數(shù)字醫(yī)學(xué)在醫(yī)學(xué)教育中應(yīng)用的研究進(jìn)展

劉剛剛 謝欣昇 高 魯 高雪嬌 李富震

1.黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)附屬第二醫(yī)院骨一科，黑龍江哈爾濱 150001；2.黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)附屬第一醫(yī)院耳鼻喉科，黑龍江哈爾濱 150040；3.黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040

醫(yī)學(xué)教育的目的是通過醫(yī)學(xué)理論知識學(xué)習(xí)與實踐技能培訓(xùn)，使醫(yī)學(xué)生構(gòu)建醫(yī)學(xué)思維，理論知識與臨床實踐相結(jié)合，掌握醫(yī)學(xué)技能，獨立完成臨床工作。為培養(yǎng)具有自主學(xué)習(xí)能力、快速適應(yīng)崗位能力、良好臨床診療能力和創(chuàng)新能力的復(fù)合型醫(yī)學(xué)人才，提高醫(yī)學(xué)教育水平，“早期接觸臨床”的教育理念已成為共識[1]。因傳統(tǒng)的“基礎(chǔ)課-臨床課-實習(xí)”三段式醫(yī)學(xué)教育模式在授課方式、教學(xué)課程、內(nèi)容設(shè)置等方面與臨床實踐之間脫節(jié)[2]，故已不能滿足醫(yī)學(xué)教育的需要。諸多學(xué)者為尋求更加高效的教學(xué)方法進(jìn)行很多探索和研究。將數(shù)字醫(yī)學(xué)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)教育，在近些年被國內(nèi)外學(xué)者所重視，因其為老師提供更多教學(xué)方法，為學(xué)生提供更多的實踐和學(xué)習(xí)方式，且具有可線上線下結(jié)合、早期接觸臨床、教學(xué)方式靈活鮮明、應(yīng)用貫穿于醫(yī)學(xué)教育始終等特點，從而得到良好的教學(xué)效果，值得深入研究和大力推廣。

1 數(shù)字醫(yī)學(xué)

數(shù)字醫(yī)學(xué)是基于信息科學(xué)，將醫(yī)學(xué)教育、科研、臨床、醫(yī)政管理、遠(yuǎn)程醫(yī)療會診等工作數(shù)字化，并通過數(shù)據(jù)采集分析，與計算機輔助設(shè)計/制造的醫(yī)學(xué)應(yīng)用、醫(yī)學(xué)工程、人工智能、互聯(lián)網(wǎng)等結(jié)合的多學(xué)科、多系統(tǒng)交叉體系。其理念最早由美國威斯康星大學(xué)Slack 教授于20 世紀(jì)末提出[3]。自2001 年起，鐘世鎮(zhèn)院士多次在國內(nèi)多地組織舉行“中國數(shù)字化虛擬人體的科技問題”研討會，提出國內(nèi)的數(shù)字醫(yī)學(xué)的概念。中華醫(yī)學(xué)會數(shù)字醫(yī)學(xué)分會于2011 年5 月成立，標(biāo)志著我國數(shù)字醫(yī)學(xué)成為一門新的學(xué)科。近十幾年來，隨著信息工程、醫(yī)學(xué)工程的高速發(fā)展和國家政策性扶持推動，對數(shù)字醫(yī)學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。數(shù)字醫(yī)學(xué)研究內(nèi)容涵蓋了整個醫(yī)學(xué)及其相關(guān)領(lǐng)域，在醫(yī)、教、研的開發(fā)應(yīng)用、醫(yī)政管理、健康大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、區(qū)塊鏈、醫(yī)工結(jié)合、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等方面得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展[4-13]。國內(nèi)外均在積極開展數(shù)字醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ)理論研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究，如我國的“中國數(shù)字化人體數(shù)據(jù)集的建立”項目、虛擬生理人體項目、全息數(shù)字人項目[14-15]；美國的虛擬生理人計劃和數(shù)字人計劃；德國的Voxel-Man 研究；歐洲虛擬生理人研究等，此外醫(yī)學(xué)形態(tài)學(xué)標(biāo)本數(shù)字庫和基因工程數(shù)據(jù)庫的建立，以及基于信息科學(xué)衍生出的虛擬現(xiàn)實（virtual reality，VR）、增強現(xiàn)實（augmented reality，AR）、混合現(xiàn)實（mixed reality，MR）、三維可視化、3D 打?。╰hree-dimensional printing，3DP）等數(shù)字化技術(shù)在臨床、科研、教學(xué)中的廣泛應(yīng)用，逐漸構(gòu)建出數(shù)字醫(yī)學(xué)體系。同時醫(yī)療行政部門通過網(wǎng)絡(luò)與各醫(yī)學(xué)院校、數(shù)字醫(yī)院的數(shù)字系統(tǒng)互聯(lián)，形成健康醫(yī)療大數(shù)據(jù)、醫(yī)學(xué)教育平臺和醫(yī)政管理系統(tǒng)，服務(wù)于醫(yī)、教、研與醫(yī)政管理工作。隨著數(shù)字醫(yī)學(xué)體系組建的進(jìn)行，與之相關(guān)的醫(yī)學(xué)工程和信息工程技術(shù)逐漸完善，應(yīng)用愈發(fā)廣泛，功能日趨多樣。對于數(shù)字醫(yī)學(xué)在醫(yī)學(xué)教育的應(yīng)用研究也成為現(xiàn)在教育研究的重要組成部分[16]。

2 醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用

2.1 醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)教育中的應(yīng)用

目前國內(nèi)很多院校都建成自己的醫(yī)學(xué)形態(tài)學(xué)標(biāo)本數(shù)字庫[17-18]，學(xué)生可通過網(wǎng)絡(luò)終端學(xué)習(xí)，解決了組織胚胎學(xué)、生理病理學(xué)、微生物學(xué)、寄生蟲學(xué)等學(xué)科標(biāo)本不足、樣本缺失，以及解剖尸體不足等問題。國外研究表明，3D 打印模型應(yīng)用于解剖教學(xué)并不比尸體材料差，甚至可能會取得更好的教學(xué)效果[19]。我國研制的智能電子標(biāo)準(zhǔn)化患者教學(xué)系統(tǒng)-機能學(xué)數(shù)字人“ESP”[20]已應(yīng)用于高校醫(yī)學(xué)生理學(xué)教學(xué)中。意大利、英國、立陶宛的多所醫(yī)學(xué)院校已將數(shù)字病理學(xué)納入醫(yī)學(xué)教育的大綱[21]。Adnan 等[22]通過文獻(xiàn)研究得出結(jié)論，3D 解剖軟件、VR、AR 等已應(yīng)用于歐美多所院校的高級解剖學(xué)課程，如局部解剖學(xué)和神經(jīng)解剖學(xué)。Branson 等[23]使用自動立體可視化技術(shù)（AS3D）從DICOM 數(shù)據(jù)中查看解剖結(jié)構(gòu)，結(jié)合對相同立體屏幕圖像的3DP 模型的觸覺探索，從而提高學(xué)生的空間意識和對解剖特征的了解。陸軍軍醫(yī)大學(xué)[18]通過數(shù)字解剖教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用3DP 模型進(jìn)行人體解剖學(xué)的學(xué)習(xí)，同時又開展仿真手術(shù)技能培訓(xùn)等解剖學(xué)拓展學(xué)習(xí)，以貼近臨床，加強學(xué)習(xí)效果?？偠灾瑪?shù)字醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)教育不僅可以解決標(biāo)本缺失、不足等問題，還可以將抽象的文字知識點轉(zhuǎn)化為動態(tài)具象化數(shù)字和實物模型，并與真實臨床患者病歷信息相結(jié)合，使其更加直觀和便于理解，解決了傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)教育模式課堂氛圍枯燥、學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低下、注意力不集中、難以全面掌握知識點的問題，此外，還可避免學(xué)生長期接觸福爾馬林的健康風(fēng)險。

2.2 臨床課中的應(yīng)用

基于“互聯(lián)網(wǎng)+”、大數(shù)據(jù)、云平臺、移動智能設(shè)備和數(shù)字醫(yī)院HIS、PACS 的萬物互聯(lián)，數(shù)字醫(yī)學(xué)教育將傳統(tǒng)“教學(xué)-記憶-實踐”學(xué)習(xí)模式轉(zhuǎn)換為“教學(xué)-實踐-理解-記憶”模式。以3DP 為例，臨床課老師可以輕松地從醫(yī)院PACS 系統(tǒng)中獲取典型病例的影像學(xué)DICOM 數(shù)據(jù)，通過3Dslicer 等軟件進(jìn)行3D 建模并制備3DP 模型，以應(yīng)用于臨床課教學(xué)，3DP 模型除了可以直觀展示病變部位解剖結(jié)構(gòu)外，還可進(jìn)行模擬手術(shù)操作，讓學(xué)生對理論知識有更深層的認(rèn)識，同時達(dá)到在臨床操作之前的鍛煉目的，有效提高學(xué)生理論聯(lián)系實際能力，提升學(xué)習(xí)興趣并激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情[24]。此外，如王微微等[25]將數(shù)字醫(yī)院的T-PACS 通過互聯(lián)網(wǎng)與移動終端相結(jié)合，構(gòu)建Hinacom 醫(yī)學(xué)影像學(xué)教學(xué)平臺，采取線上線下混合教學(xué)模式，在課堂授課之余學(xué)生可以通過移動智能設(shè)備隨時隨地學(xué)習(xí)PACS 數(shù)據(jù)庫中典型病例的臨床資料和影像學(xué)數(shù)據(jù)，將課堂與臨床相結(jié)合，大大提高了學(xué)習(xí)效率、學(xué)習(xí)積極性和自主學(xué)習(xí)能力。

2.3 臨床實踐教學(xué)中的應(yīng)用

近年來，3DP、MR、VR、AR、三維可視化等數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)在國內(nèi)外臨床實踐教學(xué)中應(yīng)用廣泛。例如，澳大利亞醫(yī)學(xué)院校將結(jié)合數(shù)字仿真的VR 解剖廣泛應(yīng)用于手術(shù)解剖訓(xùn)練中[22]。陳敬寅等[26]發(fā)現(xiàn)AR 技術(shù)能夠讓醫(yī)學(xué)生在高度還原實際情況的環(huán)境下無風(fēng)險地提高腦室穿刺術(shù)的能力、提升血管內(nèi)介入治療技術(shù)。石小強等[27]通過將MR 應(yīng)用于腹膜后腫瘤手術(shù)臨床教學(xué)，可明顯提升醫(yī)學(xué)生對解剖結(jié)構(gòu)的空間理解力。Andersen 等[28]通過試驗證明基于沉浸式VR 的培訓(xùn)模式，顯著提高了美國醫(yī)學(xué)生超聲引導(dǎo)下外周靜脈置管安置的學(xué)習(xí)效果。Recker 等[29]利用3DP制作的巨細(xì)胞動脈炎模型在超聲下與真實病例基本一致，在超聲科的臨床培訓(xùn)取得較好效果。張旭等[30]通過建立醫(yī)學(xué)影像學(xué)病例庫，并通過3DP 與之結(jié)合應(yīng)用于臨床教學(xué)，提升教師教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)水平，同時提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和獨立學(xué)習(xí)、主動解決問題的能力?？偠灾?，數(shù)字醫(yī)學(xué)的諸多先進(jìn)技術(shù)可以模擬真實的臨床病例和操作場景，增加臨床醫(yī)學(xué)生的仿真操作機會，進(jìn)行臨床技能的訓(xùn)練，提升臨床技能，極大提升臨床教學(xué)效果。

除此之外，數(shù)字醫(yī)學(xué)的教育模式還可以通過網(wǎng)絡(luò)利用智慧終端開展，如利用機器人系統(tǒng)遠(yuǎn)程手術(shù)操作教學(xué)[31]、應(yīng)用遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)和數(shù)字化教學(xué)平臺[32]開展醫(yī)學(xué)繼續(xù)教育等。這種模式可以貫穿醫(yī)學(xué)教育始終，特別是在醫(yī)學(xué)教育師資落后的地區(qū)和基層醫(yī)院，對醫(yī)療水平和醫(yī)學(xué)教育內(nèi)容具有極大補充和提升作用。

3 存在問題

數(shù)字醫(yī)學(xué)在醫(yī)學(xué)臨床和教學(xué)中的作用已得到廣泛的認(rèn)可，但仍存在很多問題和不足亟待解決，經(jīng)總結(jié)有如下幾個方面：①在政策方面，國家對數(shù)字醫(yī)學(xué)的政策扶持偏向于數(shù)字化醫(yī)療裝備和醫(yī)療大數(shù)據(jù)建設(shè)，而缺乏對數(shù)字醫(yī)學(xué)教學(xué)和診療技術(shù)的支持。②缺乏數(shù)字醫(yī)學(xué)的跨學(xué)科人才培養(yǎng)體系，學(xué)科建設(shè)和人才培養(yǎng)僅局限于江蘇、廣東、上海、重慶、北京等地的數(shù)所高校和其附屬醫(yī)療機構(gòu)間[13-14，16]，如南方醫(yī)科大學(xué)、上海交通大學(xué)、陸軍軍醫(yī)大學(xué)等，醫(yī)科與工科難以形成合力，缺乏產(chǎn)業(yè)支持，導(dǎo)致數(shù)字醫(yī)學(xué)臨床和教學(xué)師資人才稀缺、數(shù)字醫(yī)學(xué)教學(xué)發(fā)展緩慢等問題。③數(shù)字醫(yī)學(xué)的3DP、MR、AR、VR、三維可視化等技術(shù)需要高精尖設(shè)備支持，價格昂貴，僅在部分師資力量雄厚，教學(xué)理念先進(jìn)的院校開展試驗或試點，很難在大班授課的普通高校普及應(yīng)用。④由于基于數(shù)字化的教學(xué)平臺缺乏政策性扶持、整合和公開，平臺多由高校和醫(yī)療、科研機構(gòu)自主建設(shè)，信息壁壘嚴(yán)重，且大多數(shù)高校、醫(yī)療機構(gòu)教學(xué)設(shè)施和教學(xué)內(nèi)容、授課模式與數(shù)字醫(yī)學(xué)脫節(jié)，嚴(yán)重阻礙了數(shù)字醫(yī)學(xué)在教學(xué)中的發(fā)展。⑤數(shù)字醫(yī)學(xué)涉及大量臨床信息的采集及對應(yīng)的數(shù)字情景模擬、3DP 等，其中涉及的患者隱私及倫理問題仍需值得思考和探討。⑥網(wǎng)絡(luò)信息安全對數(shù)字醫(yī)學(xué)的影響也需慎重考慮，特別是健康醫(yī)療大數(shù)據(jù)和基因工程的信息可能會涉及國家安全層面。

4 展望

數(shù)字醫(yī)學(xué)在我國起步較晚，但是國家對其非常重視，將作為數(shù)字醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)的健康醫(yī)療大數(shù)據(jù)提高到國家重要的基礎(chǔ)性戰(zhàn)略資源的高度，并在《“健康中國2030”規(guī)劃綱要》《關(guān)于促進(jìn)和規(guī)范健康醫(yī)療大數(shù)據(jù)應(yīng)用發(fā)展的指導(dǎo)意見》等政策的支持下，在全國構(gòu)建“1+5+X”的健康醫(yī)療大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略布局[33]，并積極推動數(shù)字醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)要素全面開放共享，目前已具備基于健康數(shù)據(jù)科學(xué)開展“數(shù)據(jù)密集科研范式”及多學(xué)科融合研究的條件[34]。鼓勵信息技術(shù)與醫(yī)學(xué)發(fā)展深度融合，推動數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)、醫(yī)學(xué)教育、醫(yī)政管理、信息工程等領(lǐng)域的開發(fā)、轉(zhuǎn)化和應(yīng)用。

隨著國家對于數(shù)字醫(yī)學(xué)的大力支持，進(jìn)而扶持和整合數(shù)字醫(yī)學(xué)教育資源，推進(jìn)教育大數(shù)據(jù)和云平臺建設(shè)，將不同院校和科研、醫(yī)療機構(gòu)可公開的數(shù)字醫(yī)學(xué)醫(yī)、教、研資源進(jìn)行開源共享，比如虛擬生理人、醫(yī)學(xué)形態(tài)學(xué)標(biāo)本數(shù)字庫、數(shù)字醫(yī)學(xué)輔助程序等。推進(jìn)各院校和醫(yī)療機構(gòu)轉(zhuǎn)變教學(xué)理念，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和結(jié)構(gòu)，改變傳統(tǒng)的“Lecture-Based Learning”教學(xué)模式，成立數(shù)字醫(yī)學(xué)教學(xué)管理部門或工作室，建設(shè)自己的“課堂-臨床”互聯(lián)的數(shù)字化教育系統(tǒng)，改善教學(xué)設(shè)施和條件，增加對智能終端設(shè)備的投入，通過線上與線下相結(jié)合，應(yīng)用3DP、MR、AR、VR、三維可視化等數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)開展教學(xué)活動。同時加強對數(shù)字醫(yī)學(xué)臨床、教學(xué)和醫(yī)工人才的培養(yǎng)，比如對高校教師及臨床帶教開展mimics、3Dslicer 等軟件的應(yīng)用和數(shù)字醫(yī)學(xué)設(shè)備的使用教學(xué)，以推進(jìn)數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)在基礎(chǔ)教育和臨床教學(xué)中的普遍應(yīng)用。

隨著信息技術(shù)和工程學(xué)的不斷發(fā)展，新的技術(shù)不斷涌現(xiàn)，如4D 打印技術(shù)[35]也開始逐步應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[36]，該技術(shù)在將來必然會應(yīng)用于醫(yī)學(xué)教學(xué)中。隨著數(shù)字醫(yī)學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，甚至可以通過數(shù)字孿生[37]或“元宇宙”[38]創(chuàng)建虛擬醫(yī)院，利用人工智能系統(tǒng)模擬教學(xué)和臨床操作過程，并進(jìn)行考核。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、教育理念的變革和對數(shù)字醫(yī)學(xué)教育資金投入的不斷增加，在不久將來數(shù)字醫(yī)學(xué)在醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用將更加普遍，發(fā)揮更重要的作用。