虚拟仿真技术在椎管内麻醉本科生实习带教中的应用分析

卢伊芝 何芳 陈燕桦 陈静 谢玉波

摘 要：椎管内麻醉是一种广泛应用于临床手术的麻醉方法，但由于其操作的复杂性和风险性，本科生在实习过程中缺乏充分的学习训练。随着计算机技术的发展，虚拟仿真技术在教学领域的应用越来越广泛，尤其是在医学教育领域。本文旨在综述虚拟仿真技术在椎管内麻醉本科生实习带教中的应用分析，提高学生的学习能力和教学效果。

关键词：虚拟仿真技术；椎管内麻醉；本科生；实习带教

椎管内麻醉是一种广泛应用于外科手术患者的区域麻醉方式，但由于其解剖结构的重要性、复杂性和操作过程的风险性，本科生在实习过程中缺乏充分的学习和虚拟训练。虚拟仿真技术是20世纪末发展起来的一种利用计算机科学、图像处理、传感器反馈等信息技术虚拟真实世界环境或事物的新型技术［1］。虚拟仿真技术在医学教育领域具有独特优势，近年来随着医学教育的不断发展，其应用越来越广泛。本文旨在综述虚拟仿真技术在椎管内麻醉教学中的应用及分析，探讨增强本科生实习教学效果、提高本科生操作能力的教学模式。

1 本科实习生在麻醉教学中的角色特点

1.1 基础知识和技能掌握程度不一

本科实习生在麻醉学基础知识和技能方面尚在学习掌握中，掌握程度因人而异，教师需要在教学过程中考虑到不同学生的需求，有针对性地进行教学和指导。

1.2 临床经验较少，失误可能性高

大多数本科生在进入临床实习之前，主要通过课堂理论学习、临床见习来掌握麻醉知识和技能，教师需要在实习教学过程中帮助学生积累临床经验，了解手术室工作流程、麻醉操作步骤和问题应对措施，避免操作不当损害患者利益。

1.3 学习积极性和兴趣较高

对尚未熟悉的临床麻醉工作，他们通常充满好奇和热情，教师可以利用学生的这种积极性，引导他们深入学习和掌握麻醉学知识和技能。

1.4 需要适应角色转变，增强团队协作能力

本科生在麻醉教学中需要逐渐适应从学生到医生的角色转变，这需要学生具备更高的自我学习和实践能力外，还需要教师给予更多的指导和支持，培养他们与医生、护士和其他医务工作人员之间的协作能力。

2 椎管内麻醉教学的难点

2.1 操作技术要求高

在麻醉学专业，椎管内麻醉是学生必须学习和掌握并要求能安全、有效运用于手术病人的一项麻醉技术。由于阻滞靶点不可直观目视，其技术的成功实施更多依赖于对解剖学知识的熟悉和反复练习。在操作过程中，学生需要准确掌握椎管内麻醉穿刺点的选择、定位、进针角度和深度等，同时需要能够正确地判断和应对如穿刺失败、神经血管损伤等的突发情况。而且不同于全身麻醉，接受椎管内麻醉的手术患者意识处于清醒状态，而椎管内麻醉本身是有创性操作，不仅容易使患者产生不安情绪，还会给学生和教师带来巨大心理压力，特别是来自操作者对可能造成患者针刺伤、增加疼痛不适体验感、操作失败引发相关不良并发症等的担忧。

2.2 并发症较多

椎管内麻醉的并发症较多，轻的有低血压、恶心呕吐、呼吸抑制等不良反应，重的可能有脊髓损伤、截瘫等严重神经并发症，甚至发生全脊麻、心脏停搏等危及生命的风险，这些并发症会给患者带来一定的危害，加重给操作者带来的心理负担。在椎管内麻醉的教学过程中，教师需要注重讲解和强调并发症的预防方法和处理措施，让学生掌握如何正确规范地操作以避免各种并发症的发生，保障患者的麻醉安全。

2.3 现有超声可视化技术的局限性

尽管超声可视化技术的发展也可能为椎管内麻醉操作提供一定的便利，但超声可视化技术需要操作人员具备一定的超声专业知识和技能，如超声设备的操作技巧和超声图像的解读等。一方面需要提前对麻醉带教教师和学生都投入一定的时间和精力进行超声影像学基本知识的学习和培训，另一方面需要患者的积极配合。患者的身体条件和状况以及操作人员的技术都可能会影响超声图像的质量和清晰度，比如患者的体型胖瘦、脊柱畸形或有其他疾病影响脊柱结构，这给超声可视化技术在椎管内麻醉带教的应用带来一定的困难。带教过程中，如果带教教师技术不熟练或经验不足，也可能会影响教学效果。必须注意到的是，这依然是在真实清醒患者身上进行操作，师生的心理负担不会因为超声可视化技术的应用而减低，教学练习机会和效果也并不因此可以增多。

由此可见，椎管内麻醉技术要求较高，需要学生具备一定的实践经验和心理素质，对大多数学生来说学习和掌握这项技术是个不小的挑战。因此在教学过程中，学生们能实际实施椎管内麻醉的机会非常有限，对椎管内麻醉的操作流程和具体方法等缺乏客观详尽的认识。很显然传统的椎管内麻醉带教模式难以保证麻醉专业本科生实习教学的质量和效果。考虑到椎管内麻醉操作和教学具有如此高的风险性和复杂性，带教教师更需要借助优化的教学工具，创造理想的教学条件和以学习为导向的环境，让学生在真正的临床实践前有机会进行充分的学习和虚拟训练。

3 医学虚拟仿真教学的发展进程

鉴于临床技能学习培训的重要性，又要从不牺牲患者的利益、保证患者的安全角度出发，使用合适的教学工具模拟辅助教授临床實践课程以达到教学大纲设置的教学目标至关重要。这样的工具可以是人体塑料保真模型和其他有形的物体，也可以是允许模拟虚拟的计算机系统。前者材料相对简单，制作成本低易于组装和维护，学习者可以直接触诊、操作，常用于模拟复杂或危急的患者场景（比如心跳骤停等），培训年轻医师如何快速处理不常遇到的临床危机情况，但可能缺乏及时的反馈和指导；后者则由计算机设置生成环境（比如二维或者三维显示的手术环境），实现解剖的可视化以及人与场景的实时交互等［2］。

早在20世纪60、70年代，始于解决计算机如何应用于医学教育的问题，来自教育、医学、工程和计算机科学等广泛领域的不同学科代表共同开发了拥有呼吸、脉搏等功能的计算机控制的虚拟病人，并将虚拟病人成功应用于向医学生/住院医师传授临床技能操作［3］。这是虚拟仿真技术应用于医学教育的起步阶段和高保真仿真阶段。随着90年代计算机技术的崛起，虚拟仿真在医学教育中得到更广泛的应用，通过引入计算机程序来模拟临床情境，如虚拟患者和虚拟手术。21世纪初虚拟现实（VR）和增强现实（AR）的兴起和引入使得医学学习能够具有沉浸式和交互式的特点，比如使用头戴式显示器等设备进行虚拟手术操作可提供更真实的感觉和体验。随着工程学和计算机技术的发展，虚拟仿真技术除了三维视觉成像外，还能整合触觉、听觉等感官反馈输出模式，通过及时提供多种感官虚拟反馈使虚拟系统与用户的感觉运动系统融合，注重真实感还原和细节体现，增强其虚拟现实医学场景的能力，为学生提供更接近临床实践的学习体验。此外，虚拟现实系统是在计算机硬件和软件的基础上设计的，因此可以提供清晰、可重复的虚拟场景，研究人员通过这种方式设计某些诸如医学教育、康复训练等需要重复的场景［4］。近年来，通过虚拟现实技术开发的基于虚拟的医学培训工具有所增加，这些技术进一步改进硬件设备提供具有实时交互的三维虚拟环境，特别是加强图形处理能力和细节显示，增强沉浸感和真实感，从而准确地重现医疗培训过程中众多必不可少的任务环节。同时更加注重个体化学习和评估，通过智能化的学习系统和大数据分析来帮助学习者更好地练习操作技能。

4 虚拟仿真技术应用于椎管内麻醉教学的优势

4.1 提供高度逼真的虚拟环境

虚拟仿真技术可以创建一个高度逼真的、多样化的虚拟环境/场景，虚拟椎管内麻醉的操作过程和操作技巧。学生可以在虚拟环境中更好地了解手术室的环境、人员配置等实际情况，熟悉手术前的麻醉准备和手术步骤等操作流程。从简单的基础操作到复杂的手术麻醉病例虚拟，学习者仿佛置身于真实的手術室现场，提高学习的沉浸感和趣味性。这极大地促进教学和临床的衔接，缩短学校和医院的距离。

4.2 操作安全，无风险

椎管内麻醉相关解剖结构复杂，操作靶点位于人体重要神经轴，虚拟仿真技术可以避免学生在实际操作中因操作不当或失误而带来伦理风险。学生在虚拟环境中进行虚拟训练，不会对患者造成任何伤害，同时也可以帮助学生树立信心和安全感，提高动手练习的积极性，从而更好地掌握实践操作技能。

4.3 提供个性化教学

虚拟仿真技术可以根据学生的实际情况和需求进行个性化的教学。学生可以根据自己的学习进度和操作水平进行虚拟训练，更有针对性地自主选择需要加强的环节和技巧练习，无须担心教学实践过程中遇到需重点讲解的知识点或重要风险提示时中断操作引起患者反感和不适。

4.4 及时反馈和评估

虚拟仿真技术可以及时给出客观的椎管内穿刺学习记录、反馈和评估，帮助学生更好地了解自己的学习进度、操作水平和反应能力，同时也帮助教师及时发现教学问题，调整教学策略，提高教学效果。在这个过程中也可为不同层次学生提供统一的教学体系和评价标准，实现了教学资源共享的一致性和公平性。

4.5 具有灵活性和可重复性

学生可以打破时间和空间的限制，在不同的时间和地点进行虚拟椎管内穿刺训练，并且可根据及时的虚拟反馈和自己的需求多次重复练习，方便学生随时巩固和复习所学知识，大大减少临床教学过程中暴露于不安全操作环境中的患者人次和风险。

4.6 加强团队协作训练和思政教育

学生可以在案例分析等情境虚拟环境中更好地了解彼此的工作角色和职责，意识到自己是一个致力于为病人提供围术期安全保障团队中的关键成员，体会病人的痛苦和椎管内麻醉操作和手术的复杂性，在虚拟中进行团队协作和沟通训练，提高团队合作能力和沟通能力，为将来胜任临床工作做好准备。

5 借助虚拟仿真技术实现本科生椎管内麻醉实习教学

5.1 需要建立虚拟仿真实验室

先要建立包括椎管内麻醉在内的虚拟手术麻醉仿真实训系统，配置头戴式VR设备等虚拟设备和相应的模拟麻醉机、模拟监护仪、模拟穿刺针等设备，发展具有虚拟现实操作技术的师资队伍，配备相应的计算机软件、硬件和辅助工作人员，为保证虚拟现实教学能顺利组织、协调、开展和实施保驾护航。

5.2 理论授课是基础

在带教过程中，可以先进行理论授课。虽然本科实习生已经掌握了一定的基础理论知识，但在训练前可先简单复习椎管内麻醉的相关解剖知识和生理知识，巩固知识理论体系；复习椎管内麻醉的原理、适应证和禁忌证、操作流程和注意事项等。

5.3 虚拟环境设计是辅助

开发或选择适用于椎管内麻醉教学的虚拟环境，包括手术室场景、患者解剖结构、操作工具等。确保虚拟环境具有足够的真实感，以提高学生的沉浸感和学习体验。

5.4 虚拟仿真操作是重点

在理论授课的基础上，教师先借助虚拟仿真系统将椎管内麻醉的整个过程进行清晰明了的演示，着重说明各个环节应该注意的重要事项。学生随后进行多次、反复的虚拟仿真操作（包括在虚拟实训系统中进行心电监护、人文关怀、体位准备、解剖辨认、逐层穿刺、置管、注药等操作），这个过程可以采用小组合作、相互考核等形式，达到交流学习、团结协作的目的［5］。虚拟仿真系统还可调节难度和复杂度，以适应不同学生的学习水平。教学重心从传统的以教师为主导的“填鸭式”教学模式逐渐转变为以学生为主导的自主学习练习模式。

5.5 实时反馈和评估是评价体系

集成实时反馈系统，为学生提供操作的准确性、速度和效果等方面的即时反馈。设计评估工具，定期对学生进行综合评估，以便了解他们的进步和发现需要改进的方面。在虚拟仿真操作过程中，教师根据实训系统的实时反馈帮助学生了解自己的操作水平并及时答疑解惑。

5.6 虚拟实训后及时总结反思

在每一次虚拟仿真实训结束后，让学生进行自我总结反思，总结不足和经验教训，随后教师指明问题所在并提出改进意见。教师根据练习效果也可以进一步设置切合临床实际的突发情况，训练学生的危机应变能力，巩固所学技能知识，更有效地应对下一次复杂情境的虚拟仿真实训。

5.7 设置个性化学习路径

根据学生的水平和进度调整教学内容和难度，设置个性化学习路径提供额外的学习资源，以支持对椎管内麻醉相关知识的深入学习。

6 虚拟仿真技术在椎管内麻醉教学中的应用现状和展望

虚拟仿真技术在医学教学领域中的应用在国内外范围已逐渐普及［68］，包括在椎管内麻醉教学中的应用。不仅美国哈佛医学院等国际知名学府将虚拟仿真技术应用于椎管内麻醉教学领域，美国麻醉医师协会和欧洲麻醉医师协会等国际知名医学学术组织也积极推广和应用虚拟仿真技术，以帮助医生和医学生通过虚拟设备操作观察和分析穿刺过程中的各种情况，提高椎管内麻醉的实践技能和教育培训质量。在国内，包括中国医科大学、上海交通大学医学院在内的多个大型医学教育机构/医院也逐步引入和完善虚拟仿真技术，开展了椎管内麻醉的虚拟教学。最近，福建医科大学开发了一个融合虚拟现实技术和触觉反馈技术的腰椎—硬膜外联合麻醉的虚拟平台，该平台提供了精确的腰椎三维解剖模型，并结合了与不同组织深度相对应的真实触觉反馈系统，在安全的手术环境下全面虚拟脊柱—硬膜外联合麻醉过程。利用该平台对麻醉专业实习生进行的初步虚拟教学研究结果显示超过绝大半数的实习生对虚拟平台表示满意，认为该平台可重复性强，提高了他们对解剖结构的认识，可在虚拟病人上有效掌握基本、精准的穿刺技能［9］。

结语

总的来说，虚拟仿真技术能够为学生提供高度真实的、安全的虚拟环境和解剖模型，减少对真实患者的依赖和操作风险，帮助学生提高练习的积极性和自主学习操作能力，更好地掌握椎管内麻醉的操作手法和技巧，提高教学质量和效果，在国内外椎管内麻醉教学中的应用得到了广泛的认可和推广。尽管虚拟仿真仍存在不能完全替代真人操作的局限性，但随着计算机技术的不断进步和结合真实、虚拟、感官反馈等不同元素的混合系统的相继开发，虚拟仿真技术在椎管内麻醉教学中的应用能力和效果也将不断得到完善和提升，弥补传统教学模式的不足。

参考文献：

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［3］Denson JS，Abrahamson S.A computercontrolled patient simulator［J］.JAMA，1969，208（3）：504508.

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