基于虚拟仿真系统的精准放疗技术实践教学探索研究——以福建医科大学为例

陈 君，郭飞宝，郭 翌，邱玲娜，蓝林臻，柳炫宇，郑厚兵

（福建医科大学附属第一医院，福建 福州 350005；福建医科大学附属第一医院滨海院区国家区域医疗中心，福建 福州 350212）

随着放射治疗技术的不断涌现，放射治疗逐步进入精准放疗时代。放射治疗学是影像技术学、人体解剖学和放射物理学等多学科知识结合的学科，放射治疗学作为福建医科大学四年制医学影像技术专业的必修课程，学生除了要学习放射物理学、放射生物学的基本理论知识及恶性肿瘤的基本治疗手段外，还要掌握先进的放疗技术。然而临床实践教学存在开展难度大、时间有限等问题，传统带教方式无法满足学生学习需求。

近年来，虚拟现实、增强现实、混合现实、拓展现实等技术被广泛应用于医学教育领域，这一类沉浸式教学手段能高度还原实验场景，无需昂贵的硬件设备，具有极大的应用潜力[1-3]。为提升我国虚拟现实产业核心技术与各行业的融合发展，2022年，工业和信息化部、教育部等五部门印发《虚拟现实与行业应用融合发展行动计划（2022—2026年）》，提出在中小学校、高等教育、职业学校建设一批虚拟现实课堂、教研室、实验室与虚拟仿真实训基地。尽管VR 等技术已被应用于外科手术，然而在放疗尤其是在先进放疗技术方面仍处于探索阶段[4-7]。针对放射治疗学中X 刀等先进放疗技术难以开展实践教学的问题，提出了搭建精准放疗虚拟仿真教学平台，旨在提供系统且个性化的教学实践方式，以培养学生独立思考的能力及勇于探索的精神。

1 放射治疗学实践教学困境

放射治疗学是一门理论与临床实践相结合的课程，要求学生通过临床实践掌握放疗技术，但在临床实践教学中存在以下问题。

1.1 学生临床实践机会少，难以完全掌握放疗技术原理及实践方法

目前放射治疗学课程教学主要以理论授课为主、临床实践为辅。由于临床科室肿瘤患者数量较多，相关的仪器设备如直线加速器等长时间维持高负荷运转状态，难以有空机时间，导致学生临床实践机会较少，学生多数时间仅能通过课本或幻灯片学习放疗技术理论知识，难以掌握这些技术的原理及实践方法。

1.2 学生临床实践仅能进行简单的指令操作，缺乏实操经验

直线加速器等设备价格昂贵、维修成本高，特别是开展X刀的高端设备，如福建医科大学附属第一医院的直线加速器Infinity 等。由于直线加速器实践操作较复杂，一旦出现人为操作失误引起设备故障将会导致设备停机检修，严重影响患者的治疗，因此这些设备无法对学生完全开放，学生在进行实践时仅能进行一些简单的指令操作，大多数时间只能观看带教教师的操作讲解，导致学生缺乏实操经验。

1.3 临床实践教学缺乏一对一个性化教学

临床实践教学多是以“一带多”的形式开展，医院科室环境较嘈杂，带教教师无法开展一对一个性化的实践教学指导[8-9]，因此，如何让学生将理论知识灵活应用于多样化场景中，培养其独立分析及解决问题的能力值得思考。

2 基于虚拟仿真系统的精准放疗技术实践教学模式探索

2.1 精准放疗技术虚拟仿真系统的建设

虚拟仿真系统基于3D 创作引擎进行开发，系统的主要组成结构：（1）实验介绍：该模块为学生提供实验流程引导信息，在实验开始前向学生介绍实验目的、实验背景、实验仪器设备等，让学生对实验内容有全面的了解。（2）治疗实施：该模块根据实际放疗流程分为患者复位与患者治疗两部分，学生根据学习任务完成相应的实验步骤。（3）实验考查：预先设置客观题库，学生在完成患者治疗部分后，系统将随机从题库中抽取题目对学生进行考查，使学生进一步巩固所学知识；学生记录实验报告、自主学习报告及心得体会，并梳理知识点。（4）后台管理：该模块包括学生管理、题库管理、成绩管理、数据统计分析等部分。其中题库管理、成绩管理、数据统计分析部分主要针对带教教师，方便其统计分析学生学习情况，以提高学生学习效率。此外，精准放疗技术虚拟仿真系统还设置了人机交互功能。区别于传统的动画与图片演示，学生通过精准放疗技术虚拟仿真系统能操作直线加速器等昂贵设备，并能通过实时的系统反馈信息及时改正错误操作，达到模拟实践的目的。人机交互功能主要包括问答交互、场景交互、模型交互等，学生不仅可在虚拟放疗机房中进行实践，还可以操作仪器完成实验任务，在实践过程中进一步巩固知识点。

2.2 基于虚拟仿真系统的教学模式

采用翻转课堂、团队讨论、案例式分析、场景模拟等教学法，将课堂授课及课后实践相结合，构建理论与实践结合、线上与线下结合的教学模式[10-11]（见图1）。学生通过课堂学习知识及课外观看相关视频资料等方式为临床实践打下理论基础，在掌握基本内容后，学生划分团队，以小组为单位分析讨论临床病例。在虚拟仿真系统中构建临床模拟场景，学生在课后能随时随地进行实验操作，并能根据学习情况与进度在课堂上跟带教教师交流讨论遇到的难点。

图1 基于虚拟仿真系统的教学模式Figure 1 Teaching mode based on virtual simulation system

3 基于虚拟仿真系统的精准放疗技术实践教学模式实施效果评价

选取2019 级福建医科大学四年制医学影像技术专业学生为实验组，共50 名，采用课堂授课结合虚拟仿真系统模拟实践方式进行教学。选取2018 级影像技术专业学生为对照组，共55名，课堂授课方式与实验组一致，临床实践方式为传统实践方法。

3.1 教学实施：理论学习与虚拟实践并行

（1）虚拟仿真实践前理论预习。在虚拟仿真实践前1～2 周，带教教师布置实践任务，并上传虚拟仿真系统操作说明文档及使用视频。学生预先观看视频内容并结合课本知识了解实践目标、实践方法和实践设备等。通过预习，学生可以巩固理论知识，了解虚拟仿真系统的基本操作，为下一步实践做好准备。在虚拟仿真实践时，虚拟仿真系统会为学生提供实验相关的知识及要点，有助于学生在实践中提高学习效率。

（2）虚拟仿真实践中知识点巩固。学生在实践过程中，需要回答虚拟仿真系统中对话框内的内容，选择正确的问题答案才能进行下一步操作，这不仅有助于学生学以致用，将课本知识与实际操作相结合，还能在遇到困难时帮助学生完成当前步骤，达到巩固知识点的目的。

（3）虚拟仿真实践后要点回顾。虚拟仿真系统会梳理总结学生操作错误的地方，学生可根据总结寻找自己的知识点盲区，及时查缺补漏，提高学习能力。此外学生需要在实验结束后填写实验报告，有助于学生巩固知识。在完成虚拟仿真实践后的下一次课堂教学中，带教教师收集学生存在的问题进行讨论。

3.2 教学效果评价：通过考核和问卷调查的形式进行评价

（1）考核成绩。对比分析实验组与对照组期末成绩，其中期末成绩由40%的理论成绩和60%的实践成绩组成。实验组理论成绩、实践成绩均高于对照组（见表1），说明基于虚拟仿真系统的实践教学不仅能解决学生在临床实践中遇到的问题，提高学生考核成绩，还有助于学生在实践过程中加深对理论知识的理解，达到理论与实践相辅相成的目的。

表1 两组学生考核成绩比较Table 1 Comparison of assessment results between two groups of students

（2）问卷调查。向实验组发放调查问卷，回收有效问卷50份，有效回收率为100.0%。问卷内容包括对虚拟仿真系统的评价、对教学模式的评价、对虚拟仿真系统的改进意见。每个部分内容又分为若干个问题，每个问题的选项包括十分同意、比较同意、一般、比较不同意、十分不同意。问卷调查结果见表2，大多数学生对虚拟仿真系统和教学模式的评价较好，认为基于虚拟仿真系统的实践教学可代替传统实践教学；在选择比较不同意与十分不同意的学生中，大多数认为基于虚拟仿真系统的实践教学还存在以下几个问题：①虚拟仿真系统功能缺失或不完善，无法完全模拟真正的临床实践过程；②系统使用过程存在问题，运行不流畅，指令操作不方便；③缺乏带教教师的指导，难以独立完成实验，需要在实验过程中向带教教师寻求帮助。

表2 基于虚拟仿真系统的精准放疗技术实践教学模式问卷调查结果单位：人Table 2 Questionnaire survey results of Precision Radiotherapy Technology Practical Teaching Mode Based on Virtual Simulation System Unit：people

4 基于虚拟仿真系统的放疗技术实践教学模式改进措施

4.1 加强虚拟仿真系统建设

基于虚拟仿真技术的精准放射技术实践教学目前仍处于探索状态，不少学者研究了虚拟仿真教学在学生培养中的作用[12-13]。Raith 等[14]采用微软HoloLens 头戴式显示器开发了虚拟现实教育工具，用于肿瘤患者教育及学生实践培训，结果表明开发的虚拟现实教育工具很好地补充了传统教学模式，激发了学生学习兴趣[15]。为进一步提高虚拟仿真教学系统的应用价值，需加强虚拟仿真系统功能的开发。目前虚拟仿真系统仅开放了X 刀模式下的直线加速器精准放疗技术实验，然而放射治疗学课程临床实践还包括了肿瘤定位、放疗计划设计及直线加速器设备质量控制等。为了达到理论与临床相结合的目的，需完善系统功能，进一步激发学生学习兴趣，提高放射治疗学课程教学质量。

4.2 发挥带教教师的指导作用

虚拟仿真系统为学生提供了交互的虚拟环境，学生在实践过程中需要独立探索，结合理论知识进行实践操作[16]。尽管虚拟仿真系统可提示当前操作步骤及后续内容，然而学生碰到一些疑难点时无法独立进入下一个环节，导致其需要退出虚拟仿真系统，梳理实验流程后重新进入系统从头开始练习，严重影响了学生学习效率及学习热情。问卷调查结果也反映了学生在实践过程中因为操作不熟悉等原因需要退出系统重新开始实验的问题，因此，需要发挥带教教师的指导作用。在虚拟仿真系统中，学生进行实验时，带教教师要实时了解学生实验进度，当学生遇到无法解决的问题时，带教教师能及时对学生进行指导，实现个性化带教。

4.3 学生加强信息反馈

提升虚拟仿真系统的使用体验感及完善系统功能，离不开学生的意见反馈。不少学者认为学生是虚拟仿真教学的主体，要注重激发学生的主观能动性，提升其认知能力[17-18]。因此收集学生的反馈信息，灵活调整虚拟仿真系统中的实验内容、实验难度，这对提升学生的学习积极性及学习能力具有重要作用。