麻醉临床技能多模态虚拟仿真教学体系建设与实践

龚灿生 高 飞,3 解慧泓 郭艳华 郑 艇 蒋俊丹 郑晓春,3,4

（1 福建医科大学省立临床医学院，福建省立医院麻醉科，福建 福州 350001；2 福建省急救中心，福建省 “一带一路” 联合共建实验室，福建 福州 350001；3 福建省急救中心，福建省急诊医学重点实验室，福建 福州 350001；4 福建省急救中心，福建省疑难重症研究重点实验室，福建 福州 350001）

麻醉学科是一门对临床实践高要求的临床学科，麻醉医师除了需要掌握内外妇儿及麻醉学科理论知识外，必须具备扎实的临床技能，才能胜任临床工作[1]。目前大多数教学医院仍沿用观摩-实践-指导的传统教学模式，对于医学生及处于规范化培训阶段的住院医师而言，教学风险较高[2]。我院融合线上-线下理论课程、虚拟仿真技术及虚拟现实技术等方法，形成视听触觉多模态教学体系，显著提高了临床教学安全性、增加了临床技能培训教学的丰度，调动了学员学习兴趣，提高了麻醉学科临床实践人才培养的质量与效率。

1 传统麻醉临床技能培训面临的问题

对于临床技能培训而言，在真实患者身上进行实践操作是学习的最佳途径，但麻醉学技能操作多为高风险操作，操作不当易导致严重的并发症。让毫无经验的医学生在患者身上进行各种操作练习（如气道管理、椎管内穿刺、中心静脉穿刺置管、神经阻滞等），无疑对患者的安全造成威胁，也可能引发医疗事故和纠纷[3]。另一方面，若沿用传统的观摩-实践-指导教学方法，学员实践机会少，只能靠“运气”学习所遇到的病例；对于不能见到的病例或操作，只能通过教材或课程进行学习记忆，犹如纸上谈兵，不能获得深刻的体会。第三，麻醉学科医师人数仍十分紧缺，临床技能培训讲师的数量少，教学水平参差不齐，难以保障培训的同质化和优质化[4]。因此，解决上述教学难题，探讨更加有效的教学模式，保障麻醉学科临床技能培训、提高医学教育质量，是麻醉临床技能培训课程改革的重点问题。

2 麻醉学科临床技能多模态虚拟仿真教学体系的建设与实践

虚拟仿真技术通过计算机技术构建虚拟现实环境，模拟真实世界中的各种情境，让学生在虚拟环境中进行实时的、交互性的操作和训练[5]。目前，虚拟仿真技术已广泛应用于医学教育中，包括外科手术、内科诊断和治疗、急救技能培训等多个领域。显然，虚拟仿真技术可以提供逼真的视觉和听觉效果，从而为学员创造出一个近乎真实的环境，让学员更好地理解和掌握实践课的内容[6]。但对于麻醉学技能培训而言，许多规范动作习惯的习得是需要依靠多次触觉反馈来实现的，如动脉搏动感、组织穿刺的阻力感和落空感等。遗憾的是，目前绝大多数麻醉技能培训虚拟仿真平台无法提供触觉反馈，这无疑使虚拟仿真技术在麻醉临床技能培训中的应用效果大打折扣[7]。

首先，我院通过融合线上-线下理论课程、虚拟仿真技术及虚拟现实技术等措施，形成视听触觉多模态虚拟仿真教学体系，显著增加了临床技能培训教学的丰度。其中，线上-线下理论课程总学时为106学时，涵盖了麻醉的基础知识、临床麻醉前的准备工作、围手术期的各项生命征监测、急性疼痛服务的管理、无痛分娩的实施以及超声辅助麻醉技术。线下课程在我院定时定点开展，而线上课程免费开放（线上课程网址：https://mooc1-1.chaoxing.com/course/template60/203007728.html，目前正式选课人数为645人，师生利用在线平台讨论3 020次，课程访问量达841 368次），课程设计注重教材建设与学术进展，以临床为导向，结合临床案例，通过视频还原临床现场场景，结合手机移动终端学习软件和线下讨论课、技能培训课，实现教学方法多元化、数字化。专业教师轮流在线“值班”，及时解答学生问题，围绕“启发式”教学理念，旨在使学生更全面、系统地认识麻醉在临床医学中扮演的角色，并掌握围手术期医学与临床麻醉理论知识与实践能力。

其次，我们利用国家虚拟仿真试验项目共享平台及福建医科大学自建临床麻醉学虚拟仿真教学课程，通过人机交互平台逼真地模拟病房、手术室等医疗场景，以虚促实，让学员按照系统的操作提示，进行沉浸式技能训练，熟悉技能场景、操作步骤与注意事项；自建课程内容包括麻醉前评估、全身麻醉与气管插管、困难气道处理、椎管内穿刺置管、围手术期生命征监测、围手术期决策、机械通气、血流动力学调控、小儿麻醉等虚拟仿真试验项目。教师可以根据课程不同级别和难度需求，进行教学资源配备，快速组件实践团队，让学员能在仿真环境中将理论知识和实践有机结合起来。

第三，我院将虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术和力反馈技术相结合，研发了视听触觉多模态仿真教学模型，使学员不仅能沉浸式熟悉技能场景和操作步骤，还能获得操作的实时触觉反馈。首先，我们利用MIMICS（Materialise's Interactive Medical Image Control System）软件重建的VR 3D解剖模型，结合力反馈设备Geomagic Touch X，完成了可实现不同力反馈的操作模型，导入UNITY 3D虚拟现实开发平台，通过佩戴VR眼镜（HTC VIVE设备）及操作力反馈手柄进行虚拟世界中的操作训练。学员根据视听触觉反馈对操作过程进行调整，从而最终加深对解剖的理解，掌握操作技巧，提高成功率。见图1。

图1 学员利用视听触觉多模态仿真教学模型进行操作训练

3 多模态虚拟仿真教学体系在麻醉临床技能教学中的应用效果评价

本研究以腰硬联合麻醉穿刺为考察项目，采用前瞻、随机、对照临床研究，评估传统教学体系与多模态虚拟仿真教学体系对临床技能教学效果的影响。研究通过医院伦理委员会审查（伦理号：K2020-12-018），并在中国临床试验注册中心完成了注册（注册号：ChiCTR2100043952）。本研究共纳入20名从未有过椎管穿刺经验的实习医师，随机抽样法将这20名实习医师分为传统教学组（C组）和虚拟仿真教学组（S组），每组10名。

所有实习医师在分组前均接受一节理论课程，分组后C组接受传统的标准化模拟人穿刺操作培训，S组接受上述多模态虚拟仿真操作培训教学（线上课程+虚拟仿真平台+VR模型培训）。培训共计6 d，培训期间每位医师完成30次穿刺训练。培训结束后，各实习医师在同一名经验丰富且对分组不知情的高年资主治医师指导下各对一例符合纳入标准的患者进行腰硬联合麻醉操作。纳入标准：具有腰硬联合麻醉适应证、年龄≤65岁、BMI 18～25 kg/m2、ASA分级Ⅰ～Ⅱ级，签署知情同意书。排除标准：凝血功能障碍、腰椎结构变异或手术史、局部皮肤破溃感染、所用局部麻醉药物过敏、精神异常或交流障碍。所有医师和患者均取得知情同意。

患者入手术室后，常规建立上肢静脉输液通路，监测心率、无创血压及脉氧饱和度。确定腰3～腰4椎间隙后进行常规蛛网膜下腔穿刺及硬膜外腔置管。用摄像系统记录整个穿刺过程，记录学员主动与被动调整穿刺角度的次数、从穿刺开始到硬膜外针刺破黄韧带所需时间等，并由一名不了解分组情况的主治医师采用改良椎管内穿刺技能考核评分标准对视频的操作进行评分。见表1。

表1 改良椎管内穿刺技能考核评分

结果表明，与C组学员相比，S组学员的改良椎管内穿刺技能评分更高[（91.20±2.78）分vs.（86.70±2.87）分，P＜0.05）]。具体评分项目比较，S组学员能更好地摆放体位[（6.40±1.07）分vs.（5.00±0.67）分，P＜0.05）]，更熟练运用气泡压缩试验[（7.60±0.70）分vs.（6.00±0.67）分，P＜0.05）]，突破黄韧带项目得分更高[（7.80±0.79）分vs.（5.90±0.74）分，P＜0.05）。穿刺情况比较，S组学员主动调整穿刺方向的次数显著高于C组（2.0[1.2]vs.1.0[1.0]，P＜0.05），被动调整穿刺方向次数显著减少（1.0[1.0]vs.2.5[1.0]，P＜0.05），穿刺开始至突破黄韧带的时间显著缩短[（5.91±1.24）minvs.（8.66±1.19）min]，P＜0.05）。

3 讨论

麻醉学是一门临床实践性很强的学科，传统临床带教存在医疗风险高、学习效率低、带教师资少等问题[8]。虚拟仿真教学可弥补现有教学模式的部分不足之处，提高临床操作流程的培训效率。本研究针对临床技能培训的特点，将虚拟仿真教学和力反馈技术有机结合，形成视听触觉多模态虚拟仿真教学体系，让学员在多模态反馈下更快掌握操作技巧，提高培训效率。

3.1 虚拟仿真培训体系显著提高临床安全性 麻醉学综合操作技能多为高风险操作，操作不当可能导致非常严重的麻醉意外和并发症，虚拟仿真技术提供无风险环境，让学员在没有真实风险的情况下进行实践操作，提高其技能和经验[9]。在模拟复杂情景时，学员可以尝试不同的处理方式，并观察结果和各种反应，从而提高自身操作经验。以本研究椎管内穿刺与置管教学为例，毫无经验的医学生容易穿刺失败或引起脑脊液漏等并发症，让无经验的实习生操作无疑使患者处于危险境地；医学教育与临床安全之间存在较大矛盾。虚拟仿真教学体系逼真地模拟手术室和麻醉情境，根据临床操作步骤设置了相应的动作环节，使学员进行沉浸式操作步骤培训；并通过力反馈系统，模拟针尖穿刺皮下、棘上韧带、棘间韧带、黄韧带和硬膜时，以及穿刺针触及骨质表面时的阻力变化。学员通过感受不同过程的阻力变化，获得与真实临床椎管内穿刺操作相似的体验，避免了临床风险。

3.2 虚拟仿真培训体系提升临床技能培训效率 目前多数虚拟仿真平台只能提供视觉和听觉的模拟情境，无法提供触觉反馈，对于流程的熟悉具有一定效果[10]。但对于技能操作培训而言，触觉反馈是必不可少的内容。本研究融合视听触觉反馈，形成多模态教学体系，学员可获得近乎真实的感觉体验；操作失误时，也可获得相应的感觉反馈。穿刺结束后，学员可点击各层次按钮学习解剖位置和形态，有助于学习复盘和操作失误原因判断，加深解剖印象。本研究通过临床试验的方式，评估传统临床模拟教学和多模态虚拟仿真教学对学习效果的影响。S组在体位摆放、气泡压缩和黄韧带穿刺方面的得分显著高于C组，说明虚拟仿真体系可促进学员的流程学习，避免了关键步骤的遗漏。此外，穿刺情况而言，S组学员穿刺方向主动调整次数显著高于C组，而从穿刺开始至黄韧带突破的时间显著缩短，说明S组学员已学会在实践中根据阻力变化或其他真实反馈进行主动调整，提高了学习效率。触觉反馈是麻醉临床技能培训的关键因素，视听触觉多模态教学体系能提供更真实有效的培训反馈，促进学员对学习过程的思考与验证。

3.3 虚拟仿真培训体系助力标准化病例库建设 丰富的临床案例是临床技能培训质量的关键因素之一。招募并培训标准化患者需要大量的经费和精力支持[11]。而虚拟仿真教学体系可以模拟常规手术室场景，也可以复现真实特殊案例和医疗情境，可节约医疗教育成本。培训讲师利用虚拟仿真教学平台，有规划有层次地给不同阶段学员提供丰富的培训机会，教学方法更为科学。同时，标准化案例库的建设，可为教学效果评估提供考核素材和同质化评判标准；特殊案例的建设更是有助于教学效果的多站式考核。此外，虚拟仿真教学体系不受时间和师资数量的限制，学员可以根据自己需要进行登录使用，反复训练，从而提高培训效果。

综上所述，虚拟仿真技术已经广泛应用到医学教育中，本研究在该基础上融合了力反馈技术，形成视听触觉多模态虚拟仿真体系，显著提高了麻醉临床技能培训的效率和效果。今后，我们将继续探索多模态虚拟仿真体系基础上的翻转课堂及PBL教学改革，以培养医学生的综合实践能力和创新能力。