肾小球肾炎虚拟仿真系统在教学中的应用

中国医科大学 田芷毓 牛祉怡 苏慧龙 杜景阳 朱风逸

肾小球是肾脏发挥滤过功能的主要部位，肾小球由血管内皮细胞、系膜细胞和足细胞构成的毛细血管网及肾小囊构成，这几种细胞结构和功能异常，将造成滤过屏障功能障碍，引起原发性肾小球疾病。实验项目以立体的肾小球组织结构为载体，模拟正常肾小球内几种细胞的空间构成，利用VR让学生可以从内部来观察肾小球滤过膜的结构。在此基础之上，模拟几种临床常见肾小球肾炎的肾小球滤过膜病理形态学改变，结合传统的病理切片和临床病例，让学生掌握这几种肾小球肾炎的发病机制、病理改变和临床意义。系统具体全面展示了VR人体肾脏结构，打破传统模式，让抽象复杂的肾脏知识理论具体简单化。既减轻教师授课压力，又帮助学生掌握更多知识，利用虚拟仿真模型让学生的实训通过电脑和其他媒体终端作为载体，使学生深入理解肾小球肾炎。

近年来人们患肾脏病的几率逐渐上升，对人们生活造成严重影响。这就要求肾脏病临床教学要不断开展更深入的教学。但由于后腹腔位置较深，脏器毗邻关系复杂，肾小球肾炎病变原理多样，学生在学习过程中往往难以理解。因此让医学生充分理解肾脏解剖结构和病理生理过程，熟练掌握临床肾脏穿刺活检术，成为了医学院解剖实验课及临床医生培训的热点。

目前我国高等医学院院校教学过程中，大多数授课仍以传统模式教学为主，临床医学生被动接受知识，具有抽象性和复杂性，接受起来有一定的困难。但通过虚拟现实技术可以实现传统教学中难以掌握的手术技能。通过多媒体的三维立体交互，利用虚拟现实技术构建虚拟肾脏模型，使健康肾脏与肾小球肾炎肾脏的结构可视化，突出两者的区别，通过模拟诱导动物肾小球肾炎，进行肾小球肾炎临床手术，给予学生身临其境的感受，激发学生的学习兴趣，引导学生发挥想象，提升学生的创新思维。目前国内外关于肾小球肾炎病变仿真研究较少，研究发现已有的系统存在着仿真精确度差，解剖纹理细节不到位，用于解剖教学的系统较少这些问题。针对这些问题，我们设计了真正具有交互性，真实感，全方面等显著特点的虚拟仿真系统，用于医学院校肾脏解剖的教学。

1 肾小球肾炎虚拟仿真教学系统建立的基本思路

1.1 进行静态素材获取

采用高清相机拍摄肾脏穿刺活检术每个步骤场景，例如：超声定位，穿刺等。

1.2 制作肾小球肾炎虚拟仿真实验教学的脚本内容

程序脚本是该项目要达到教学效果及实施的设计思路，目标要求及执行结构，它是肾小球肾炎知识与信息技术融合的基础。

1.3 制作模型

利用3DSMax，Maya等软件构建实物模型，调整模型线数面数贴图及纹理等参数，以增加模型的真实度。三维重建肾脏外观，剖面，肾小球，细胞，腹腔毗邻部位模型，每种类型肾小球肾炎最具特征病变模型，ST 2诱导构建1型糖尿病肾病动物模型等。

1.4 进行动画程序开发

进行UI功能制作，场景功能交互制作，特效制作，屏幕渲染及优化处理。

Unity3d用代码逻辑控制UI布局大小及不同分辨率下的自适应字体特效图片大小与动态显示和图片特效等。即将虚拟场景与用户连接，使用户可以执行从第12肋下进针肾脏，观看血液流动，拖动互动滑条可通过血管进入肾小球，自由组合来练习有孔的内皮、基底膜和足细胞裂孔膜-立体和平面结构，最终按顺序组成正确的结构等操作，协调整体虚拟系统工作和运转。

1.5 进行软件测试发布

软件测试是教学资源修正优化和完善的重要环节，把制作好的虚拟仿真教学资源以及执行方式或网页播放进行发布，以便在本地化运行或远程在线访问。

图1 肾脏的毗邻关系

图2 肾脏解剖结构

图3 调查评估问卷1

图4 调查评估问卷2

2 肾小球肾炎虚拟仿真系统关键技术

该系统由基础解剖学、微视解剖和生理病理教学系统组成。通过CT采集肾脏数据，运用3DMAX，MIMICS三维建模等软件建模，通过材质编辑器完成材质与贴图的建立与编辑，并且通过渲染使物体表现显示出的质地色彩纹理。在Zbrush中进行数字雕刻，即人体数字模型的剖面处理，解决相邻剖面之间的轮廓线匹配问题，构网问题，光滑问题等，以构建精准细致的肾炎模型，并进行UI功能制作，场景功能交互制作，特效制作，屏幕渲染及优化处理，达到微观世界矢量化的目的。可以放大数倍精细观看学习肾脏知识点如肾上极、肾下极、肾被膜等，以及增强对肾小球肾炎病变原理的直观认知。

3 肾小球肾炎虚拟仿真系统的在教学上的应用

3.1 终端输出方式

该平台有两种终端输出方式，分为PC端和VR端。其中PC端适合教师课上多媒体教学和学生自主练习，增加教学的生动性和趣味性，运用硬件有显示屏：32in触屏显示器（双屏），角度、高度可调节；工控机：PC兼容机Z170-AR、Intel i7 7700、16G内存、256G固态硬盘、RTX2080显卡、WINDOWS7旗舰版、鼠标键盘。VR端即学生佩戴VR头盔，全景式浏览肾脏结构和手术过程，运用硬件有HTC VIVE VR设备等。

3.2 教学过程

在教学培训中，教师可根据学生数目，教学时长等具体情况选择虚拟设备。教学过程如下：①用户登陆系统，选择肾小球肾炎影像资料。增加教学的生动性和趣味性。②观看模型认识正常肾脏的位置以及与周围器官毗邻关系辨认肾上极、肾下极、肾被膜等基本结构如图1所示。③在肾脏切面上，了解肾脏解剖结构，包括皮质、髓质、肾乳头、肾盂等如图2所示，明确常见肾脏疾病的发病部位；④学习肾单位的组成，包括肾小球及其所属肾小管，重点认识肾小球内各种细胞的组成以及它们之间空间排列关系；⑤学习肾脏滤过膜的基本结构，组成及生理功能；⑥用虚拟的肾小球立体结构学习各种不同的微小病变肾小球肾炎、膜性肾病、膜增生性肾小球肾炎等免疫复合物沉积的位置，明确每种疾病的发病机制；⑦了解临床B超引导下进行肾脏穿刺的整个过程，以及肾穿刺标本处理方法；⑧学习临床真实的病例，三种类型肾小肾炎的肾脏穿刺标本，学会用病理改变来解释该患者的临床表现；⑨学习并总结各种类型的原发性肾小球疾病的具有特征性的病理特征，包括光镜、电镜及免疫荧光等；⑩自主学习观察各种类型肾小球疾病典型的病理改变并完成作业。对整个实验进行总结和满意度调查如图3、图4所示，学生填写对本实验项目评价和建设性意见的表格，通过邮箱递交实习报告。

3.3 考查系统

该平台通过虚拟实验计分系统考查学生知识掌握程度，具体内容如下：（1）系统提供教学模式、实验练习模式及考试模式，选择实验练习模式和考试模式都可以进入虚拟实验计分系统。（2）实验模式是针对肾小球教学内容进行模块化的操作模拟，用户操作过程中会有阶段性的提示和完成度的动态标注，操作完毕后系统会自动拉出用户操作的完整考核数据及提升分析报告；考试系统属于综合实训操作，只有计时无过程提示，操作结束后会给出答卷成绩及对应的分析。（3）操作合理用时计20分；操作正确性计60分；操作的完整性计20分。

4 系统的特征

系统具有三种特性：沉浸性、交互性和构想性。构想力是过程，沉浸感是目的，VR以假乱真，即给人以假象，却带给人真实的体验，区别3D的关键要素是六维，可以交互，加强人的体验。系统构建的虚拟肾脏毗邻及肾小球模型，将相关的发病原因及手术方法等教学重点和难点融入模型教学中，设置不同的教学环节，涵盖模拟演示，自行学习，反复培训，实践操作。学生通过反复的虚拟操作，全面深刻的认识和理解肾小球肾炎病变原理，培养精确操作的临床思维，达到现实教学中无法达到的教学效果。

4.1 沉浸性

该虚拟仿真系统让使用者可以获得视觉感知、听觉感知等。如使用者可以通过该虚拟系统观察人体不同解剖面的肾脏结构；在观看的同时可播放旁白讲解；观看vr沉浸式动画学习肾脏穿刺活检术。从而产生一种身临其境、沉浸其中的感觉，让使用者更加专注于当前的情景中。

4.2 交互性

仿真系统中，不仅环境能够作用于人，人也可以对环境进行控制，而且人是以近乎自然的行为进行控制的，虚拟环境还能够对人的操作予以实时的反应。平台充分利用VR技术的可互动性，设计了符合人们自然交互习惯的互动操作模式。本平台设计了用于共享信息的人机交互界面，激发学生的学习兴趣，提高学生的动手操作能力。利用网上学习的交互操作，记录跟踪每一位学生的学习情况，了解和掌握虚拟实验中心的应用情况，真正起到促进学生学习的目标。

4.3 构想性

肾小球肾炎虚拟仿真教学系统可以使肾脏模型可视具体形象。肾脏虚拟环境既可以对真实世界模拟肾脏的结构，也可以是根据学习主观想象的虚构；另一方面，人可以沉浸于虚拟环境中与所处环境进行自然交互，多维的体验激发人丰富的想象，突破原有思维的限制。激发积极的情绪和动机，创新训练以达到学生个性化的自主学习。

本文介绍的系统平台是一个新型的肾小球肾炎的病变原理虚拟仿真实验教学平台，有助于学生全面了解肾脏解剖结构，肾小球肾炎病变原理，模拟手术操作训练，对于促进医学教育，开发学生的创造研究能力具有很强的现实意义。未来的VR医学将要做的不仅仅是简单的虚拟医学培训，同时还可实现在线医院，将用户病例库数据累计，组建虚拟医院数据库系统，学生对虚拟医院的真实病例分析和练习，让学生可以从真实病人数据模拟操作中得到更直观地学习，从而打造未来以虚拟培训为基础、实践为目的的虚拟医疗体系。