医学检验专业虚拟临床教学实验室的构建

张继瑜，亓 涛，王 前，郑 磊，周 芳，胡小佳

（南方医科大学 南方医院，广东 广州 510515）

当前，各类自动化检验仪器广泛应用于临床检验工作，传统手工检验项目由于操作繁琐和耗费时间长等原因，正逐步被自动化、高效率的检验仪器设备所取代。但是，高校医学检验专业教学并没有随之同步发展，沿用多年的传统手工检验项目仍然在检验专业教学内容中占据主要地位，这既不符合医学发展的需要，也与临床检验的实际工作脱节［1］。随着自动化检验仪器设备的大范围推广应用，如何开展检验仪器教学的问题不断凸显并逐步成为医学检验专业教学的瓶颈问题［2］。

随着计算机技术的不断发展，虚拟现实技术和虚拟实验室成为解决检验仪器教学问题的有效手段和方法，也是众多高校实验教学改革、强化实验室建设的重要发展方向之一。虚拟实验室是指在计算机系统中采用虚拟现实技术实现的各种虚拟实验环境，实验者可以像在真实环境中一样完成各种预定的实验项目［3］。南方医科大学第一临床医学院（南方医院）医学检验系依托国家临床重点专科、国家级特色专业和优势学科的地位，初步建成医学检验虚拟临床实验教学系统。

1 医学检验虚拟临床教学实验室的实现

1.1 数字模型构建

三维数字模型的构建是实现虚拟交互的基础，本文采用3ds Max作为建模工具［4］，对检验科实验室全景和各种检验仪器设备进行全方位、多角度的拍摄采样，然后在3ds Max中按比例构建数字模型，包括场景设置、建筑材质设计、场景动画设置、运动路径设置等。实验室中各种检验仪器均可进行选择、移动、旋转、缩放、镜像、对齐、阵列等基本操作，最终实现三维数字化虚拟检验仪器和模拟真实操作过程的交互式虚拟环境。图1是虚拟血细胞分析仪流水线的拆分截屏图。

图1 虚拟血细胞分析仪流水线拆分的截屏图

1.2 交互程序开发

Unity 3D是一款全面整合的专业游戏引擎，具有跨平台发布、高效能优化、高性价比等特点，包含图形、音频、物理、网络等多方面的引擎支持［5］，其内置的NVIDIA、PhysX物理引擎能够带来逼真的互动感觉，并支持所有主流文件格式，可与大多数相关应用程序协同工作。Unity 3D可通过用户交互按钮控制灯光、声音、基础动作、自定义动作和摄像机等动态加载任意三维模型资源。在Unity 3D中制作用户交互动作非常方便，只要在该动作对应的栏目输入动作名称并设置相应的动作示意图即可。学生可以通过模型的界面控制基础动作，获取全方的浏览观赏，并可通过交互性高级动作更深入地学习掌握相关知识。

2 医学检验虚拟临床教学实验室的建设内容

在采集检验科实验室全景和各种检验仪器设备的文字、照片、操作视频等原始真实素材的基础上，建成医学检验虚拟临床教学实验室系统全面而开放的底层数据库，包括用户信息数据库、文字数据库、图片数据库、视频数据库和操作信息采集数据库。虚拟临床教学实验室分为漫游版、学习版和考核版，并通过 Web服务协议实现网页、光盘、IOS、安卓等运行方式。

漫游版主要包括实验室布局、规章制度、操作注意事项以及仪器的结构和功能介绍等，通过它，可以初步了解实验室的基本情况。学习版是虚拟实验室系统在医学检验临床教学中的具体应用，通过它，可以全面学习各种检验仪器设备的相关知识，包括仪器概述、仪器结构与检测原理、开机、关机、质量控制、校准定标、样本检测、更换试剂、维护保养、报警处理和病例分析等。考核版通过幻灯、动画、模型渲染等方式对学生的虚拟实验操作进行考核。医学检验虚拟临床教学实验室系统架构如图2所示。

图2 医学检验虚拟临床教学实验室系统架构图

医学检验虚拟临床教学实验室包括临床基础检验和血液学检验、临床生物化学检验、临床免疫学检验、临床微生物学检验、临床分子生物学检验等各亚专业常用的十几台自动化虚拟检验仪器，如全自动血细胞分析仪流水线、全自动凝血仪、尿液分析仪、精液质量分析仪、生化分析仪、血气分析仪、电化学发光仪、全自动酶免疫、血培养鉴定系统、流式细胞仪、PCR仪等。虚拟仪器和相应的真实仪器有一样的操作面板和操作程序，学生可以方便地实现人机交互，从各个角度观察仪器构造并进行全面的操作和学习。

3 虚拟临床教学实验室在实验教学中的优势

虚拟实验室可提供一个基于网络的实验教学、技术交流、共同研究、协同工作的平台，是一种基于计算机技术的全新科学研究与工程设计方法［6］。在实验教学中使用虚拟现实技术，可充分调动参与者的感觉和思维器官，使他们可从各个角度、细节进行观察、学习和掌握。医学检验专业虚拟临床教学实验室在学习效率、经费投入、生物安全等方面较真实实验室更具优势，有助于培养和提升检验专业学生实践能力，特别是检验仪器操作实践能力。

3.1 提高学习效率

近年来随着高校招生规模的不断扩大，高校实验教学资源和实习资源的需求量急剧增加，原有的教学条件难以满足教学要求、实现教学目标［7］。由于教学条件、教学经费的限制和不足，学校单纯用于医学检验实验教学的仪器设备非常少。另外，由于实验室有严格的管理规章制度，也使学生不可能随时进入实验室进行实验和学习。实习单位的检验科虽拥有较齐全的仪器设备，学生在临床实习阶段也有机会操作这些仪器设备，但由于这些仪器设备造价昂贵、维护成本高、操作复杂、数量有限，学生实际动手操作不但受到限制，而且不可能人手一机，致使学生的学习效率不高。

虚拟临床教学实验室突破了真实实验室在空间和时间上的限制［8］，使实验教学不再囿于有限的实验室空间。学生可以在家里或宿舍里随时进入虚拟实验室进行学习和实验，动手操作的空间和时间得到极大的扩展，而且多位学生可以同时学习和交流互动，不再受真实检验仪器的数量限制，能极大地提高学习效率。

3.2 节省资金投入

近年来，高等医学院校投入大量资金购置了自动化检验仪器设备。虽然这些仪器设备对学生动手实践能力的培养发挥了一定作用，但也存在一些问题需要认真解决。一方面，当前自动化检验仪器设备层出不穷、种类繁多，院校投入的资金只能购买部分仪器设备，有些甚至是低端产品，无法覆盖全部，同时也存在学习效率不高的问题；另一方面，在实际教学过程中存在着实验成本高、浪费实验试剂、耗材等的问题。

另一个问题是，依照教学计划，一门专业课程一般只开设在春季或秋季学期；相应地，该门课程涉及的检验仪器在相应年级学生中使用半年，而另半年闲置。即使在仪器停用的半年，也必须按照相关规定定期进行保养，由此造成实验的成本比较高。

另外，由于教学中测试标本的数量明显少于临床测试标本数量，多数配套试剂在一个学期内不能使用完毕，而等到下一次使用时又会超过试剂的有效期限，再加上试剂和耗材（包括质控品、校准品等）十分昂贵，某些实验所用试剂一个包装动辄上千元，由此造成很大的浪费现象。

虚拟临床教学实验室可完全避免以上问题，不需购置真实检验仪器设备，也不存在实验仪器设备维护保养和试剂等消耗问题，而且可以反复多次使用，节省大量资金，在实验室建设经费紧张的情况下，虚拟实验室显示出巨大的资金优势。

3.3 避免生物危害

检验科承担着医院各种病患的血液、体液以及排泄物等标本的检验工作，是病原微生物集中的高危区域，检验科常成为医院交叉感染的源头科室［9］。包括实习生在内的检验人员密切接触具有高度传染性的各类标本，存在很大的生物安全隐患。实验室花费大量人力、财力和物力进行检验标本管理、废弃物处理、人员安全操作管理及重大生物事故的应急管理等，但仍不可能完全避免生物危害。检验专业学生在专业实验课的学习过程中，一定要接触到一些阳性标本（如肝炎病毒、结核杆菌、艾滋病病毒等），才能完成学习任务，达到教学目的。总之，不论是在校学习阶段，还是在临床检验科实习阶段，学生都要面对生物安全隐患。

虚拟临床教学实验室等同于真实的实验环境，却不用接触真实的检测标本，更不会产生医疗废物，完全不存在生物危害的问题，而且利用虚拟实验室进行学习和实验，也不会发生在真实实验中由于操作不熟练可能造成的仪器故障或事故，使生物安全和实验室安全得到有效保障。

4 结束语

南方医科大学第一临床医学院的医学检验虚拟临床实验室教学系统已在部分高等院校医学检验系推广应用，并得到兄弟院系的支持和肯定。虚拟现实技术利用计算机模拟真实实验环境，以其特有的多感知性、沉浸性和交互性对传统教学产生巨大影响。在医学检验学科领域，虚拟临床教学实验室不仅有效解决了实验室检验仪器设备缺乏、试剂耗材浪费、存在生物安全隐患、学习效率不高等问题，也带动了教育技术和教学手段的革新，丰富了实验教学的形式、内容和方法，开辟了实验教学改革的有效途径。21世纪人类全面进入信息化社会，计算机、信息技术在高等教育教学改革中发挥愈加显著的重要作用，而虚拟实验室将以其显著优势成为实验教学改革的重要发展方向之一。

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［1］姚春艳，王丹妮，府伟灵.检验专业学生临床实习教学现状及改进措施思考［J］.医学教育探索，2010，9（2）：195－197.

［2］张继瑜，蔡贞，熊石龙，等.凝炼检验专业特色，提升人才培养质量：南方医科大学医学检验特色专业建设研究与实践［J］.中国卫生检验杂志，2012，22（5）：1202－1204.

［3］刘菊明.虚拟现实与虚拟实验教学研究［J］.东南亚纵横，2003（1）：74－76.

［4］冉华全，曾照芳.虚拟仪器仿真教学系统在临床检验仪器学课程教学中的应用［J］.中华医学教育探索杂志，2011，10（5）：630－631.

［5］张帆.基于游戏引擎的机械动力仿真技术的研究与实现［J］.软件导刊，2011，10（2）：83－85.

［6］程一玮.基于异构 Web服务的虚拟实验平台［J］.计算机工程，2011，37（3）：291－293.

［7］郭红，柏健鹰，吕伟，等.虚拟手术系统对外科学实践教学的作用探讨［J］.西北医学教育，2009，l7（4）：822－823.

［8］郑军，曾照芳.医学检验本科教育虚拟实验室构建的研究与实践［J］.中华医学教育探索杂志，2011，10（2）：233－235.

［9］林凯，马红雨，魏利召，等.检验科医院感染管理的现状与措施［J］.中华医院感染学杂志，2008，18（4）：548－549.