三维虚拟仿真实验室在肿瘤放疗教学中的应用探讨

徐少杰¹， 彭 纲² ， 张 盛²， 胡建莉² ，  杨盛力²  

1华中科技大学 同济医学院第一临床学院，湖北武汉430022；

2华中科技大学 同济医学院附属协和医院肿瘤中心，湖北武汉430022

[摘  要]随着近年来现代科技的迅速发展与普及，国内高校的课堂、实验教学等均朝着信息化、智能化与互动化的方向发展，因此，虚拟仿真技术如何更广泛的应用于高校实验课得到了广泛的重视。肿瘤放射治疗作为一门需要将理论与实践紧密联系的学科，以放射物理学、放射生物学、医学影像学以及解剖学等学科作为基础，在学习的过程中不仅需要掌握理论知识基础，更要注重动手实践能力的培养。三维虚拟仿真实验室能够很大程度上地推动实验教学改革，加快实验教学的信息化建设，能够十分高效的提高医学实验教学效率。本文将结合三维虚拟仿真实验室在肿瘤放疗教学中的应用，探析虚拟仿真实验室的建设及在肿瘤放疗教学中的效果。

[关键词]三维虚拟仿真实验室；肿瘤放疗；实验教学

[基金项目]2020年华中科技大学产学合作协同育人项目：仿真实验室教学在肿瘤教学中的应用（编号：202002196010）。

[作者简介]徐少杰（1999-），男，河南漯河市人，五年制本科生，学士，华中科技大学同济医学院第一临床学院，在读本科生，主要从事教学相关研究；杨盛力（1982-），男，湖北黄梅人，博士，华中科技大学同济医学院附属协和医院肿瘤中心主治医师(通讯作者)，主要从事肿瘤学研究。

[中图分类号]G644    [文献标识码]A  

一、概述

近些年，在西方发达国家的科技、工业、交通、航空等领域，三维虚拟仿真技术得到相当大的重视^[1]。目前，三维虚拟仿真技术已经广泛应用于各种行业，包括教育行业中的教学培训及实践实训、军事领域内的训练及演习、销售行业内的产品宣传介绍及试用等各方面^[2]。尽管如此，该技术在教育行业的应用仍仅限于教育组织的自发使用，并未形成系统的、完善的、能够自主循环的应用系统，尤其是在高校教育与高等职业培训等方面的应用，存在着相当大的缺陷^[3]。因此，如何将三维虚拟仿真技术更加完善地应用在高校教育与高等职业培训中是具有重要意义和价值的问题。

虚拟仿真实验室^[4]（The virtual/simulation laboratory，VL）是虚拟现实技术的重要载体，主要是指依托各个计算机系统，以构建不同的虚拟实验环境为目的，使用虚拟仿真技术的集合构建接近真实的实验环境，使实验者能够完成预定的实验内容。建设医学虚拟仿真实验室首先应以学生作为主导进行虚拟实验操作，再根据虚拟实验操作的熟练程度决定是否可以进入后续的实际操作，如此不仅能够大大提高实验效率，同时节约了可能因不熟练而造成的资源浪费，其优势明显，安全、开放同时资源可共享。

二、三维虚拟仿真实验在医学课堂教学中的价值

现阶段的医学实验教学模式大部分仍然使用教师讲解、按部就班操作的“填鸭式”教育，使得学生往往是被动接受学习内容^[5]，缺少机会与动机去主动思考，

在培养学生的主观能动性与创造性方面有一定的不足，因此该教育方式很难激发学生主动思考，很难培养学生学习的兴趣，缺少对教学内容进行深刻理解的动力，导致学习效果事倍功半^[6]。此种教育方式实际上受到了客观条件的限制，仅仅采用教师演示学生观看的教学方法很难让学生产生参与感，学生无法动手，仅靠眼睛观看，靠笔记录，无法参与到临床操作中去，几乎没有机会亲手实践，如此便造成了医学理论与实际的脱节。

三维虚拟仿真实验室以 virtools平台作为基础^[7]，使用虚拟现实操作与仿真等多种方式作为实验教学及操作的手段。建设应用该实验室，帮助学生更加迅速全面地熟悉实验仪器，由于使用计算机进行操作，容错率更高，能够在不熟练的情况下重复练习，大大提高了实验教学的效率。虚拟仿真实验除了在学生学习过程中体现出的优势外，本身具有非常明显的优势，低损耗，零污染，符合国家教育部建设绿色实验室标准。综上所述，三维虚拟仿真实验室的建立能够有效解决目前传统教学方式中无法解决的多种问题，为解决实验条件的缺失与数量日益增加的学生之间的矛盾提供了更大的可能性。

（一）三维虚拟仿真实验室内容丰富

虚拟现实技术充分利用了学生好奇的特点，使用计算机创造具有新意的操作界面，将音乐、动画、声效等多种元素结合，制作出良好的动态效果^[8]。其制作出的模拟场景与实际实验室几乎是完全一致，学生在模拟场景中有身临其境的真实感。三维虚拟仿真实验室以其优秀的涵盖能力将完整的实验项目包括其中。以气相色谱为例，三维虚拟仿真实验室包含以下内容：实验用仪器的介绍展示，实验用样品的预处理，仪器操作及数据处理等内容，并带有具体操作步骤提示，错误扣分及实时计时等功能。三维虚拟仿真实验室除了能够允许学生自己动手完成医学实验仪器相关操作外，还能够自行根据实验结果对实验进行优化，例如出现分离不理想或峰型拖尾等现象，学生能够继续优化虚拟气相色谱仪的工作条件以达到理想的实验结果^[9]。

（二）有助于全面了解实验过程

传统的医学仪器在对实验项目进行分析时，需要考虑的客观因素很多，包括操作条件、安全性及经费等，因此推广某些高难度实验就十分困难，实验项目基本都采用教师演示为主的教学模式^[10]。以一项小白鼠脑动脉手术实验为例，这类实验往往由教师在课堂上以PPT演示方式向学生讲述实验的操作步骤及注意事项。学生能够接触到的实验课与真实的实验存在明显的差距。为了突破这种限制，引入三维虚拟仿真实验室后，学生可以通过三维虚拟仿真实验室了解小白鼠脑动脉的三维空间位置、形态以及精准的直径等数据，同时可以操作虚拟仪器，并根据模拟实验结果对实验进行优化^[11]。如此，在上课时就能更熟练地掌握实验全流程。

（三）共享性及开放性强

传统的实验教学对时间和地点都不易变通，会受到各种客观因素的影响。三维虚拟仿真实验室是以网络为基础，限制很少，在时间地点方面几乎毫无影响。学生能够在三维虚拟仿真实验室内进行无限的操作，不停进行练习，实验成本及安全性等因素几乎不需要考虑。该实验室不仅本专业学生可以使用，为其他相关专业学生也提供了学习的机会，实现了资源的有效利用，极大提高了教学效率。

三、肿瘤放射治疗仿真实验室的实践效果

肿瘤放射治疗的教学具有较强的专业性、综合性，要求学生熟练掌握肿瘤内科学、影像学、肿瘤病理性、放射治疗学等多门专业课程，其教学难度大、周期长，三维仿真实验室在肿瘤放射治疗教学中的应用，可以极大提高教学效果，促进学生更加快速的掌握肿瘤放疗的临床专业知识。

（一）教学内容展示更加形象化

通过三维仿真实验室，老师可以在教学中使用教师机与教学软件对肿瘤放射治疗的操作过程进行演示，相关操作细节都能够通过三维仿真实验室仿真平台得到详细展示，学生可以更加形象化、立体化地感知肿瘤放疗临床操作的全过程。同时，利用三维仿真实验室，老师可以对正常组织和肿瘤靶区（GTV、CTV、PTV）进行勾画^[12]，教师可以将肿瘤的所有层面进行图像分割、勾画，然后提取全部图像数据的基础特征，包括肿瘤时域特征、形态学特性和纹理特征等，将重点区域向学生解读。在教学工作完成之后，学生也可以通过仿真实验室随时回放肿瘤影像教学课件，可以从个人使用机器中导入CT定位扫描图像，并使用图像对肿瘤靶区及其他正常组织器官按照顺序进行命名勾画，以便课后复习，这样形象化的教学模式，更加利于学生的学习和记忆，提高教学效果。

（二）教学实践操作性更强

在传统模式的肿瘤放疗教学中，教师往往是概念性的向学生讲述肿瘤的理论知识及操作指南，由于PET/CT 超声扫描仪、CT模拟定位机、直线加速器等一些放疗设备价格高昂、数量有限、具有易损性，且每次参与学习的学生较多，因此，在教学过程中，学生无法一一体验或多次参与整个放疗的实验过程，造成学生实践能力的欠缺。并且有些学生容易因为不熟悉实验流程或紧张等因素而造成操作失误，从而导致实验设备的损坏。三维虚拟仿真实验室在肿瘤放疗教学中的应用则可以让每一位学生都能够亲自实施和模拟放疗的整个过程。由于肿瘤放疗时图像复杂多变，即使是同一肿瘤部位，不同的医师认识可能也不同，由此产生的报告结论差别大，因此，加强实践训练是提升学生分辨能力的有效办法，学生听完老师的讲解之后，能够获得训练机会，在独立思考后对正常组织器官以及各个部位靶区进行勾画，借此机会能够对解剖结构获得进一步熟悉，更加了解GTV、CTV、PTV等放疗中有关概念及知识。以上过程锻炼了学生的思考及动手能力，相较于传统的肿瘤教学方式其临床实践操作性更强。

（三）教学内容更具规范性

通过三维仿真实验室开展肿瘤放射实验教学，教学老师可以对教学内容进行统一管理。仿真实验室服务器对不同角色分配不同权限，教学老师通过数据库管理系统可以实现统一管理，对于不同的教学环节有针对性地设置教学计划，还可以利用大数据分析功能，对于放射治疗仿真教学中学生的掌握情况进行汇总分析，根据学生的掌握情况合理分配教学计划。学生也可以随时登录服务器系统，利用课堂或课下碎片化时间制定和完成个人学习计划。除了以上优势，三维虚拟仿真实验室在理论学习方面同样具有优势，可以将一些肿瘤理论模型进行图像化显示，更加形象、直观，为学生对理论基础的预习或复习提供条件，使学生对实验有更加深入的理解。

（四）教学过程更具有趣味性

传统模式肿瘤放疗教学模式单一、照本宣科，往往是教师讲述理论及操作步骤，学生做课堂笔记。仿真实验室运用现代多媒体信息技术，对教学活动进行创造性设计，发挥计算机辅助教学的特有功能，往往使课堂教学收到超出预期的效果。三维虚拟仿真实验室可以改变以往授课形式，具有多样化、多角度、多观感的特点，从而提高学生学习的趣味性和积极性。在肿瘤放射治疗教学中，系统针对课堂教学内容设置有不同的板块，包括趣味答题、在线提问、逐个击破等环节，仿真实验室系统界面灵活多样，提高学生学习主动性的同时，也增加了趣味性。

四、结语

传统医学教学实验受到教学方式及实验条件限制，已难以满足预期效果，三维虚拟仿真实验室的建立无疑是解决现代医学实验教学问题的一大利器，具有广阔的发展前景。作为肿瘤治疗的重要部分，随着放疗设备及技术的不断发展，放射治疗学的理论与实践均产生了相当大的变化。放射治疗虚拟仿真实验教学相较于传统教学方式能够更加生动更加直观的将相关知识传递给学生，教学效果有了极大提高，为学生完成从理论到实践的过渡，培养了学生独立思考的习惯，学生自主学习能力以及分析解决问题的能力得到大大提高。

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Application of 3D virtual simulation laboratory in tumor radiotherapy Teaching

Abstract: With the rapid development and popularization of science and technology in recent years, the teaching in domestic colleges and universities are developing in the direction of information, intelligence and interaction. Therefore, how to apply virtual simulation technology  into college experimental courses has been valued widely. As a discipline that link theory and practice, radiotherapy is based on radiation physics, radiobiology, medical imaging and anatomy. In the process of learning, students not only need to master the theoretical knowledge, but also pay attention to the cultivation of practical ability. Three dimensional virtual simulation laboratory can  promote the reform of experimental teaching greatly, accelerate the construction of experimental teaching information, and improve the efficiency of medical experimental teaching. In this paper, it is combined with the application of 3D virtual simulation laboratory in tumor radiotherapy teaching, the construction of virtual simulation laboratory and its effect in tumor radiotherapy teaching will be analyzed.

Key words: 3D virtual simulation laboratory; Tumor radiotherapy; Experimental teaching