.1 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)前期培訓(xùn)應(yīng)用

對(duì)于醫(yī)學(xué)生來說，醫(yī)學(xué)機(jī)能實(shí)驗(yàn)是其進(jìn)入醫(yī)學(xué)院首次接觸到的活體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)課程，對(duì)于部分學(xué)生來說，心理障礙和認(rèn)知障礙是巨大的挑戰(zhàn)。因此多數(shù)醫(yī)學(xué)院在開展課程之前都會(huì)給予學(xué)生一段時(shí)間的緩沖期進(jìn)行培訓(xùn)，從而使其在面對(duì)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)時(shí)盡可能多地降低心理障礙。虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在課前培訓(xùn)當(dāng)中具有十分巨大的優(yōu)勢(shì)。在課程開始之前，教師組織學(xué)生前往虛擬實(shí)驗(yàn)室中，由教師結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)將實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的相關(guān)資料、動(dòng)物房、準(zhǔn)備室等內(nèi)容向?qū)W生一一進(jìn)行介紹，同時(shí)在介紹當(dāng)中可以適當(dāng)?shù)貙?duì)動(dòng)物學(xué)相關(guān)知識(shí)、生物信號(hào)的系統(tǒng)采集方法和手術(shù)器械的正確使用等進(jìn)行講解，使學(xué)生在第一次接觸實(shí)驗(yàn)操作時(shí)更加清楚地了解到實(shí)驗(yàn)操作的各個(gè)層面，從而更加擁有自信和技術(shù)。

4.2 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課輔助應(yīng)用

雖然虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)的方式有著長足的進(jìn)步，但是在實(shí)驗(yàn)過程中，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)依然需要作為動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的輔助方式來進(jìn)行。這是因?yàn)獒t(yī)學(xué)生在進(jìn)行機(jī)能學(xué)習(xí)時(shí)需要遵循正常生理-疾病生理-藥物作用這三個(gè)重要步驟，而動(dòng)物實(shí)驗(yàn)當(dāng)中所擁有的基本技能的訓(xùn)練和系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)是最為直接也最為全面的方式。因此在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要作為動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的輔助作用出現(xiàn)。在實(shí)踐當(dāng)中，教師可以利用ZH-XN系統(tǒng)中自帶的影像系統(tǒng)對(duì)以往實(shí)驗(yàn)中的具體操作方法進(jìn)行展示，從而省去了教師講解的時(shí)間。此外在實(shí)際操作時(shí)，學(xué)生可以在虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中展開仿真實(shí)驗(yàn)，通過仿真實(shí)驗(yàn)當(dāng)中各種情況的處理，學(xué)生能夠充分掌握操作過程中各種注意事項(xiàng)，之后再參與到動(dòng)物實(shí)驗(yàn)當(dāng)中來。這樣一來可以使學(xué)生在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的過程當(dāng)中更加得心應(yīng)手，例如實(shí)驗(yàn)當(dāng)中的重要難點(diǎn)減壓神經(jīng)放電的操作中，學(xué)生通過了虛擬操作之后，對(duì)交感神經(jīng)、迷走神經(jīng)的辨別已經(jīng)有了一定的水平，在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的操作中才能更加準(zhǔn)確地尋找到神經(jīng)位置，并進(jìn)行刺激器的程控和手動(dòng)操作。

4.3 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的復(fù)習(xí)應(yīng)用

在實(shí)驗(yàn)結(jié)束之后，學(xué)生需要對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行復(fù)習(xí)，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)的鞏固和加強(qiáng)。在復(fù)習(xí)當(dāng)中，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的反復(fù)演練可以幫助學(xué)生對(duì)某些掌握得并不充分的操作手法和手術(shù)手法加以反復(fù)練習(xí)，從而達(dá)到完全掌握的目的。例如頸總動(dòng)脈插管的方法，對(duì)于學(xué)生來講是一大難點(diǎn)，多數(shù)學(xué)生反映在實(shí)際操作中無法準(zhǔn)確地掌握手術(shù)手法。其根本原因在于實(shí)踐操作的缺失，導(dǎo)致手術(shù)手法的不熟練[3]。在以往的實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)的實(shí)際操作部分只能停留在課堂當(dāng)中，在課后復(fù)習(xí)的過程中只有通過教材文字和自我印象進(jìn)行了解和回憶，這種方式對(duì)于學(xué)生的成長很難起到作用。而虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的引入可以充分使學(xué)生擁有更多的操作機(jī)會(huì)，通過不斷地手術(shù)實(shí)踐，提升其技術(shù)能力。

5 結(jié)語

在虛擬機(jī)能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的現(xiàn)行實(shí)踐中，并不是所有的傳統(tǒng)機(jī)能實(shí)驗(yàn)都可以被虛擬機(jī)能實(shí)驗(yàn)取代。在科研領(lǐng)域，虛擬機(jī)能實(shí)驗(yàn)只能是對(duì)傳統(tǒng)機(jī)能實(shí)驗(yàn)的有益補(bǔ)充，減少被動(dòng)實(shí)驗(yàn)的數(shù)量，提高一些實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)或項(xiàng)目的效率和安全性。歸根結(jié)底，虛擬機(jī)能實(shí)驗(yàn)只是一種手段。我們用傳統(tǒng)機(jī)能實(shí)驗(yàn)代替人類實(shí)驗(yàn)。我們可以通過傳統(tǒng)機(jī)能實(shí)驗(yàn)推斷未知的人類反應(yīng)變量。用虛擬機(jī)能實(shí)驗(yàn)代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)能實(shí)驗(yàn)，它只能適用于局部或某些特定方面，不能完全取代傳統(tǒng)機(jī)能實(shí)驗(yàn)。至少，目前的技術(shù)水平還沒有達(dá)到這個(gè)水平。一般來說，實(shí)驗(yàn)的類型可以分為驗(yàn)證、設(shè)計(jì)、操作和查詢。不同的實(shí)驗(yàn)類型在實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟和具體要求上有很大差異。虛擬機(jī)能實(shí)驗(yàn)可以滿足驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的要求，但對(duì)于探索性實(shí)驗(yàn)是無效的。即使技術(shù)再高，也不可能用虛擬機(jī)能實(shí)驗(yàn)來探索未知的事物。

參考文獻(xiàn)

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