数字医学在医学教育中应用的研究进展

刘刚刚 谢欣昇 高 鲁 高雪娇 李富震

1.黑龙江中医药大学附属第二医院骨一科，黑龙江哈尔滨 150001；2.黑龙江中医药大学附属第一医院耳鼻喉科，黑龙江哈尔滨 150040；3.黑龙江中医药大学基础医学院，黑龙江哈尔滨 150040

医学教育的目的是通过医学理论知识学习与实践技能培训，使医学生构建医学思维，理论知识与临床实践相结合，掌握医学技能，独立完成临床工作。为培养具有自主学习能力、快速适应岗位能力、良好临床诊疗能力和创新能力的复合型医学人才，提高医学教育水平，“早期接触临床”的教育理念已成为共识[1]。因传统的“基础课-临床课-实习”三段式医学教育模式在授课方式、教学课程、内容设置等方面与临床实践之间脱节[2]，故已不能满足医学教育的需要。诸多学者为寻求更加高效的教学方法进行很多探索和研究。将数字医学应用于医学教育，在近些年被国内外学者所重视，因其为老师提供更多教学方法，为学生提供更多的实践和学习方式，且具有可线上线下结合、早期接触临床、教学方式灵活鲜明、应用贯穿于医学教育始终等特点，从而得到良好的教学效果，值得深入研究和大力推广。

1 数字医学

数字医学是基于信息科学，将医学教育、科研、临床、医政管理、远程医疗会诊等工作数字化，并通过数据采集分析，与计算机辅助设计/制造的医学应用、医学工程、人工智能、互联网等结合的多学科、多系统交叉体系。其理念最早由美国威斯康星大学Slack 教授于20 世纪末提出[3]。自2001 年起，钟世镇院士多次在国内多地组织举行“中国数字化虚拟人体的科技问题”研讨会，提出国内的数字医学的概念。中华医学会数字医学分会于2011 年5 月成立，标志着我国数字医学成为一门新的学科。近十几年来，随着信息工程、医学工程的高速发展和国家政策性扶持推动，对数字医学的发展产生深远的影响。数字医学研究内容涵盖了整个医学及其相关领域，在医、教、研的开发应用、医政管理、健康大数据、云计算、人工智能、区块链、医工结合、基础设施建设等方面得到突飞猛进的发展[4-13]。国内外均在积极开展数字医学的基础理论研究和应用基础研究，如我国的“中国数字化人体数据集的建立”项目、虚拟生理人体项目、全息数字人项目[14-15]；美国的虚拟生理人计划和数字人计划；德国的Voxel-Man 研究；欧洲虚拟生理人研究等，此外医学形态学标本数字库和基因工程数据库的建立，以及基于信息科学衍生出的虚拟现实（virtual reality，VR）、增强现实（augmented reality，AR）、混合现实（mixed reality，MR）、三维可视化、3D 打印（three-dimensional printing，3DP）等数字化技术在临床、科研、教学中的广泛应用，逐渐构建出数字医学体系。同时医疗行政部门通过网络与各医学院校、数字医院的数字系统互联，形成健康医疗大数据、医学教育平台和医政管理系统，服务于医、教、研与医政管理工作。随着数字医学体系组建的进行，与之相关的医学工程和信息工程技术逐渐完善，应用愈发广泛，功能日趋多样。对于数字医学在医学教育的应用研究也成为现在教育研究的重要组成部分[16]。

2 医学教育中的应用

2.1 医学基础教育中的应用

目前国内很多院校都建成自己的医学形态学标本数字库[17-18]，学生可通过网络终端学习，解决了组织胚胎学、生理病理学、微生物学、寄生虫学等学科标本不足、样本缺失，以及解剖尸体不足等问题。国外研究表明，3D 打印模型应用于解剖教学并不比尸体材料差，甚至可能会取得更好的教学效果[19]。我国研制的智能电子标准化患者教学系统-机能学数字人“ESP”[20]已应用于高校医学生理学教学中。意大利、英国、立陶宛的多所医学院校已将数字病理学纳入医学教育的大纲[21]。Adnan 等[22]通过文献研究得出结论，3D 解剖软件、VR、AR 等已应用于欧美多所院校的高级解剖学课程，如局部解剖学和神经解剖学。Branson 等[23]使用自动立体可视化技术（AS3D）从DICOM 数据中查看解剖结构，结合对相同立体屏幕图像的3DP 模型的触觉探索，从而提高学生的空间意识和对解剖特征的了解。陆军军医大学[18]通过数字解剖教学系统应用3DP 模型进行人体解剖学的学习，同时又开展仿真手术技能培训等解剖学拓展学习，以贴近临床，加强学习效果。总而言之，数字医学基础教育不仅可以解决标本缺失、不足等问题，还可以将抽象的文字知识点转化为动态具象化数字和实物模型，并与真实临床患者病历信息相结合，使其更加直观和便于理解，解决了传统医学教育模式课堂氛围枯燥、学生学习兴趣低下、注意力不集中、难以全面掌握知识点的问题，此外，还可避免学生长期接触福尔马林的健康风险。

2.2 临床课中的应用

基于“互联网+”、大数据、云平台、移动智能设备和数字医院HIS、PACS 的万物互联，数字医学教育将传统“教学-记忆-实践”学习模式转换为“教学-实践-理解-记忆”模式。以3DP 为例，临床课老师可以轻松地从医院PACS 系统中获取典型病例的影像学DICOM 数据，通过3Dslicer 等软件进行3D 建模并制备3DP 模型，以应用于临床课教学，3DP 模型除了可以直观展示病变部位解剖结构外，还可进行模拟手术操作，让学生对理论知识有更深层的认识，同时达到在临床操作之前的锻炼目的，有效提高学生理论联系实际能力，提升学习兴趣并激发学生学习热情[24]。此外，如王微微等[25]将数字医院的T-PACS 通过互联网与移动终端相结合，构建Hinacom 医学影像学教学平台，采取线上线下混合教学模式，在课堂授课之余学生可以通过移动智能设备随时随地学习PACS 数据库中典型病例的临床资料和影像学数据，将课堂与临床相结合，大大提高了学习效率、学习积极性和自主学习能力。

2.3 临床实践教学中的应用

近年来，3DP、MR、VR、AR、三维可视化等数字医学技术在国内外临床实践教学中应用广泛。例如，澳大利亚医学院校将结合数字仿真的VR 解剖广泛应用于手术解剖训练中[22]。陈敬寅等[26]发现AR 技术能够让医学生在高度还原实际情况的环境下无风险地提高脑室穿刺术的能力、提升血管内介入治疗技术。石小强等[27]通过将MR 应用于腹膜后肿瘤手术临床教学，可明显提升医学生对解剖结构的空间理解力。Andersen 等[28]通过试验证明基于沉浸式VR 的培训模式，显著提高了美国医学生超声引导下外周静脉置管安置的学习效果。Recker 等[29]利用3DP制作的巨细胞动脉炎模型在超声下与真实病例基本一致，在超声科的临床培训取得较好效果。张旭等[30]通过建立医学影像学病例库，并通过3DP 与之结合应用于临床教学，提升教师教学质量和教学水平，同时提高学生的学习兴趣和独立学习、主动解决问题的能力。总而言之，数字医学的诸多先进技术可以模拟真实的临床病例和操作场景，增加临床医学生的仿真操作机会，进行临床技能的训练，提升临床技能，极大提升临床教学效果。

除此之外，数字医学的教育模式还可以通过网络利用智慧终端开展，如利用机器人系统远程手术操作教学[31]、应用远程医学和数字化教学平台[32]开展医学继续教育等。这种模式可以贯穿医学教育始终，特别是在医学教育师资落后的地区和基层医院，对医疗水平和医学教育内容具有极大补充和提升作用。

3 存在问题

数字医学在医学临床和教学中的作用已得到广泛的认可，但仍存在很多问题和不足亟待解决，经总结有如下几个方面：①在政策方面，国家对数字医学的政策扶持偏向于数字化医疗装备和医疗大数据建设，而缺乏对数字医学教学和诊疗技术的支持。②缺乏数字医学的跨学科人才培养体系，学科建设和人才培养仅局限于江苏、广东、上海、重庆、北京等地的数所高校和其附属医疗机构间[13-14，16]，如南方医科大学、上海交通大学、陆军军医大学等，医科与工科难以形成合力，缺乏产业支持，导致数字医学临床和教学师资人才稀缺、数字医学教学发展缓慢等问题。③数字医学的3DP、MR、AR、VR、三维可视化等技术需要高精尖设备支持，价格昂贵，仅在部分师资力量雄厚，教学理念先进的院校开展试验或试点，很难在大班授课的普通高校普及应用。④由于基于数字化的教学平台缺乏政策性扶持、整合和公开，平台多由高校和医疗、科研机构自主建设，信息壁垒严重，且大多数高校、医疗机构教学设施和教学内容、授课模式与数字医学脱节，严重阻碍了数字医学在教学中的发展。⑤数字医学涉及大量临床信息的采集及对应的数字情景模拟、3DP 等，其中涉及的患者隐私及伦理问题仍需值得思考和探讨。⑥网络信息安全对数字医学的影响也需慎重考虑，特别是健康医疗大数据和基因工程的信息可能会涉及国家安全层面。

4 展望

数字医学在我国起步较晚，但是国家对其非常重视，将作为数字医学基础的健康医疗大数据提高到国家重要的基础性战略资源的高度，并在《“健康中国2030”规划纲要》《关于促进和规范健康医疗大数据应用发展的指导意见》等政策的支持下，在全国构建“1+5+X”的健康医疗大数据战略布局[33]，并积极推动数字医学数据要素全面开放共享，目前已具备基于健康数据科学开展“数据密集科研范式”及多学科融合研究的条件[34]。鼓励信息技术与医学发展深度融合，推动数字医学技术在临床医学、医学教育、医政管理、信息工程等领域的开发、转化和应用。

随着国家对于数字医学的大力支持，进而扶持和整合数字医学教育资源，推进教育大数据和云平台建设，将不同院校和科研、医疗机构可公开的数字医学医、教、研资源进行开源共享，比如虚拟生理人、医学形态学标本数字库、数字医学辅助程序等。推进各院校和医疗机构转变教学理念，优化教学内容和结构，改变传统的“Lecture-Based Learning”教学模式，成立数字医学教学管理部门或工作室，建设自己的“课堂-临床”互联的数字化教育系统，改善教学设施和条件，增加对智能终端设备的投入，通过线上与线下相结合，应用3DP、MR、AR、VR、三维可视化等数字医学技术开展教学活动。同时加强对数字医学临床、教学和医工人才的培养，比如对高校教师及临床带教开展mimics、3Dslicer 等软件的应用和数字医学设备的使用教学，以推进数字医学技术在基础教育和临床教学中的普遍应用。

随着信息技术和工程学的不断发展，新的技术不断涌现，如4D 打印技术[35]也开始逐步应用于医学领域[36]，该技术在将来必然会应用于医学教学中。随着数字医学的进一步发展，甚至可以通过数字孪生[37]或“元宇宙”[38]创建虚拟医院，利用人工智能系统模拟教学和临床操作过程，并进行考核。随着经济的发展、教育理念的变革和对数字医学教育资金投入的不断增加，在不久将来数字医学在医学教育中的应用将更加普遍，发挥更重要的作用。