腎小球腎炎虛擬仿真系統(tǒng)在教學(xué)中的應(yīng)用

中國(guó)醫(yī)科大學(xué) 田芷毓 牛祉怡 蘇慧龍 杜景陽(yáng) 朱風(fēng)逸

腎小球是腎臟發(fā)揮濾過(guò)功能的主要部位，腎小球由血管內(nèi)皮細(xì)胞、系膜細(xì)胞和足細(xì)胞構(gòu)成的毛細(xì)血管網(wǎng)及腎小囊構(gòu)成，這幾種細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能異常，將造成濾過(guò)屏障功能障礙，引起原發(fā)性腎小球疾病。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以立體的腎小球組織結(jié)構(gòu)為載體，模擬正常腎小球內(nèi)幾種細(xì)胞的空間構(gòu)成，利用VR讓學(xué)生可以從內(nèi)部來(lái)觀察腎小球?yàn)V過(guò)膜的結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)之上，模擬幾種臨床常見(jiàn)腎小球腎炎的腎小球?yàn)V過(guò)膜病理形態(tài)學(xué)改變，結(jié)合傳統(tǒng)的病理切片和臨床病例，讓學(xué)生掌握這幾種腎小球腎炎的發(fā)病機(jī)制、病理改變和臨床意義。系統(tǒng)具體全面展示了VR人體腎臟結(jié)構(gòu)，打破傳統(tǒng)模式，讓抽象復(fù)雜的腎臟知識(shí)理論具體簡(jiǎn)單化。既減輕教師授課壓力，又幫助學(xué)生掌握更多知識(shí)，利用虛擬仿真模型讓學(xué)生的實(shí)訓(xùn)通過(guò)電腦和其他媒體終端作為載體，使學(xué)生深入理解腎小球腎炎。

近年來(lái)人們患腎臟病的幾率逐漸上升，對(duì)人們生活造成嚴(yán)重影響。這就要求腎臟病臨床教學(xué)要不斷開(kāi)展更深入的教學(xué)。但由于后腹腔位置較深，臟器毗鄰關(guān)系復(fù)雜，腎小球腎炎病變?cè)矶鄻?，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中往往難以理解。因此讓醫(yī)學(xué)生充分理解腎臟解剖結(jié)構(gòu)和病理生理過(guò)程，熟練掌握臨床腎臟穿刺活檢術(shù)，成為了醫(yī)學(xué)院解剖實(shí)驗(yàn)課及臨床醫(yī)生培訓(xùn)的熱點(diǎn)。

目前我國(guó)高等醫(yī)學(xué)院院校教學(xué)過(guò)程中，大多數(shù)授課仍以傳統(tǒng)模式教學(xué)為主，臨床醫(yī)學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)，具有抽象性和復(fù)雜性，接受起來(lái)有一定的困難。但通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)教學(xué)中難以掌握的手術(shù)技能。通過(guò)多媒體的三維立體交互，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建虛擬腎臟模型，使健康腎臟與腎小球腎炎腎臟的結(jié)構(gòu)可視化，突出兩者的區(qū)別，通過(guò)模擬誘導(dǎo)動(dòng)物腎小球腎炎，進(jìn)行腎小球腎炎臨床手術(shù)，給予學(xué)生身臨其境的感受，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)揮想象，提升學(xué)生的創(chuàng)新思維。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于腎小球腎炎病變仿真研究較少，研究發(fā)現(xiàn)已有的系統(tǒng)存在著仿真精確度差，解剖紋理細(xì)節(jié)不到位，用于解剖教學(xué)的系統(tǒng)較少這些問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)了真正具有交互性，真實(shí)感，全方面等顯著特點(diǎn)的虛擬仿真系統(tǒng)，用于醫(yī)學(xué)院校腎臟解剖的教學(xué)。

1 腎小球腎炎虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)建立的基本思路

1.1 進(jìn)行靜態(tài)素材獲取

采用高清相機(jī)拍攝腎臟穿刺活檢術(shù)每個(gè)步驟場(chǎng)景，例如：超聲定位，穿刺等。

1.2 制作腎小球腎炎虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的腳本內(nèi)容

程序腳本是該項(xiàng)目要達(dá)到教學(xué)效果及實(shí)施的設(shè)計(jì)思路，目標(biāo)要求及執(zhí)行結(jié)構(gòu)，它是腎小球腎炎知識(shí)與信息技術(shù)融合的基礎(chǔ)。

1.3 制作模型

利用3DSMax，Maya等軟件構(gòu)建實(shí)物模型，調(diào)整模型線數(shù)面數(shù)貼圖及紋理等參數(shù)，以增加模型的真實(shí)度。三維重建腎臟外觀，剖面，腎小球，細(xì)胞，腹腔毗鄰部位模型，每種類型腎小球腎炎最具特征病變模型，ST 2誘導(dǎo)構(gòu)建1型糖尿病腎病動(dòng)物模型等。

1.4 進(jìn)行動(dòng)畫(huà)程序開(kāi)發(fā)

進(jìn)行UI功能制作，場(chǎng)景功能交互制作，特效制作，屏幕渲染及優(yōu)化處理。

Unity3d用代碼邏輯控制UI布局大小及不同分辨率下的自適應(yīng)字體特效圖片大小與動(dòng)態(tài)顯示和圖片特效等。即將虛擬場(chǎng)景與用戶連接，使用戶可以執(zhí)行從第12肋下進(jìn)針腎臟，觀看血液流動(dòng)，拖動(dòng)互動(dòng)滑條可通過(guò)血管進(jìn)入腎小球，自由組合來(lái)練習(xí)有孔的內(nèi)皮、基底膜和足細(xì)胞裂孔膜-立體和平面結(jié)構(gòu)，最終按順序組成正確的結(jié)構(gòu)等操作，協(xié)調(diào)整體虛擬系統(tǒng)工作和運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.5 進(jìn)行軟件測(cè)試發(fā)布

軟件測(cè)試是教學(xué)資源修正優(yōu)化和完善的重要環(huán)節(jié)，把制作好的虛擬仿真教學(xué)資源以及執(zhí)行方式或網(wǎng)頁(yè)播放進(jìn)行發(fā)布，以便在本地化運(yùn)行或遠(yuǎn)程在線訪問(wèn)。

圖1 腎臟的毗鄰關(guān)系

圖2 腎臟解剖結(jié)構(gòu)

圖3 調(diào)查評(píng)估問(wèn)卷1

圖4 調(diào)查評(píng)估問(wèn)卷2

2 腎小球腎炎虛擬仿真系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

該系統(tǒng)由基礎(chǔ)解剖學(xué)、微視解剖和生理病理教學(xué)系統(tǒng)組成。通過(guò)CT采集腎臟數(shù)據(jù)，運(yùn)用3DMAX，MIMICS三維建模等軟件建模，通過(guò)材質(zhì)編輯器完成材質(zhì)與貼圖的建立與編輯，并且通過(guò)渲染使物體表現(xiàn)顯示出的質(zhì)地色彩紋理。在Zbrush中進(jìn)行數(shù)字雕刻，即人體數(shù)字模型的剖面處理，解決相鄰剖面之間的輪廓線匹配問(wèn)題，構(gòu)網(wǎng)問(wèn)題，光滑問(wèn)題等，以構(gòu)建精準(zhǔn)細(xì)致的腎炎模型，并進(jìn)行UI功能制作，場(chǎng)景功能交互制作，特效制作，屏幕渲染及優(yōu)化處理，達(dá)到微觀世界矢量化的目的。可以放大數(shù)倍精細(xì)觀看學(xué)習(xí)腎臟知識(shí)點(diǎn)如腎上極、腎下極、腎被膜等，以及增強(qiáng)對(duì)腎小球腎炎病變?cè)淼闹庇^認(rèn)知。

3 腎小球腎炎虛擬仿真系統(tǒng)的在教學(xué)上的應(yīng)用

3.1 終端輸出方式

該平臺(tái)有兩種終端輸出方式，分為PC端和VR端。其中PC端適合教師課上多媒體教學(xué)和學(xué)生自主練習(xí)，增加教學(xué)的生動(dòng)性和趣味性，運(yùn)用硬件有顯示屏：32in觸屏顯示器（雙屏），角度、高度可調(diào)節(jié)；工控機(jī)：PC兼容機(jī)Z170-AR、Intel i7 7700、16G內(nèi)存、256G固態(tài)硬盤(pán)、RTX2080顯卡、WINDOWS7旗艦版、鼠標(biāo)鍵盤(pán)。VR端即學(xué)生佩戴VR頭盔，全景式瀏覽腎臟結(jié)構(gòu)和手術(shù)過(guò)程，運(yùn)用硬件有HTC VIVE VR設(shè)備等。

3.2 教學(xué)過(guò)程

在教學(xué)培訓(xùn)中，教師可根據(jù)學(xué)生數(shù)目，教學(xué)時(shí)長(zhǎng)等具體情況選擇虛擬設(shè)備。教學(xué)過(guò)程如下：①用戶登陸系統(tǒng)，選擇腎小球腎炎影像資料。增加教學(xué)的生動(dòng)性和趣味性。②觀看模型認(rèn)識(shí)正常腎臟的位置以及與周圍器官毗鄰關(guān)系辨認(rèn)腎上極、腎下極、腎被膜等基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。③在腎臟切面上，了解腎臟解剖結(jié)構(gòu)，包括皮質(zhì)、髓質(zhì)、腎乳頭、腎盂等如圖2所示，明確常見(jiàn)腎臟疾病的發(fā)病部位；④學(xué)習(xí)腎單位的組成，包括腎小球及其所屬腎小管，重點(diǎn)認(rèn)識(shí)腎小球內(nèi)各種細(xì)胞的組成以及它們之間空間排列關(guān)系；⑤學(xué)習(xí)腎臟濾過(guò)膜的基本結(jié)構(gòu)，組成及生理功能；⑥用虛擬的腎小球立體結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)各種不同的微小病變腎小球腎炎、膜性腎病、膜增生性腎小球腎炎等免疫復(fù)合物沉積的位置，明確每種疾病的發(fā)病機(jī)制；⑦了解臨床B超引導(dǎo)下進(jìn)行腎臟穿刺的整個(gè)過(guò)程，以及腎穿刺標(biāo)本處理方法；⑧學(xué)習(xí)臨床真實(shí)的病例，三種類型腎小腎炎的腎臟穿刺標(biāo)本，學(xué)會(huì)用病理改變來(lái)解釋該患者的臨床表現(xiàn)；⑨學(xué)習(xí)并總結(jié)各種類型的原發(fā)性腎小球疾病的具有特征性的病理特征，包括光鏡、電鏡及免疫熒光等；⑩自主學(xué)習(xí)觀察各種類型腎小球疾病典型的病理改變并完成作業(yè)。對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)和滿意度調(diào)查如圖3、圖4所示，學(xué)生填寫(xiě)對(duì)本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目評(píng)價(jià)和建設(shè)性意見(jiàn)的表格，通過(guò)郵箱遞交實(shí)習(xí)報(bào)告。

3.3 考查系統(tǒng)

該平臺(tái)通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)計(jì)分系統(tǒng)考查學(xué)生知識(shí)掌握程度，具體內(nèi)容如下：（1）系統(tǒng)提供教學(xué)模式、實(shí)驗(yàn)練習(xí)模式及考試模式，選擇實(shí)驗(yàn)練習(xí)模式和考試模式都可以進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)計(jì)分系統(tǒng)。（2）實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ绞轻槍?duì)腎小球教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行模塊化的操作模擬，用戶操作過(guò)程中會(huì)有階段性的提示和完成度的動(dòng)態(tài)標(biāo)注，操作完畢后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)拉出用戶操作的完整考核數(shù)據(jù)及提升分析報(bào)告；考試系統(tǒng)屬于綜合實(shí)訓(xùn)操作，只有計(jì)時(shí)無(wú)過(guò)程提示，操作結(jié)束后會(huì)給出答卷成績(jī)及對(duì)應(yīng)的分析。（3）操作合理用時(shí)計(jì)20分；操作正確性計(jì)60分；操作的完整性計(jì)20分。

4 系統(tǒng)的特征

系統(tǒng)具有三種特性：沉浸性、交互性和構(gòu)想性。構(gòu)想力是過(guò)程，沉浸感是目的，VR以假亂真，即給人以假象，卻帶給人真實(shí)的體驗(yàn)，區(qū)別3D的關(guān)鍵要素是六維，可以交互，加強(qiáng)人的體驗(yàn)。系統(tǒng)構(gòu)建的虛擬腎臟毗鄰及腎小球模型，將相關(guān)的發(fā)病原因及手術(shù)方法等教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)融入模型教學(xué)中，設(shè)置不同的教學(xué)環(huán)節(jié)，涵蓋模擬演示，自行學(xué)習(xí)，反復(fù)培訓(xùn)，實(shí)踐操作。學(xué)生通過(guò)反復(fù)的虛擬操作，全面深刻的認(rèn)識(shí)和理解腎小球腎炎病變?cè)恚囵B(yǎng)精確操作的臨床思維，達(dá)到現(xiàn)實(shí)教學(xué)中無(wú)法達(dá)到的教學(xué)效果。

4.1 沉浸性

該虛擬仿真系統(tǒng)讓使用者可以獲得視覺(jué)感知、聽(tīng)覺(jué)感知等。如使用者可以通過(guò)該虛擬系統(tǒng)觀察人體不同解剖面的腎臟結(jié)構(gòu)；在觀看的同時(shí)可播放旁白講解；觀看vr沉浸式動(dòng)畫(huà)學(xué)習(xí)腎臟穿刺活檢術(shù)。從而產(chǎn)生一種身臨其境、沉浸其中的感覺(jué)，讓使用者更加專注于當(dāng)前的情景中。

4.2 交互性

仿真系統(tǒng)中，不僅環(huán)境能夠作用于人，人也可以對(duì)環(huán)境進(jìn)行控制，而且人是以近乎自然的行為進(jìn)行控制的，虛擬環(huán)境還能夠?qū)θ说牟僮饔枰詫?shí)時(shí)的反應(yīng)。平臺(tái)充分利用VR技術(shù)的可互動(dòng)性，設(shè)計(jì)了符合人們自然交互習(xí)慣的互動(dòng)操作模式。本平臺(tái)設(shè)計(jì)了用于共享信息的人機(jī)交互界面，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的動(dòng)手操作能力。利用網(wǎng)上學(xué)習(xí)的交互操作，記錄跟蹤每一位學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，了解和掌握虛擬實(shí)驗(yàn)中心的應(yīng)用情況，真正起到促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的目標(biāo)。

4.3 構(gòu)想性

腎小球腎炎虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)可以使腎臟模型可視具體形象。腎臟虛擬環(huán)境既可以對(duì)真實(shí)世界模擬腎臟的結(jié)構(gòu)，也可以是根據(jù)學(xué)習(xí)主觀想象的虛構(gòu)；另一方面，人可以沉浸于虛擬環(huán)境中與所處環(huán)境進(jìn)行自然交互，多維的體驗(yàn)激發(fā)人豐富的想象，突破原有思維的限制。激發(fā)積極的情緒和動(dòng)機(jī)，創(chuàng)新訓(xùn)練以達(dá)到學(xué)生個(gè)性化的自主學(xué)習(xí)。

本文介紹的系統(tǒng)平臺(tái)是一個(gè)新型的腎小球腎炎的病變?cè)硖摂M仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，有助于學(xué)生全面了解腎臟解剖結(jié)構(gòu)，腎小球腎炎病變?cè)?，模擬手術(shù)操作訓(xùn)練，對(duì)于促進(jìn)醫(yī)學(xué)教育，開(kāi)發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造研究能力具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。未來(lái)的VR醫(yī)學(xué)將要做的不僅僅是簡(jiǎn)單的虛擬醫(yī)學(xué)培訓(xùn)，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)在線醫(yī)院，將用戶病例庫(kù)數(shù)據(jù)累計(jì)，組建虛擬醫(yī)院數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，學(xué)生對(duì)虛擬醫(yī)院的真實(shí)病例分析和練習(xí)，讓學(xué)生可以從真實(shí)病人數(shù)據(jù)模擬操作中得到更直觀地學(xué)習(xí)，從而打造未來(lái)以虛擬培訓(xùn)為基礎(chǔ)、實(shí)踐為目的的虛擬醫(yī)療體系。