辅助生殖技术中胚胎冷冻与复苏虚拟仿真实验项目的思考

王 道 陈建林

中南大学湘雅二医院妇产科,湖南省长沙市 410011

在互联网和人工智能迅速发展的时代,人们的日常生活发生了翻天覆地的变化,其中最重要的变化之一就是高校教学资源的信息化,引领未来实验教学改革的新的重要方向[1]。近几年,欧美等发达国家的医学院校都将虚拟仿真实验技术应用在临床实验教学上[2],着力打造统一管理的虚拟仿真医疗平台,将临床和实践有机结合,变革教学管理模式,建立资源使用率高、课程兼容性强的多学科的实验平台。

据统计我国现有5 000～7 000万例不孕不育患者,生殖医学中心的需求数量也在相应地增加,尤其是辅助生殖实验技术人员的缺口日益增大[3]。辅助生殖实验室是生殖医学中心的核心,需要人员具备扎实过硬的辅助生殖实验室操作技能。因为技术人员的操作技能差或者操作失误可以严重影响到配子及胚胎的结局,特别是胚胎冷冻与复苏技术,操作难度比一般的基础实验大。对于医学本科生来说,很难有机会进入实验室观摩实际操作,更不可能亲自操作人类胚胎及配子。同时,胚胎实验室的贵重仪器精密度高,对操作环境要求也很严格。这些问题都大大限制了实验教学,达不到理想的教学效果。因此,建立胚胎冷冻与复苏虚拟仿真实验具有重要意义,特别是对于辅助生殖临床上高风险、高成本、高难度的手术项目,或者是难以进入辅助生殖实验室亲手操作的实验,虚拟仿真实验不受限制,虚实结合,基础加临床,让学生在虚拟环境下参与实验操作,了解辅助生殖技术理论和实践治疗不孕症的方法。

1 虚拟仿真实验具备的优势

1.1 虚拟仿真实验能创造逼真环境,提高用户体验感 虚拟仿真技术能够通过计算机模拟一个人体生殖系统的模型,让本科生更直观了解生殖系统的构造和功能,还可以融合VR(Virtual Reality)、MR(Mixed Reality)等技术[4-5],比传统线下课堂教学生动有趣。并且,学生还能够进行数字人体解剖,提高自主性,使用高质量的学习资源库,不限时间和地点反复学习。在实际操作人类胚胎冷冻和复苏之前,辅助生殖技术新手可以借助虚拟仿真技术,在显示器上重复地练习和模拟操作过程,提高技术的熟练程度。

1.2 虚拟仿真实验能增强安全性,防范医疗风险 虚拟仿真实验技术的应用为辅助生殖技术等特殊专业的医学技能训练创造了基本条件,学生掌握了相关理论知识点后能够在虚拟场景中反复练习,避免以无技能或者低技能状态进入临床学习,降低了未来在真实医疗实践过程中可能出现的安全、质量和伦理风险。生殖科医师也能够沉浸在虚拟场景中,进行各种复杂或者特殊手术的实际操作,体验并学习如何应对临床手术中的各类突发情况。不但节约了培训医务人员的成本和时间,而且使非熟练人员进行手术的风险大大降低。对改善不同地域医疗手术水平发展不平衡的现状有着重大意义。

1.3 虚拟仿真实验能寓教于乐、寓教于行 虚拟仿真实验教学成了医学教育领域里最主要的教学方式。本科生不再受限于传统课堂的空间和时间,能够利用空闲时间和任意地点,按照角色扮演游戏的攻关式的操作指引,完成了只有在真实环境下才具备的操作流程。这种虚拟仿真实验教学模式既巩固了所学知识,又加深了记忆,还紧密结合了理论与实践。所有的训练与学习都充满了快乐,很受医学师生们的欢迎。虚拟仿真平台是真正能够达到跨区域、无时限、多角度、高效率的教学与训练工具。

2 虚拟仿真实验项目的建设

2.1 实验内容 由实验目的、实验原理、实验方法等组成,以一对不孕不育症患者夫妇的门诊就医过程为线索展开,简要介绍了国内面临的不孕不育的人群现状,辅助生殖技术的机遇和挑战。实验目的以治疗患者不孕不育的问题为中心,指导学生了解胚胎冷冻发展历史、学习低温生物学基本原理以及冷冻保护剂类型,帮助学生快速掌握玻璃化冷冻胚胎技术和胚胎复苏技术。实验原理通过动画视频生动形象地呈现胚胎发育、冷冻胚胎、复苏胚胎等过程。实验内容包括实验操作视频和虚拟实验操作部分。实验操作视频包括小鼠胚胎的体外受精、受精卵的培养;虚拟实验操作包括胚胎玻璃化冷冻、胚胎复苏。

2.1.1 实验目的。通过虚拟演示和操作掌握辅助生殖基本理论知识,包括胚胎发育过程、卵裂期的胚胎评分标准、玻璃化冷冻和复苏基本原理等;通过观看视频和虚拟互动掌握玻璃化冷冻胚胎技术和解冻胚胎技术;培训学生辅助生殖技术的实际操作能力,具备娴熟和精湛的技艺,拥有良好的心理素质。

2.1.2 实验原理。首先建立小鼠促排卵—体外受精动物模型,实验以6～8周SPF级昆明小鼠为材料,皮下或者腹腔注射PMSG 5～10IU,48～50h后再通过皮下或者腹腔注射hCG诱导LH峰出现并诱导排卵,然后在雌鼠的输卵管壶腹部捡出成熟卵母细胞。取雄性小鼠附睾及输精管中挤出精液,得到成熟的精子,通过常规IVF进行体外受精,获取到受精卵。然后观察评估胚胎,第3天选择性冷冻,择期复苏进行移植。

2.1.3 实验方法。学生首先需要注册学号姓名,输入账号和密码后就可以登录进入本项目平台。第一次登陆学习,建议先通过病例背景部分了解本实验的男女双方患者基本情况包括既往史和现病史等。然后,根据平台指引播放动画视频,掌握实验原理。再播放实际操作视频预习即将进入的实验操作流程,观看完成之后才可以进入正式的虚拟仿真实验实训模块。学生能够自主依据本学期课程教学进度选择适当的上课时间。最后,学生在线提交生成实验报告,教师在线及时查阅学生的客观题考核结果和实验报告,统计整个课程学生的学习成绩情况,线下及时跟踪学生学习效果,及时得到反馈,有利于调整实验的进度和深度,完善虚拟仿真实验内容。

2.2 实验项目教学方法

2.2.1 以多学科交叉为特色的实验教学法。辅助生殖技术人员必须掌握好生物学、物理学、化学、气象学、统计学、计算机等丰富学科知识以及拥有良好的心理素质。老式传统的实验教学方法已经很难适应当今信息时代的需要。随着人工智能等高新技术的发展和普及,极大地加速了生殖医学与其他各学科之间的交叉和渗透,传统意义上的学科之间的边界越来越模糊和淡化[6-7]。未来培养新的复合型人才就应该具备一定的跨学科、跨专业、复合型的知识结构,掌握科学的思维方式、具备解决复杂问题的方法以及终身学习的能力。

2.2.2 以临床病例为引导的实验教学法。以不孕症患者病例为导向的实验教学方法,详细介绍了不孕症的定义、病因、诊断和治疗手段以及辅助生殖技术的应用等核心内容,使学生对这个较为陌生的邻域有所认知和了解,激发了学生对生殖医学的兴趣,使课本上生硬枯燥的知识跃然纸上,让每个学生从被动听变为主动做,从被动思考变为主动想。而传统课堂教师教学只能生硬地以板书或者幻灯片展示辅助生殖技术的理论,学生依旧缺乏实际操作的经验,毕业之后不能进入胚胎实验室操作。

2.2.3 以线上加线下的混合式实验教学法。借助线上线下混合式教学资源,可以把学生的学习由浅入深地引向深度学习,充分给予学生充足的学习时间,尽可能让每个学生都能带着预备扎实的知识理论进入教师面对面的线下课堂,让师生之间的沟通效率更高[8]。特别是针对虚拟仿真胚胎冷冻和复苏的操作中需要注意的细节如在不同液体中浸入时间是多久、吹吸多少次、装载在载杠上的液滴大小等实际问题。这种混合式实验教学法让学生能够积极思考,多提出难度比较大的问题,教师也相应对实际操作的薄弱环节进行有力补充。

3 虚拟仿真实验存在的缺点

3.1 虚拟仿真实验的维护时间成本不足 教育部2018年发布《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设的工作的通知》,双一流高等院校都在建设各个重点学科的虚拟仿真实验项目。通常这些项目需要高校投入一定数额的启动资金,耗费一定的时间建成所需学科的实验项目。虚拟平台运行一段时间后,开发和维护实验项目的工作量是巨大的,比如硬件和软件的迭代更新或者运行期间不断的改进设计方案。这就需要国家相关部门出台机制来激励、保障教师和学校对虚拟实验项目的可持续性投入。否则,一些实验项目很可能在几年之后就因为资金和时间上的支持不足而成了摆设,偏离了设置虚拟平台的初衷,也浪费了教师的精力和时间,得不偿失。

3.2 虚拟仿真实验的硬件设备尚不成熟 虚拟仿真实验项目使用到的显示设备除了最常见的电脑显示器外,还可以选配的其他高端显示设备,主要包括VR、AR、MR等终端,还包括移动终端、三维桌面终端。但是,绝大多数用户还是以鼠标作为主要交互方式。因为头戴VR在使用一段时间后,部分用户会感觉头昏、恶心甚至呕吐;其次,头戴VR佩戴舒适度不佳,厂家生产成本费用高,售价达数千元,过高的价格和舒适感不好限制了该设备在高校的普及。只有头戴VR、触控手套的生产成本降低,特别是索尼等品牌全能一体机的上市,才能提高使用普及率。

3.3 虚拟仿真实验存在共享困难 大多数高校所采用的虚拟仿真实验平台数据接口没有统一的标准,造成虚拟仿真实验资源和学校教学管理平台互相不兼容,影响了虚拟仿真实验资源的共享和应用,阻碍了大规模数据的共享[9]。另外,针对高校都开设的基础通用实验,高校之间可以通过虚拟大教室的形式展开联合教学,这对高校的专属服务器的网络稳定性和网络安全性提出了更高的要求[10]。学校需要配备专门人员24h对网络攻击等进行排查和维护,日常管理难度日益增加。近年来兴起的第三方设备市场,由于厂家采用的系统架构不同即产品的系统开发标准不同,导致不同设备建设的虚拟仿真实验兼容性差,不便于优势资源的共享。

4 小结

在新冠疫情流行的大背景下,辅助生殖实验室由于实验条件、仪器设备和准入门槛等因素的限制,辅助生殖操作技术无法开展现场教学。因此,虚拟仿真实验的建设和实施,有效弥补了常规教学中的不足,减少了实验教学中临床实验标本的投入[11-12]。虚拟仿真实验充分突出了实操性强、风险低、效率高等特征,重点突出以学生实操为主,得到广大师生的一致认可[13-15]。同时,贯彻了新冠疫情防控期间的高校教学要求“停课不停教、停课不停学”,反映了国内高校为适应新技术革命变化所做的不懈努力和取得的显著成效。