醫(yī)學(xué)影像學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)項目的實踐與思考

鄭楠 龐學(xué)明 李軍 張洪清 崔長歡

摘? 要：信息技術(shù)與高等教育實驗教學(xué)的深度融合是當(dāng)代高等教育的重要發(fā)展趨勢之一，符合實驗教學(xué)改革的發(fā)展趨勢和人才培養(yǎng)的實際需要。將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)影像學(xué)實驗教學(xué)，能有效解決“高投入、高危險、難實現(xiàn)”的傳統(tǒng)實驗教學(xué)問題。結(jié)合天津醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)影像學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)實際，簡述了虛擬仿真在醫(yī)學(xué)影像學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢，同時分析了醫(yī)學(xué)影像學(xué)虛擬仿真項目發(fā)展的制約因素，從整體謀劃、學(xué)科融合、校企合作方面提出了針對性發(fā)展策略。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;醫(yī)學(xué)影像學(xué);實驗教學(xué)

中圖分類號：G642.0;R331? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）15-0088-03

Practice and Thinking on Virtual Imaging Experiment Teaching Project of

Medical Imaging

ZHENG Nan1，PANG Xueming2，LI Jun1，ZHANG Hongqing1，CUI Changhuan1

（1.Laboratory and Asset Management Department，Tianjin Medical University，Tianjin? 300070，China;

2.School of Medical Imaging，Tianjin Medical University，Tianjin? 300070，China）

Abstract：The deep integration of information technology and experimental teaching in higher education is one of the important development trends of contemporary higher education，which is in line with the development trend of experimental teaching reform and the actual needs of personnel training. Applying virtual simulation technology to medical imaging experiment teaching can effectively solve the traditional experimental teaching problem of “high investment，high risk，difficult to achieve”. Combined with the practical teaching of medical imaging virtual simulation experiment in Tianjin Medical University，the application advantages of virtual simulation in medical imaging experimental teaching are briefly described. At the same time，the constraints of the development of medical imaging virtual simulation project are analyzed. Targeted development strategies are put forward from the aspects of overall planning，discipline integration and school-enterprise cooperation.

Keywords：virtual reality;medical imaging;experimental teaching

0? 引? 言

醫(yī)學(xué)影像學(xué)在臨床醫(yī)學(xué)和基礎(chǔ)研究的應(yīng)用上如同“偵察兵”，肩負著為臨床科學(xué)診治、揭示病因病理及循證醫(yī)學(xué)等醫(yī)學(xué)工作提供影像信息依據(jù)的任務(wù)。這也要求影像醫(yī)學(xué)人才除具備全面的醫(yī)學(xué)理論體系和醫(yī)學(xué)思維外，更要有過硬的“實戰(zhàn)”能力，以應(yīng)對復(fù)雜繁重的臨床任務(wù)及研究工作。所以影像醫(yī)學(xué)人才必須通過大量的實踐才能獲得足夠的基本操作技能和臨床能力。

信息技術(shù)與高等教育實驗教學(xué)的深度融合是當(dāng)代高等教育的重要發(fā)展趨勢之一，《教育部關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》中指出，“大力推動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬現(xiàn)實等現(xiàn)代技術(shù)在教學(xué)和管理中的應(yīng)用，探索實施網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化、個性化的教育，以現(xiàn)代信息技術(shù)推動高等教育質(zhì)量提升的‘變軌超車’”[1]?！督逃哭k公廳關(guān)于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知》中提出，“以提高學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新精神為核心，以現(xiàn)代信息技術(shù)為依托，以相關(guān)專業(yè)類急需的實驗教學(xué)信息化內(nèi)容為指向，建設(shè)示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目，推動高校積極探索線上線下教學(xué)相結(jié)合的個性化、智能化、泛在化實驗教學(xué)新模式”[2]。

1? 虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)影像學(xué)實驗教學(xué)的優(yōu)勢

虛擬仿真技術(shù)是借助計算機集成理念和技術(shù)，在多維信息空間上創(chuàng)建一個虛擬信息環(huán)境，能使用戶具有身臨其境的沉浸感，具有與環(huán)境完善的交互作用能力，并有助于啟發(fā)構(gòu)思[3]。虛擬仿真實驗擺脫了實驗試劑、標(biāo)本、器械、場地的限制，可隨時隨地開展虛擬實驗，并且可反復(fù)訓(xùn)練，無實驗成本的增加，極大地拓展了學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)容和空間[4]。

1.1? 有效突破傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式瓶頸

由于傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)技術(shù)教學(xué)環(huán)境和模式所限，部分實驗教學(xué)內(nèi)容無法實現(xiàn)或與臨床實際存有差距，例如：實驗成本過高、涉及輻射等高危環(huán)境，實驗條件難以滿足教學(xué)規(guī)模要求，不符合醫(yī)學(xué)倫理要求等[5]。涉及醫(yī)學(xué)影像學(xué)傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式，則存在高投入、高危險和難實現(xiàn)的發(fā)展瓶頸。

高投入：包括X射線設(shè)備、超聲設(shè)備、磁共振設(shè)備、CT設(shè)備等。由于這些設(shè)備的價值動輒上百萬甚至上千萬元，目前教學(xué)經(jīng)費的投入遠遠達不到教學(xué)規(guī)模需求，且部分貴重儀器設(shè)備的運行與維護成本較大。為了控制成本，大部分醫(yī)學(xué)院校的影像設(shè)備都是從附屬醫(yī)院淘汰下來的。由于老化過時，這些設(shè)備只能用于講解基礎(chǔ)的設(shè)備原理、影像技術(shù)的擺位等，學(xué)生接觸不到較為高端的圖像后處理部分。

高危險：X射線設(shè)備和CT設(shè)備都是利用X射線成像，由于X射線對人體有輻射危害，從保護師生安全的角度出發(fā)，傳統(tǒng)的實驗過程中不會用到實際的X射線操作，只能是“照貓畫虎”或“紙上談兵”。

難實現(xiàn)：目前影像設(shè)備都是大型數(shù)字化成像設(shè)備，成像過程復(fù)雜，原理抽象，自動化程度高。從教學(xué)角度來看，不利于學(xué)生對成像過程與原理的理解[6]。信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用也突破了空間與時間的限制，教師可以通過虛擬仿真系統(tǒng)將課堂內(nèi)容通過網(wǎng)絡(luò)延伸，客觀系統(tǒng)地進行學(xué)生操作評價和作業(yè)批改。虛擬仿真平臺更符合現(xiàn)代大學(xué)生成長的新特點，符合信息化時代教育教學(xué)的新規(guī)律，學(xué)生可以隨時登陸平臺進行反復(fù)實驗操作學(xué)習(xí)，這也提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力[7，8]。

1.2? 虛擬仿真在醫(yī)學(xué)影像學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用

天津醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)影像學(xué)院成立于1984年，是我國第一個獨立的醫(yī)學(xué)影像學(xué)專業(yè)。影像學(xué)院實驗教學(xué)中心在2012年成立了虛擬仿真實驗教學(xué)中心，下設(shè)：電子仿真實驗室、磁共振成像虛擬仿真實驗室、PACS實驗室、圖像處理實驗室、圖像分析實驗室、功能成像實驗室。2015年中心被評為天津市虛擬仿真實驗教學(xué)中心，中心申報的“CT檢查技術(shù)虛擬仿真實驗”被評為“2018年度國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目”。

中心利用PACS系統(tǒng)將實際的臨床影像資料進行采集、整理、存儲并實現(xiàn)與附屬醫(yī)院的PACS資源共享。在大數(shù)據(jù)平臺上幫助師生模擬醫(yī)療方案制定和治療效果預(yù)測全過程，瀏覽復(fù)雜病案和最佳治療案例，通過模擬操作來獲取模擬治療結(jié)果并進行評判。憑借虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢，功能磁共振成像技術(shù)等前沿技術(shù)的原理與應(yīng)用也被納入到實驗教學(xué)課程體系，增強了學(xué)生今后解決臨床實際問題的能力。中心近年來與部分大型醫(yī)療研發(fā)企業(yè)合作開發(fā)了“磁共振虛擬數(shù)據(jù)采集與圖像處理軟件”，解決了困擾醫(yī)學(xué)影像學(xué)教育同行多年的無法用臨床磁共振設(shè)備講解磁共振成像原理的教學(xué)問題。利用PACS教學(xué)平臺開發(fā)了心血管圖像處理系統(tǒng)、肺結(jié)節(jié)分析系統(tǒng)、虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，與企業(yè)聯(lián)合開發(fā)了X射線虛擬仿真操作系統(tǒng)等，極大豐富了虛擬仿真實驗教學(xué)資源。中心還通過互聯(lián)網(wǎng)與西部高校如北方民族大學(xué)、甘肅中醫(yī)藥大學(xué)、河西學(xué)院等實現(xiàn)共享教學(xué)，幾所高校的師生可以同時通過各種終端訪問實驗教學(xué)項目進行自主學(xué)習(xí)，真正實現(xiàn)優(yōu)勢教學(xué)資源的共享互促。

2? 醫(yī)學(xué)影像學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)項目發(fā)展的制約因素

2.1? 經(jīng)費投入因素

不可否認(rèn)，建設(shè)虛擬仿真實驗教學(xué)項目需要投入一定的經(jīng)費用于服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機、計算機終端、圖像工作站、投影顯示系統(tǒng)等信息化硬件購置和醫(yī)學(xué)影像資料庫、圖形處理等軟件以及網(wǎng)絡(luò)平臺的建設(shè)。這些專業(yè)設(shè)備和軟件比較昂貴，應(yīng)用到教學(xué)中如每人或每組配備虛擬設(shè)備進行操作，資金的需求就更有壓力[9]。另外資金分散投入，學(xué)校和醫(yī)院間無法資源共享，導(dǎo)致設(shè)備重復(fù)購置，低端軟硬件難與醫(yī)學(xué)影像行業(yè)趨同而造成浪費[10]。

2.2? 實驗教師隊伍因素

虛擬仿真技術(shù)作為近些年發(fā)展起來的新興技術(shù)，對開展相關(guān)實驗教學(xué)的教師的知識儲備和探索精神提出了更高的要求[11]。實驗教師隊伍年齡結(jié)構(gòu)偏大，主動接受實驗教學(xué)信息化理念和知識的內(nèi)在動力不足，利用虛擬仿真技術(shù)促進實驗教學(xué)改革創(chuàng)新的抓手不夠豐富。且實驗教師的教學(xué)科研任務(wù)繁重，進行虛擬仿真項目開發(fā)的時間相對不足。

2.3? 學(xué)科融合因素

醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)項目的實施需要醫(yī)學(xué)、教育學(xué)、工學(xué)等相關(guān)學(xué)科的協(xié)同合作：醫(yī)學(xué)提供理論基礎(chǔ)、內(nèi)涵及建設(shè)目標(biāo)，工學(xué)提供技術(shù)支撐和運行維護，項目的設(shè)計與建設(shè)還要符合教育學(xué)原則規(guī)律，這樣的融合才能達到建設(shè)效果。這就要求相關(guān)建設(shè)團隊主要成員均掌握醫(yī)學(xué)、教育學(xué)、工學(xué)的基礎(chǔ)性認(rèn)知，便于順暢溝通和智力的無縫對接，共同參與項目的設(shè)計和研發(fā)等各個環(huán)節(jié)。

2.4? 虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容因素

當(dāng)前的虛擬仿真實驗教學(xué)普遍缺乏行業(yè)專家的指導(dǎo)，在一定程度上限制了教學(xué)內(nèi)容的擴充和更新，這也使得選擇適合醫(yī)學(xué)生的虛擬現(xiàn)實教材受到限制，大部分都不能滿足實際教學(xué)需求，內(nèi)容過于理論化[12]。

當(dāng)前虛擬現(xiàn)實行業(yè)發(fā)展的短板之一是內(nèi)容匱乏、針對性不強，直接購置的軟件與本專業(yè)的培養(yǎng)計劃和課程設(shè)計差異明顯，難以真正激發(fā)學(xué)生對實驗內(nèi)容的深刻理解和學(xué)習(xí)熱情。

3? 醫(yī)學(xué)影像學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)項目發(fā)展對策

3.1? 科學(xué)謀劃，注重學(xué)生能力培養(yǎng)

做好醫(yī)學(xué)影像學(xué)實驗教學(xué)的發(fā)展謀劃和頂層設(shè)計，課程內(nèi)容、實驗教學(xué)設(shè)備購置、實驗教材選擇和編制均要與醫(yī)學(xué)影像學(xué)行業(yè)發(fā)展現(xiàn)實趨同，實踐操作與學(xué)生今后的臨床實際有效契合。

根據(jù)“能實不虛，虛實結(jié)合”的建設(shè)原則，做好虛擬仿真實驗教學(xué)項目的選題;規(guī)劃好虛擬仿真內(nèi)容在實驗教學(xué)中的比例，注重傳統(tǒng)實驗與虛擬仿真實驗教學(xué)資源的共同建設(shè)。注重實驗教學(xué)的線上線下有機結(jié)合，學(xué)生在線上完成原理學(xué)習(xí)和虛擬操作;線下通過網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)教育、操作評測和反饋等讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力得到培養(yǎng)[13]。

利用好多渠道經(jīng)費為信息化建設(shè)提供保障;發(fā)揮醫(yī)學(xué)院校和附屬醫(yī)院的協(xié)同優(yōu)勢，整合貴重儀器設(shè)備和臨床影像醫(yī)學(xué)資源，避免重復(fù)建設(shè)造成資源浪費。

3.2? 實驗教師隊伍因素

醫(yī)學(xué)院校建設(shè)高水平的虛擬仿真實驗教學(xué)團隊要“內(nèi)外兼修”。院系層面要注重教學(xué)團隊的年齡層次和學(xué)緣結(jié)構(gòu)，積極吸納具有交叉學(xué)科背景、年富力強的理論課教師和實驗教師加入團隊。學(xué)校層面應(yīng)在人才引進、考評、培訓(xùn)、激勵等方面建立完整的制度體系，將實驗教學(xué)成果納入教師的年終考評與職稱晉升評定以及教學(xué)成果獎勵體系，將信息技術(shù)與醫(yī)學(xué)深度融合作為教師繼續(xù)教育的主題之一，全方位激勵教師開展信息化建設(shè)與應(yīng)用。

同時應(yīng)邀請有在醫(yī)學(xué)相關(guān)領(lǐng)域合作經(jīng)驗的信息化工程師、網(wǎng)絡(luò)工程師等工學(xué)高級人才作為指導(dǎo)專家、顧問加入醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)團隊，參與到虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)和教材編寫的各個環(huán)節(jié)。

3.3? 促進校企合作，加強網(wǎng)絡(luò)共享

校企合作是學(xué)校和企業(yè)依據(jù)雙方需求，整合各自資源優(yōu)勢，從教育形式、教育平臺等多方面進行合作，是當(dāng)今高等學(xué)校人才培養(yǎng)的重要途徑和有效平臺[14]。企業(yè)具有專業(yè)的信息化研發(fā)實驗室和技術(shù)團隊等工學(xué)技術(shù)優(yōu)勢，并且具備信息化平臺開發(fā)的軟硬件基礎(chǔ)條件，節(jié)約了研發(fā)的前期投入[15]。醫(yī)學(xué)院校具備醫(yī)學(xué)、教育學(xué)資源優(yōu)勢，能為項目研發(fā)提供理論基礎(chǔ)、醫(yī)學(xué)素材和建設(shè)思路。師生參與到醫(yī)學(xué)虛擬產(chǎn)品的設(shè)計、研發(fā)、測試過程，可以從使用者的角度對產(chǎn)品提出設(shè)計和改進意見。通過校企雙方的強強聯(lián)合，優(yōu)勢互補，將信息化建設(shè)成果有效應(yīng)用于醫(yī)學(xué)人才培養(yǎng)，實現(xiàn)了合作共贏。

4? 結(jié)? 論

虛擬仿真實驗教學(xué)項目的建設(shè)能彌補傳統(tǒng)實驗存在的不足，重點解決實際實驗、實訓(xùn)中資源限制、條件限制、實際訓(xùn)練效果不佳等客觀問題，同時兼顧課程整合，完全符合國家教學(xué)改革方向，符合實驗教學(xué)改革的發(fā)展趨勢和人才培養(yǎng)的實際需要。醫(yī)學(xué)影像學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)項目能有效解決“高投入、高危險、難實現(xiàn)”的教學(xué)問題，模擬真實的臨床影像設(shè)備和操作環(huán)境，與行業(yè)發(fā)展趨同，更有利于醫(yī)學(xué)影像學(xué)專業(yè)學(xué)生“實戰(zhàn)”能力和醫(yī)學(xué)思維的培養(yǎng)。

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作者簡介：鄭楠（1982.01-），男，漢族，天津人，碩士，助理研究員，研究方向：實驗室建設(shè)與管理;龐學(xué)明（1986.06-），男，漢族，天津人，碩士，實驗師，研究方向：醫(yī)學(xué)影像技術(shù);李軍（1987.03-），男，漢族，天津人，碩士，研究實習(xí)員，研究方向：實驗室建設(shè)與管理;張洪清（1965.12-），男，漢族，天津人，碩士，研究員，研究方向：實驗室建設(shè)與管理;通訊作者：崔長歡（1979.08-），男，滿族，北京人，碩士，助理研究員，研究方向：實驗室建設(shè)與管理。