基于虛擬仿真系統(tǒng)的精準(zhǔn)放療技術(shù)實(shí)踐教學(xué)探索研究
——以福建醫(yī)科大學(xué)為例

陳 君，郭飛寶，郭 翌，邱玲娜，藍(lán)林臻，柳炫宇，鄭厚兵

（福建醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院，福建 福州 350005；福建醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院濱海院區(qū)國家區(qū)域醫(yī)療中心，福建 福州 350212）

隨著放射治療技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，放射治療逐步進(jìn)入精準(zhǔn)放療時(shí)代。放射治療學(xué)是影像技術(shù)學(xué)、人體解剖學(xué)和放射物理學(xué)等多學(xué)科知識結(jié)合的學(xué)科，放射治療學(xué)作為福建醫(yī)科大學(xué)四年制醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)的必修課程，學(xué)生除了要學(xué)習(xí)放射物理學(xué)、放射生物學(xué)的基本理論知識及惡性腫瘤的基本治療手段外，還要掌握先進(jìn)的放療技術(shù)。然而臨床實(shí)踐教學(xué)存在開展難度大、時(shí)間有限等問題，傳統(tǒng)帶教方式無法滿足學(xué)生學(xué)習(xí)需求。

近年來，虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、混合現(xiàn)實(shí)、拓展現(xiàn)實(shí)等技術(shù)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域，這一類沉浸式教學(xué)手段能高度還原實(shí)驗(yàn)場景，無需昂貴的硬件設(shè)備，具有極大的應(yīng)用潛力[1-3]。為提升我國虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)與各行業(yè)的融合發(fā)展，2022年，工業(yè)和信息化部、教育部等五部門印發(fā)《虛擬現(xiàn)實(shí)與行業(yè)應(yīng)用融合發(fā)展行動計(jì)劃（2022—2026年）》，提出在中小學(xué)校、高等教育、職業(yè)學(xué)校建設(shè)一批虛擬現(xiàn)實(shí)課堂、教研室、實(shí)驗(yàn)室與虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地。盡管VR 等技術(shù)已被應(yīng)用于外科手術(shù)，然而在放療尤其是在先進(jìn)放療技術(shù)方面仍處于探索階段[4-7]。針對放射治療學(xué)中X 刀等先進(jìn)放療技術(shù)難以開展實(shí)踐教學(xué)的問題，提出了搭建精準(zhǔn)放療虛擬仿真教學(xué)平臺，旨在提供系統(tǒng)且個(gè)性化的教學(xué)實(shí)踐方式，以培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考的能力及勇于探索的精神。

1 放射治療學(xué)實(shí)踐教學(xué)困境

放射治療學(xué)是一門理論與臨床實(shí)踐相結(jié)合的課程，要求學(xué)生通過臨床實(shí)踐掌握放療技術(shù)，但在臨床實(shí)踐教學(xué)中存在以下問題。

1.1 學(xué)生臨床實(shí)踐機(jī)會少，難以完全掌握放療技術(shù)原理及實(shí)踐方法

目前放射治療學(xué)課程教學(xué)主要以理論授課為主、臨床實(shí)踐為輔。由于臨床科室腫瘤患者數(shù)量較多，相關(guān)的儀器設(shè)備如直線加速器等長時(shí)間維持高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，難以有空機(jī)時(shí)間，導(dǎo)致學(xué)生臨床實(shí)踐機(jī)會較少，學(xué)生多數(shù)時(shí)間僅能通過課本或幻燈片學(xué)習(xí)放療技術(shù)理論知識，難以掌握這些技術(shù)的原理及實(shí)踐方法。

1.2 學(xué)生臨床實(shí)踐僅能進(jìn)行簡單的指令操作，缺乏實(shí)操經(jīng)驗(yàn)

直線加速器等設(shè)備價(jià)格昂貴、維修成本高，特別是開展X刀的高端設(shè)備，如福建醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院的直線加速器Infinity 等。由于直線加速器實(shí)踐操作較復(fù)雜，一旦出現(xiàn)人為操作失誤引起設(shè)備故障將會導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)檢修，嚴(yán)重影響患者的治療，因此這些設(shè)備無法對學(xué)生完全開放，學(xué)生在進(jìn)行實(shí)踐時(shí)僅能進(jìn)行一些簡單的指令操作，大多數(shù)時(shí)間只能觀看帶教教師的操作講解，導(dǎo)致學(xué)生缺乏實(shí)操經(jīng)驗(yàn)。

1.3 臨床實(shí)踐教學(xué)缺乏一對一個(gè)性化教學(xué)

臨床實(shí)踐教學(xué)多是以“一帶多”的形式開展，醫(yī)院科室環(huán)境較嘈雜，帶教教師無法開展一對一個(gè)性化的實(shí)踐教學(xué)指導(dǎo)[8-9]，因此，如何讓學(xué)生將理論知識靈活應(yīng)用于多樣化場景中，培養(yǎng)其獨(dú)立分析及解決問題的能力值得思考。

2 基于虛擬仿真系統(tǒng)的精準(zhǔn)放療技術(shù)實(shí)踐教學(xué)模式探索

2.1 精準(zhǔn)放療技術(shù)虛擬仿真系統(tǒng)的建設(shè)

虛擬仿真系統(tǒng)基于3D 創(chuàng)作引擎進(jìn)行開發(fā)，系統(tǒng)的主要組成結(jié)構(gòu)：（1）實(shí)驗(yàn)介紹：該模塊為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)流程引導(dǎo)信息，在實(shí)驗(yàn)開始前向?qū)W生介紹實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)背景、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備等，讓學(xué)生對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有全面的了解。（2）治療實(shí)施：該模塊根據(jù)實(shí)際放療流程分為患者復(fù)位與患者治療兩部分，學(xué)生根據(jù)學(xué)習(xí)任務(wù)完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)步驟。（3）實(shí)驗(yàn)考查：預(yù)先設(shè)置客觀題庫，學(xué)生在完成患者治療部分后，系統(tǒng)將隨機(jī)從題庫中抽取題目對學(xué)生進(jìn)行考查，使學(xué)生進(jìn)一步鞏固所學(xué)知識；學(xué)生記錄實(shí)驗(yàn)報(bào)告、自主學(xué)習(xí)報(bào)告及心得體會，并梳理知識點(diǎn)。（4）后臺管理：該模塊包括學(xué)生管理、題庫管理、成績管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等部分。其中題庫管理、成績管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析部分主要針對帶教教師，方便其統(tǒng)計(jì)分析學(xué)生學(xué)習(xí)情況，以提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率。此外，精準(zhǔn)放療技術(shù)虛擬仿真系統(tǒng)還設(shè)置了人機(jī)交互功能。區(qū)別于傳統(tǒng)的動畫與圖片演示，學(xué)生通過精準(zhǔn)放療技術(shù)虛擬仿真系統(tǒng)能操作直線加速器等昂貴設(shè)備，并能通過實(shí)時(shí)的系統(tǒng)反饋信息及時(shí)改正錯誤操作，達(dá)到模擬實(shí)踐的目的。人機(jī)交互功能主要包括問答交互、場景交互、模型交互等，學(xué)生不僅可在虛擬放療機(jī)房中進(jìn)行實(shí)踐，還可以操作儀器完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，在實(shí)踐過程中進(jìn)一步鞏固知識點(diǎn)。

2.2 基于虛擬仿真系統(tǒng)的教學(xué)模式

采用翻轉(zhuǎn)課堂、團(tuán)隊(duì)討論、案例式分析、場景模擬等教學(xué)法，將課堂授課及課后實(shí)踐相結(jié)合，構(gòu)建理論與實(shí)踐結(jié)合、線上與線下結(jié)合的教學(xué)模式[10-11]（見圖1）。學(xué)生通過課堂學(xué)習(xí)知識及課外觀看相關(guān)視頻資料等方式為臨床實(shí)踐打下理論基礎(chǔ)，在掌握基本內(nèi)容后，學(xué)生劃分團(tuán)隊(duì)，以小組為單位分析討論臨床病例。在虛擬仿真系統(tǒng)中構(gòu)建臨床模擬場景，學(xué)生在課后能隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，并能根據(jù)學(xué)習(xí)情況與進(jìn)度在課堂上跟帶教教師交流討論遇到的難點(diǎn)。

圖1 基于虛擬仿真系統(tǒng)的教學(xué)模式Figure 1 Teaching mode based on virtual simulation system

3 基于虛擬仿真系統(tǒng)的精準(zhǔn)放療技術(shù)實(shí)踐教學(xué)模式實(shí)施效果評價(jià)

選取2019 級福建醫(yī)科大學(xué)四年制醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)學(xué)生為實(shí)驗(yàn)組，共50 名，采用課堂授課結(jié)合虛擬仿真系統(tǒng)模擬實(shí)踐方式進(jìn)行教學(xué)。選取2018 級影像技術(shù)專業(yè)學(xué)生為對照組，共55名，課堂授課方式與實(shí)驗(yàn)組一致，臨床實(shí)踐方式為傳統(tǒng)實(shí)踐方法。

3.1 教學(xué)實(shí)施：理論學(xué)習(xí)與虛擬實(shí)踐并行

（1）虛擬仿真實(shí)踐前理論預(yù)習(xí)。在虛擬仿真實(shí)踐前1～2 周，帶教教師布置實(shí)踐任務(wù)，并上傳虛擬仿真系統(tǒng)操作說明文檔及使用視頻。學(xué)生預(yù)先觀看視頻內(nèi)容并結(jié)合課本知識了解實(shí)踐目標(biāo)、實(shí)踐方法和實(shí)踐設(shè)備等。通過預(yù)習(xí)，學(xué)生可以鞏固理論知識，了解虛擬仿真系統(tǒng)的基本操作，為下一步實(shí)踐做好準(zhǔn)備。在虛擬仿真實(shí)踐時(shí)，虛擬仿真系統(tǒng)會為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)相關(guān)的知識及要點(diǎn)，有助于學(xué)生在實(shí)踐中提高學(xué)習(xí)效率。

（2）虛擬仿真實(shí)踐中知識點(diǎn)鞏固。學(xué)生在實(shí)踐過程中，需要回答虛擬仿真系統(tǒng)中對話框內(nèi)的內(nèi)容，選擇正確的問題答案才能進(jìn)行下一步操作，這不僅有助于學(xué)生學(xué)以致用，將課本知識與實(shí)際操作相結(jié)合，還能在遇到困難時(shí)幫助學(xué)生完成當(dāng)前步驟，達(dá)到鞏固知識點(diǎn)的目的。

（3）虛擬仿真實(shí)踐后要點(diǎn)回顧。虛擬仿真系統(tǒng)會梳理總結(jié)學(xué)生操作錯誤的地方，學(xué)生可根據(jù)總結(jié)尋找自己的知識點(diǎn)盲區(qū)，及時(shí)查缺補(bǔ)漏，提高學(xué)習(xí)能力。此外學(xué)生需要在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后填寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，有助于學(xué)生鞏固知識。在完成虛擬仿真實(shí)踐后的下一次課堂教學(xué)中，帶教教師收集學(xué)生存在的問題進(jìn)行討論。

3.2 教學(xué)效果評價(jià)：通過考核和問卷調(diào)查的形式進(jìn)行評價(jià)

（1）考核成績。對比分析實(shí)驗(yàn)組與對照組期末成績，其中期末成績由40%的理論成績和60%的實(shí)踐成績組成。實(shí)驗(yàn)組理論成績、實(shí)踐成績均高于對照組（見表1），說明基于虛擬仿真系統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)不僅能解決學(xué)生在臨床實(shí)踐中遇到的問題，提高學(xué)生考核成績，還有助于學(xué)生在實(shí)踐過程中加深對理論知識的理解，達(dá)到理論與實(shí)踐相輔相成的目的。

表1 兩組學(xué)生考核成績比較Table 1 Comparison of assessment results between two groups of students

（2）問卷調(diào)查。向?qū)嶒?yàn)組發(fā)放調(diào)查問卷，回收有效問卷50份，有效回收率為100.0%。問卷內(nèi)容包括對虛擬仿真系統(tǒng)的評價(jià)、對教學(xué)模式的評價(jià)、對虛擬仿真系統(tǒng)的改進(jìn)意見。每個(gè)部分內(nèi)容又分為若干個(gè)問題，每個(gè)問題的選項(xiàng)包括十分同意、比較同意、一般、比較不同意、十分不同意。問卷調(diào)查結(jié)果見表2，大多數(shù)學(xué)生對虛擬仿真系統(tǒng)和教學(xué)模式的評價(jià)較好，認(rèn)為基于虛擬仿真系統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)可代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)踐教學(xué)；在選擇比較不同意與十分不同意的學(xué)生中，大多數(shù)認(rèn)為基于虛擬仿真系統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)還存在以下幾個(gè)問題：①虛擬仿真系統(tǒng)功能缺失或不完善，無法完全模擬真正的臨床實(shí)踐過程；②系統(tǒng)使用過程存在問題，運(yùn)行不流暢，指令操作不方便；③缺乏帶教教師的指導(dǎo)，難以獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)，需要在實(shí)驗(yàn)過程中向帶教教師尋求幫助。

表2 基于虛擬仿真系統(tǒng)的精準(zhǔn)放療技術(shù)實(shí)踐教學(xué)模式問卷調(diào)查結(jié)果單位：人Table 2 Questionnaire survey results of Precision Radiotherapy Technology Practical Teaching Mode Based on Virtual Simulation System Unit：people

4 基于虛擬仿真系統(tǒng)的放療技術(shù)實(shí)踐教學(xué)模式改進(jìn)措施

4.1 加強(qiáng)虛擬仿真系統(tǒng)建設(shè)

基于虛擬仿真技術(shù)的精準(zhǔn)放射技術(shù)實(shí)踐教學(xué)目前仍處于探索狀態(tài)，不少學(xué)者研究了虛擬仿真教學(xué)在學(xué)生培養(yǎng)中的作用[12-13]。Raith 等[14]采用微軟HoloLens 頭戴式顯示器開發(fā)了虛擬現(xiàn)實(shí)教育工具，用于腫瘤患者教育及學(xué)生實(shí)踐培訓(xùn)，結(jié)果表明開發(fā)的虛擬現(xiàn)實(shí)教育工具很好地補(bǔ)充了傳統(tǒng)教學(xué)模式，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣[15]。為進(jìn)一步提高虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值，需加強(qiáng)虛擬仿真系統(tǒng)功能的開發(fā)。目前虛擬仿真系統(tǒng)僅開放了X 刀模式下的直線加速器精準(zhǔn)放療技術(shù)實(shí)驗(yàn)，然而放射治療學(xué)課程臨床實(shí)踐還包括了腫瘤定位、放療計(jì)劃設(shè)計(jì)及直線加速器設(shè)備質(zhì)量控制等。為了達(dá)到理論與臨床相結(jié)合的目的，需完善系統(tǒng)功能，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高放射治療學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量。

4.2 發(fā)揮帶教教師的指導(dǎo)作用

虛擬仿真系統(tǒng)為學(xué)生提供了交互的虛擬環(huán)境，學(xué)生在實(shí)踐過程中需要獨(dú)立探索，結(jié)合理論知識進(jìn)行實(shí)踐操作[16]。盡管虛擬仿真系統(tǒng)可提示當(dāng)前操作步驟及后續(xù)內(nèi)容，然而學(xué)生碰到一些疑難點(diǎn)時(shí)無法獨(dú)立進(jìn)入下一個(gè)環(huán)節(jié)，導(dǎo)致其需要退出虛擬仿真系統(tǒng)，梳理實(shí)驗(yàn)流程后重新進(jìn)入系統(tǒng)從頭開始練習(xí)，嚴(yán)重影響了學(xué)生學(xué)習(xí)效率及學(xué)習(xí)熱情。問卷調(diào)查結(jié)果也反映了學(xué)生在實(shí)踐過程中因?yàn)椴僮鞑皇煜さ仍蛐枰顺鱿到y(tǒng)重新開始實(shí)驗(yàn)的問題，因此，需要發(fā)揮帶教教師的指導(dǎo)作用。在虛擬仿真系統(tǒng)中，學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，帶教教師要實(shí)時(shí)了解學(xué)生實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，當(dāng)學(xué)生遇到無法解決的問題時(shí)，帶教教師能及時(shí)對學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化帶教。

4.3 學(xué)生加強(qiáng)信息反饋

提升虛擬仿真系統(tǒng)的使用體驗(yàn)感及完善系統(tǒng)功能，離不開學(xué)生的意見反饋。不少學(xué)者認(rèn)為學(xué)生是虛擬仿真教學(xué)的主體，要注重激發(fā)學(xué)生的主觀能動性，提升其認(rèn)知能力[17-18]。因此收集學(xué)生的反饋信息，靈活調(diào)整虛擬仿真系統(tǒng)中的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)難度，這對提升學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性及學(xué)習(xí)能力具有重要作用。