網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下數(shù)字切片庫的構(gòu)建及其在病理教學(xué)中的應(yīng)用△

劉宇飛 汪慧娟 胡余昌 魯 華 黃益玲 郎博娟

(1.三峽大學(xué)病理學(xué)研究所&宜昌市中心人民醫(yī)院病理科 宜昌 443003；2.宜昌市中心人民醫(yī)院財(cái)務(wù)科 宜昌 443003；3.三峽大學(xué)病理學(xué)研究所&三峽大學(xué)醫(yī)學(xué)院病理學(xué)系 宜昌 443000)

病理學(xué)是臨床醫(yī)學(xué)與基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)的橋梁學(xué)科，在臨床醫(yī)療實(shí)踐中，依靠直觀地觀察疾病的形態(tài)學(xué)改變來作出病理學(xué)診斷，是迄今診斷疾病的最可靠的方法。作為一門直觀性很強(qiáng)的形態(tài)學(xué)課程，病理學(xué)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)居于非常重要的地位，其教學(xué)效果直接影響著臨床醫(yī)學(xué)生對病理學(xué)知識的理解和掌握，以及運(yùn)用病理學(xué)知識分析疾病的能力。傳統(tǒng)教學(xué)模式中基于顯微鏡下觀察病理切片，辨識病變組織的形態(tài)特征是病理學(xué)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。然而，目前傳統(tǒng)的病理實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中卻存在以下一些問題：(1)囿于宏觀和微觀的巨大差異，學(xué)生往往不能準(zhǔn)確辨認(rèn)出病變組織的鏡下特點(diǎn)；(2)傳統(tǒng)病理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)所用的玻璃切片數(shù)量少、易毀損且缺乏特殊染色和稀缺標(biāo)本；(3)組織來源不一、玻片制作水平不一，染色深淺各異，制作切片標(biāo)本的蠟塊也會由于切片深度不一，導(dǎo)致形態(tài)結(jié)構(gòu)不一致，切片的質(zhì)量難以保證；(4)學(xué)生學(xué)習(xí)必須依賴于顯微鏡和實(shí)驗(yàn)室觀察標(biāo)本，需在專業(yè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，受時(shí)間和空間的限制。以上問題導(dǎo)致了學(xué)生在病理學(xué)實(shí)驗(yàn)中處于被動接受為主的地位，缺少獨(dú)立思考和強(qiáng)化訓(xùn)練的過程，不利于發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，教學(xué)效果不佳，難以培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作和創(chuàng)新能力。

隨著信息化技術(shù)的迅猛發(fā)展及新的教學(xué)理念的轉(zhuǎn)換，將普通HE或特殊染色的玻片掃描、重構(gòu)成數(shù)字化切片，以圖像的方式呈現(xiàn)給學(xué)生，模擬顯微鏡觀察切片全過程的全數(shù)字病理切片技術(shù)給傳統(tǒng)的病理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來全新模式的變革。而結(jié)合網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)病理教學(xué)資源的共享，克服了傳統(tǒng)病理實(shí)驗(yàn)教學(xué)依賴實(shí)驗(yàn)室顯微鏡才能觀察切片的固有弊端，打破了時(shí)間和空間限制，方便學(xué)生進(jìn)行主動學(xué)習(xí)。因此，構(gòu)建病理學(xué)數(shù)字切片庫并用于教學(xué)可有效利用和整合資源、創(chuàng)建新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，推動教學(xué)改革和信息化進(jìn)程。本文結(jié)合近年來的工作經(jīng)驗(yàn)探討網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下病理數(shù)字切片庫的構(gòu)建以及在實(shí)際教學(xué)中的應(yīng)用，現(xiàn)報(bào)道如下。

1 材料和方法

1.1 材料

根據(jù)人民衛(wèi)生出版社全國統(tǒng)編教材《病理學(xué)》(第8版)的內(nèi)容，結(jié)合作者所在單位三峽大學(xué)病理學(xué)研究所的實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱和教學(xué)內(nèi)容，挑選病變形態(tài)特征典型、染色均衡鮮艷、無明顯褶皺和刀痕的切片為數(shù)字切片的母版，從100余張教學(xué)切片中精選80張不同類型典型病例的HE染色切片。

1.2 方法

應(yīng)用國產(chǎn)全自動數(shù)字切片掃描儀(江豐生物科技有限公司，型號：KF-PRO-005)掃描成數(shù)字切片。制備過程如下：首先使用全自動顯微掃描平臺，在低倍物鏡(2倍)下快速掃描整張切片，掃描系統(tǒng)在此基礎(chǔ)上自動生成建模基點(diǎn)，再在高倍物鏡(40倍)下以基點(diǎn)為坐標(biāo)進(jìn)行逐層逐點(diǎn)掃描，這樣就能獲得一張無縫拼接的高精度、高分辨率全視野的數(shù)字切片，其內(nèi)包含了玻璃切片上的所有信息；再借助Motic DigiLab II 軟件系統(tǒng)在電腦上觀察，通過鼠標(biāo)或鍵盤操作，可自由觀察圖像的任意位置，不僅能夠在2～40 倍的縮放范圍內(nèi)無極倍率變化，還能同時(shí)保證瀏覽的流暢性；將制作完成的數(shù)字切片標(biāo)注病變名稱或編碼，建立適合三峽大學(xué)病理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的數(shù)字切片庫。

1.3 構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)病理數(shù)字切片平臺

將掃描的數(shù)字切片，上傳至三峽大學(xué)病理研究所數(shù)字切片網(wǎng)絡(luò)平臺(http:3xia.kfbio.cn/login.aspx)，實(shí)現(xiàn)了切片數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化。

1.4 數(shù)字切片教學(xué)實(shí)施和評價(jià)

我們在2016級臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)本科病理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用數(shù)字切片和傳統(tǒng)玻璃切片相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。經(jīng)三大中文和Web of Science數(shù)據(jù)庫檢索發(fā)現(xiàn)，數(shù)字切片教學(xué)效果評價(jià)指標(biāo)一般選取以下方面: 學(xué)生成績( 理論或?qū)嶒?yàn)) 、學(xué)生主觀感受和其他指標(biāo)如學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)間和教師投入時(shí)間等[1]。因此，把2016級臨床醫(yī)學(xué)本科1班作為對照組，采用傳統(tǒng)病理組織玻璃切片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)與考核；將2016級臨床本科2班40 人作為實(shí)驗(yàn)組，由同一位教師用數(shù)字切片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)與考核。我們在病理實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程結(jié)束后向所有參加教學(xué)改革8名教師和160名本科生學(xué)生發(fā)放調(diào)查問卷，問卷內(nèi)容包括與傳統(tǒng)教學(xué)模式相比，數(shù)字切片新實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是否更能激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)是否更主動積極、是否更有利于討論交流等。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

2 結(jié)果

2.1 數(shù)字切片掃描結(jié)果

根據(jù)傳統(tǒng)HE染色玻片和掃描設(shè)備的特點(diǎn)，挑選符合規(guī)格的數(shù)字教學(xué)切片，逐一掃描，共計(jì)80張。

2.2 病理數(shù)字切片庫建立

病理數(shù)字切片庫主要由3部分組成: 容量為1T移動硬盤、80張數(shù)字切片和瀏覽軟件。瀏覽軟件為江豐生物科技有限公司提供的Motic DigiLab II軟件系統(tǒng)。

2.3 網(wǎng)絡(luò)數(shù)字病理切片平臺應(yīng)用

本所內(nèi)的教師、醫(yī)生和學(xué)生可用不同的賬號和密碼登陸，無需安裝軟件即可隨時(shí)直接瀏覽、學(xué)習(xí)本網(wǎng)絡(luò)平臺上的數(shù)字切片。

2.4 數(shù)字切片教學(xué)效果評價(jià)

統(tǒng)計(jì)分析學(xué)期末兩組學(xué)生實(shí)驗(yàn)考試成績。結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生的實(shí)驗(yàn)考試成績?yōu)?90.93±6.69)分，優(yōu)于對照組的(86.35±9.12)分，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=1.994，P=0.012)，見表1。通過調(diào)查問卷結(jié)果顯示，88.24%參與數(shù)字切片教學(xué)的學(xué)生和100%的實(shí)驗(yàn)課教師認(rèn)為數(shù)字切片教學(xué)要優(yōu)于傳統(tǒng)玻璃切片教學(xué)模式。數(shù)字切片方便操作，提高了教師的教學(xué)質(zhì)量同時(shí)也激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)習(xí)更主動積極，有利于討論交流，見表2～3。

3 討論

病理大體標(biāo)本、光學(xué)生物顯微鏡和HE染色玻片是主要的傳統(tǒng)的病理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的載體，教學(xué)載體陳舊單調(diào)，學(xué)生操作機(jī)會少，實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法較為單一，學(xué)生與老師之間的共享信息量相對較少，實(shí)驗(yàn)中的典型形態(tài)結(jié)構(gòu)無法及時(shí)展示給所有學(xué)生且需耗費(fèi)教師大量的精力，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性不夠，不利于培養(yǎng)和提高學(xué)生的臨床思維、綜合分析解決問題和創(chuàng)新的能力。因此，改革現(xiàn)有陳舊的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式迫在眉睫。

目前包括數(shù)字切片在內(nèi)病理學(xué)虛擬資源的發(fā)展，更新了病理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，為解決當(dāng)前病理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中所遇到的問題提供可能。病理學(xué)數(shù)字切片庫具有以下諸多優(yōu)點(diǎn)：(1)解決了教學(xué)資源日益匱乏的難題，虛擬切片將原始切片轉(zhuǎn)化為電子資源，便于永久儲存和管理；數(shù)字切片不會褪色、磨損，還包含原玻璃切片的全部信息，分辨率高，圖像清晰，便于復(fù)制和攜帶，保證了教學(xué)的一致性。尤其是一些少見病變組織掃描后可以永久使用，提高了教學(xué)資源的利用率；(2)可通過外加相應(yīng)的熒光光源和更換濾光鏡掃描玻璃熒光切片，克服了熒光切片易褪色、不宜長久保存的缺點(diǎn)；(3)節(jié)省了切片制作過程中的人力、物力和財(cái)力，節(jié)約教學(xué)成本，可有助于緩解目前實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員短缺的難題；(4)數(shù)字切片可利用專用圖像瀏覽軟件模擬顯微鏡觀察模式，不受顯微鏡和場地限制；(5)通過將成熟的虛擬資源上傳至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，教師和學(xué)生在任何地方都可以借助一臺電腦、智能手機(jī)和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入病理實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，突破了實(shí)驗(yàn)教學(xué)上時(shí)間和空間的限制，滿足了學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)方式的需求，大大提高了學(xué)習(xí)效果；(6)數(shù)字切片可通過全景導(dǎo)航圖迅速直觀地幫學(xué)生定位病變區(qū)域，從而節(jié)約教師的精力，教師可以有充足的時(shí)間來引導(dǎo)學(xué)生開展自主式學(xué)習(xí)、合作式學(xué)習(xí)及探究式學(xué)習(xí)，使學(xué)生上升到學(xué)習(xí)的“主體”地位上，真正以主角身份參與教學(xué)過程；學(xué)生還可以通過觀察已編輯標(biāo)注好的數(shù)字病理切片，更快更好地理解和掌握病變特點(diǎn)，提高了學(xué)習(xí)效率；(7)病理學(xué)數(shù)字切片庫還可以幫助學(xué)生復(fù)習(xí)，教師答疑時(shí)針對學(xué)生的疑問利用數(shù)字切片進(jìn)行解答，學(xué)生易于理解，尤其是帶有普遍性的問題，教師可以一同解答，非常方便、高效；(8)應(yīng)用數(shù)字切片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)考試，考試內(nèi)容統(tǒng)一，不受切片質(zhì)量影響，確保了考試的客觀性；(9)各院校之間虛擬資源共享能校際間的合作和交流，互通有無，豐富教學(xué)內(nèi)容，使病理學(xué)教學(xué)得以快速發(fā)展。

表1 數(shù)字切片實(shí)驗(yàn)教學(xué)成績比較

表2 數(shù)字病理切片教學(xué)效果調(diào)查表(教師)

表3 數(shù)字病理切片教學(xué)效果調(diào)查表(學(xué)生)

決定了數(shù)字切片未來的走向的是其在實(shí)際教學(xué)的效果，而通過考試形式獲得的學(xué)生成績是重要的評價(jià)指標(biāo)之一。在數(shù)字病理教學(xué)平臺初步構(gòu)建完成后，我們針對學(xué)生進(jìn)行了試探性教學(xué)。調(diào)查問卷結(jié)果顯示大多數(shù)學(xué)生充分肯定了數(shù)字病理教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)，認(rèn)為數(shù)字病理教學(xué)有益于提高他們對病理學(xué)知識的學(xué)習(xí)掌握，網(wǎng)絡(luò)數(shù)字病理平臺的開放對他們預(yù)習(xí)或復(fù)習(xí)病理知識有很大的作用。與對照組比較，實(shí)驗(yàn)組病理實(shí)驗(yàn)切片考核成績得到了顯著的提高(P=0.012)，表明數(shù)字切片教學(xué)有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成績。國內(nèi)外的研究結(jié)果顯示數(shù)字切片相比于傳統(tǒng)玻片教學(xué)能促進(jìn)學(xué)生成績上調(diào)[2]，雖然可能只是適度提高[3]，但病理學(xué)數(shù)字切片教學(xué)所展示出的優(yōu)越性毋庸置疑。數(shù)字切片單用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)也存在著一定的問題:(1)虛擬資源完全替代實(shí)際玻片會降低學(xué)生動手能力及顯微鏡使用能力，而光學(xué)顯微鏡系統(tǒng)在病理、臨床診斷、科研等方面是需要的，尤其在科研的探索中需要使用光學(xué)顯微鏡先去發(fā)現(xiàn)和尋找有價(jià)值信息，然后才是數(shù)字化的記錄；并且光鏡觀察同一器官結(jié)構(gòu)的多個(gè)標(biāo)本，容易發(fā)現(xiàn)標(biāo)本間的差異，有利于空間結(jié)構(gòu)的建立，而一般數(shù)字切片庫所含的標(biāo)本數(shù)目較少；(2)數(shù)字切片容易使學(xué)生把精力浪費(fèi)在瀏覽切片文件上，而對課程內(nèi)容無法深入學(xué)習(xí)；(3)實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員制作切片的實(shí)驗(yàn)技術(shù)流失，不利于病理學(xué)的長遠(yuǎn)發(fā)展；(4)購買掃描系統(tǒng)、建立網(wǎng)絡(luò)數(shù)字切片庫的費(fèi)用相對昂貴；(5)對于某些特殊規(guī)格的切片，如前列腺大尺寸切片等，有一定的掃描難度，需要不斷地摸索；(6)目前尚無油鏡掃描設(shè)備，對需要放大倍數(shù)更高才能觀察清楚的精細(xì)結(jié)構(gòu)或細(xì)胞目前通過數(shù)字切片還達(dá)不到要求[4]；(7)熒光切片需要外加相應(yīng)的熒光光源和更換濾光鏡，費(fèi)用也不菲。鑒于數(shù)字切片和傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡這兩種系統(tǒng)有各自的優(yōu)勢，我們認(rèn)為在教學(xué)中混合使用是不錯(cuò)的選擇。此外，雖然在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下學(xué)生可以利用數(shù)字切片自主學(xué)習(xí)，突破時(shí)間和空間的限制，但有報(bào)道更傾向于使用電子學(xué)習(xí)資源及課堂外自學(xué)的美國密西根大學(xué)醫(yī)學(xué)生中自學(xué)學(xué)生的學(xué)習(xí)成績卻低于那些使用課堂教學(xué)資源的學(xué)生，這表明學(xué)生使用不同的學(xué)習(xí)資源和學(xué)習(xí)方式對其學(xué)習(xí)成績的影響[5]。因此，實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)仍不可或缺[1]。

總之，病理學(xué)數(shù)字化教學(xué)切片數(shù)據(jù)庫的建立和推廣使用為教學(xué)工作提供有效的工具和交流平臺，我們將繼續(xù)完善、補(bǔ)充該數(shù)據(jù)庫，并將基于該平臺進(jìn)行相關(guān)形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革和信息化進(jìn)程，真正實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為中心的學(xué)習(xí)，為學(xué)生打造優(yōu)質(zhì)的自主學(xué)習(xí)平臺。