輔助生殖技術中胚胎冷凍與復蘇虛擬仿真實驗項目的思考

王 道 陳建林

中南大學湘雅二醫院婦產科,湖南省長沙市 410011

在互聯網和人工智能迅速發展的時代,人們的日常生活發生了翻天覆地的變化,其中最重要的變化之一就是高校教學資源的信息化,引領未來實驗教學改革的新的重要方向[1]。近幾年,歐美等發達國家的醫學院校都將虛擬仿真實驗技術應用在臨床實驗教學上[2],著力打造統一管理的虛擬仿真醫療平臺,將臨床和實踐有機結合,變革教學管理模式,建立資源使用率高、課程兼容性強的多學科的實驗平臺。

據統計我國現有5 000～7 000萬例不孕不育患者,生殖醫學中心的需求數量也在相應地增加,尤其是輔助生殖實驗技術人員的缺口日益增大[3]。輔助生殖實驗室是生殖醫學中心的核心,需要人員具備扎實過硬的輔助生殖實驗室操作技能。因為技術人員的操作技能差或者操作失誤可以嚴重影響到配子及胚胎的結局,特別是胚胎冷凍與復蘇技術,操作難度比一般的基礎實驗大。對于醫學本科生來說,很難有機會進入實驗室觀摩實際操作,更不可能親自操作人類胚胎及配子。同時,胚胎實驗室的貴重儀器精密度高,對操作環境要求也很嚴格。這些問題都大大限制了實驗教學,達不到理想的教學效果。因此,建立胚胎冷凍與復蘇虛擬仿真實驗具有重要意義,特別是對于輔助生殖臨床上高風險、高成本、高難度的手術項目,或者是難以進入輔助生殖實驗室親手操作的實驗,虛擬仿真實驗不受限制,虛實結合,基礎加臨床,讓學生在虛擬環境下參與實驗操作,了解輔助生殖技術理論和實踐治療不孕癥的方法。

1 虛擬仿真實驗具備的優勢

1.1 虛擬仿真實驗能創造逼真環境,提高用戶體驗感 虛擬仿真技術能夠通過計算機模擬一個人體生殖系統的模型,讓本科生更直觀了解生殖系統的構造和功能,還可以融合VR(Virtual Reality)、MR(Mixed Reality)等技術[4-5],比傳統線下課堂教學生動有趣。并且,學生還能夠進行數字人體解剖,提高自主性,使用高質量的學習資源庫,不限時間和地點反復學習。在實際操作人類胚胎冷凍和復蘇之前,輔助生殖技術新手可以借助虛擬仿真技術,在顯示器上重復地練習和模擬操作過程,提高技術的熟練程度。

1.2 虛擬仿真實驗能增強安全性,防范醫療風險 虛擬仿真實驗技術的應用為輔助生殖技術等特殊專業的醫學技能訓練創造了基本條件,學生掌握了相關理論知識點后能夠在虛擬場景中反復練習,避免以無技能或者低技能狀態進入臨床學習,降低了未來在真實醫療實踐過程中可能出現的安全、質量和倫理風險。生殖科醫師也能夠沉浸在虛擬場景中,進行各種復雜或者特殊手術的實際操作,體驗并學習如何應對臨床手術中的各類突發情況。不但節約了培訓醫務人員的成本和時間,而且使非熟練人員進行手術的風險大大降低。對改善不同地域醫療手術水平發展不平衡的現狀有著重大意義。

1.3 虛擬仿真實驗能寓教于樂、寓教于行 虛擬仿真實驗教學成了醫學教育領域里最主要的教學方式。本科生不再受限于傳統課堂的空間和時間,能夠利用空閑時間和任意地點,按照角色扮演游戲的攻關式的操作指引,完成了只有在真實環境下才具備的操作流程。這種虛擬仿真實驗教學模式既鞏固了所學知識,又加深了記憶,還緊密結合了理論與實踐。所有的訓練與學習都充滿了快樂,很受醫學師生們的歡迎。虛擬仿真平臺是真正能夠達到跨區域、無時限、多角度、高效率的教學與訓練工具。

2 虛擬仿真實驗項目的建設

2.1 實驗內容 由實驗目的、實驗原理、實驗方法等組成,以一對不孕不育癥患者夫婦的門診就醫過程為線索展開,簡要介紹了國內面臨的不孕不育的人群現狀,輔助生殖技術的機遇和挑戰。實驗目的以治療患者不孕不育的問題為中心,指導學生了解胚胎冷凍發展歷史、學習低溫生物學基本原理以及冷凍保護劑類型,幫助學生快速掌握玻璃化冷凍胚胎技術和胚胎復蘇技術。實驗原理通過動畫視頻生動形象地呈現胚胎發育、冷凍胚胎、復蘇胚胎等過程。實驗內容包括實驗操作視頻和虛擬實驗操作部分。實驗操作視頻包括小鼠胚胎的體外受精、受精卵的培養;虛擬實驗操作包括胚胎玻璃化冷凍、胚胎復蘇。

2.1.1 實驗目的。通過虛擬演示和操作掌握輔助生殖基本理論知識,包括胚胎發育過程、卵裂期的胚胎評分標準、玻璃化冷凍和復蘇基本原理等;通過觀看視頻和虛擬互動掌握玻璃化冷凍胚胎技術和解凍胚胎技術;培訓學生輔助生殖技術的實際操作能力,具備嫻熟和精湛的技藝,擁有良好的心理素質。

2.1.2 實驗原理。首先建立小鼠促排卵—體外受精動物模型,實驗以6～8周SPF級昆明小鼠為材料,皮下或者腹腔注射PMSG 5～10IU,48～50h后再通過皮下或者腹腔注射hCG誘導LH峰出現并誘導排卵,然后在雌鼠的輸卵管壺腹部撿出成熟卵母細胞。取雄性小鼠附睪及輸精管中擠出精液,得到成熟的精子,通過常規IVF進行體外受精,獲取到受精卵。然后觀察評估胚胎,第3天選擇性冷凍,擇期復蘇進行移植。

2.1.3 實驗方法。學生首先需要注冊學號姓名,輸入賬號和密碼后就可以登錄進入本項目平臺。第一次登陸學習,建議先通過病例背景部分了解本實驗的男女雙方患者基本情況包括既往史和現病史等。然后,根據平臺指引播放動畫視頻,掌握實驗原理。再播放實際操作視頻預習即將進入的實驗操作流程,觀看完成之后才可以進入正式的虛擬仿真實驗實訓模塊。學生能夠自主依據本學期課程教學進度選擇適當的上課時間。最后,學生在線提交生成實驗報告,教師在線及時查閱學生的客觀題考核結果和實驗報告,統計整個課程學生的學習成績情況,線下及時跟蹤學生學習效果,及時得到反饋,有利于調整實驗的進度和深度,完善虛擬仿真實驗內容。

2.2 實驗項目教學方法

2.2.1 以多學科交叉為特色的實驗教學法。輔助生殖技術人員必須掌握好生物學、物理學、化學、氣象學、統計學、計算機等豐富學科知識以及擁有良好的心理素質。老式傳統的實驗教學方法已經很難適應當今信息時代的需要。隨著人工智能等高新技術的發展和普及,極大地加速了生殖醫學與其他各學科之間的交叉和滲透,傳統意義上的學科之間的邊界越來越模糊和淡化[6-7]。未來培養新的復合型人才就應該具備一定的跨學科、跨專業、復合型的知識結構,掌握科學的思維方式、具備解決復雜問題的方法以及終身學習的能力。

2.2.2 以臨床病例為引導的實驗教學法。以不孕癥患者病例為導向的實驗教學方法,詳細介紹了不孕癥的定義、病因、診斷和治療手段以及輔助生殖技術的應用等核心內容,使學生對這個較為陌生的鄰域有所認知和了解,激發了學生對生殖醫學的興趣,使課本上生硬枯燥的知識躍然紙上,讓每個學生從被動聽變為主動做,從被動思考變為主動想。而傳統課堂教師教學只能生硬地以板書或者幻燈片展示輔助生殖技術的理論,學生依舊缺乏實際操作的經驗,畢業之后不能進入胚胎實驗室操作。

2.2.3 以線上加線下的混合式實驗教學法。借助線上線下混合式教學資源,可以把學生的學習由淺入深地引向深度學習,充分給予學生充足的學習時間,盡可能讓每個學生都能帶著預備扎實的知識理論進入教師面對面的線下課堂,讓師生之間的溝通效率更高[8]。特別是針對虛擬仿真胚胎冷凍和復蘇的操作中需要注意的細節如在不同液體中浸入時間是多久、吹吸多少次、裝載在載杠上的液滴大小等實際問題。這種混合式實驗教學法讓學生能夠積極思考,多提出難度比較大的問題,教師也相應對實際操作的薄弱環節進行有力補充。

3 虛擬仿真實驗存在的缺點

3.1 虛擬仿真實驗的維護時間成本不足 教育部2018年發布《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設的工作的通知》,雙一流高等院校都在建設各個重點學科的虛擬仿真實驗項目。通常這些項目需要高校投入一定數額的啟動資金,耗費一定的時間建成所需學科的實驗項目。虛擬平臺運行一段時間后,開發和維護實驗項目的工作量是巨大的,比如硬件和軟件的迭代更新或者運行期間不斷的改進設計方案。這就需要國家相關部門出臺機制來激勵、保障教師和學校對虛擬實驗項目的可持續性投入。否則,一些實驗項目很可能在幾年之后就因為資金和時間上的支持不足而成了擺設,偏離了設置虛擬平臺的初衷,也浪費了教師的精力和時間,得不償失。

3.2 虛擬仿真實驗的硬件設備尚不成熟 虛擬仿真實驗項目使用到的顯示設備除了最常見的電腦顯示器外,還可以選配的其他高端顯示設備,主要包括VR、AR、MR等終端,還包括移動終端、三維桌面終端。但是,絕大多數用戶還是以鼠標作為主要交互方式。因為頭戴VR在使用一段時間后,部分用戶會感覺頭昏、惡心甚至嘔吐;其次,頭戴VR佩戴舒適度不佳,廠家生產成本費用高,售價達數千元,過高的價格和舒適感不好限制了該設備在高校的普及。只有頭戴VR、觸控手套的生產成本降低,特別是索尼等品牌全能一體機的上市,才能提高使用普及率。

3.3 虛擬仿真實驗存在共享困難 大多數高校所采用的虛擬仿真實驗平臺數據接口沒有統一的標準,造成虛擬仿真實驗資源和學校教學管理平臺互相不兼容,影響了虛擬仿真實驗資源的共享和應用,阻礙了大規模數據的共享[9]。另外,針對高校都開設的基礎通用實驗,高校之間可以通過虛擬大教室的形式展開聯合教學,這對高校的專屬服務器的網絡穩定性和網絡安全性提出了更高的要求[10]。學校需要配備專門人員24h對網絡攻擊等進行排查和維護,日常管理難度日益增加。近年來興起的第三方設備市場,由于廠家采用的系統架構不同即產品的系統開發標準不同,導致不同設備建設的虛擬仿真實驗兼容性差,不便于優勢資源的共享。

4 小結

在新冠疫情流行的大背景下,輔助生殖實驗室由于實驗條件、儀器設備和準入門檻等因素的限制,輔助生殖操作技術無法開展現場教學。因此,虛擬仿真實驗的建設和實施,有效彌補了常規教學中的不足,減少了實驗教學中臨床實驗標本的投入[11-12]。虛擬仿真實驗充分突出了實操性強、風險低、效率高等特征,重點突出以學生實操為主,得到廣大師生的一致認可[13-15]。同時,貫徹了新冠疫情防控期間的高校教學要求“停課不停教、停課不停學”,反映了國內高校為適應新技術革命變化所做的不懈努力和取得的顯著成效。