在“超声诊断”专业教学过程中使用虚拟模拟器“Vimedix 3.2”的可行性

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论证

近年来，虚拟和模拟技术越来越多地应用于医疗活动的不同领域以及医学院的教学过程中。各种类型的真实过程模拟在许多领域的专家培训和工作中使用已有相当长的时间，其发展也已进行了几十 年[1-3]。这一进程的加速，既是由于我们生活的普遍数字化，也是由于目前将这些技术直接应用于实际医学的积极引入。

虚拟仿真器和模拟器、增强现实工具越来越多地应用于诊所，不仅用于诊断检查，还用于外科手术、麻醉和复苏等领域的医疗实践。这些工具包括三维“解剖”台和可视化台、研究人体解剖的虚拟现实程序、手术模拟器和机器人等[4-6]。因此，在对医科大学毕业生和接受再培训的专家进行培训和知识控制的过程中，以及在国家认证和鉴定过程中，包括在“超声诊断”专业中，都开始使用数字化方法[1，7]。人们对这类技术越来越感兴趣的另一个原因是，医学院和研究生培训机构近来在工作场所的诊所教授一些学科时面临越来越多的困难。

其中包括与门诊工作直接相关的困难：检查地点和时间的限制[7，8]、超声波机的缺乏、导师的缺乏、检疫时进入科室的问题。另一部分困难则与实际受检者有关：学生在与患者初次接触时承受的心理压力、部分患者不愿意接受受训者的检查[8]、诊所缺乏必要病理的患者、所谓“疑难”患者的可视性差等。问题的第三部分是由学生自身的理论培训水平和工作过程中的活跃程度决定的，这可以大大增加练习必要技能的时间，而这在诊所中是有限的。此外，可以强调的一点是，由于正常和病理解剖知识不足，检查方法难以确定。首先，这是指正确定位探头，这可能需要很长时间，并给受试者造成不适。

在这方面，改变医科大学一些学科的教学方法和计划，将各种现代虚拟和模拟设备纳入其中，是一项紧迫而必要的任务。在培训放射诊断领域的专家时，这个问题尤为重要，因为他们长期以来一直在使用创建和处理数字图像的程序，并应掌握必要的技能和知识。

与此同时，在医学学科教学中使用此类技术的经验却相当匮乏。在这方面，国内外文献中专门论述这一主题的原创性著作寥寥无几。其中大多数都指出了在超声诊断专家培训中使用模拟技术的积极方 面[7-10]，但也存在一些不足，特别是在测试和知识控制方面[7]。在超声诊断模拟培训、合理使用虚拟模拟器、确定其在教育过程中的具体位置以及评估其使用效果方面，几乎没有标准化的方法。关于为掌握这种或那种类型的模拟器和仿真器而开发的特殊培训模块和方法材料及其使用效果的信息很少。

为此，我们决定以超声模拟器为例，分析我们在教学和知识控制过程中使用现代数字技术的经验。俄罗斯联邦国家预算高等教育机构俄罗斯彼得罗扎沃茨克国立大学放射诊断和放射治疗系在四年的“超声诊断”学科学习过程中使用虚拟模拟器。该模拟器供一、二年级的住院医生和接受专业再培训的医生候选人使用。在对住院医生进行国家最终认证以及对该学科专业人员进行初级认证的过程中都会使用该模拟器。

目的

根据使用虚拟超声模拟器的结果，确定在“超声诊断”学科教学过程中使用虚拟超声模拟器的可能性和算法。评估使用模拟器与传统教学方法相比的优缺点。

材料与方法

在我们的研究中，我们评估了在教学过程中使用CAE Healthcare（加拿大）公司生产的虚拟超声模拟器Vimedix 3.2的效果。该模拟器在俄罗斯和国外市场上最为普及。它配备了多个人体模型和传感器，用于练习不同部位的检查技术，还拥有病理病例数据库。模拟器包括一台Hewlett-Packard（美国）公司生产的带无线连接的Omen笔记本电脑、一个鼠标、一个男性多功能人体模型、一个带相控阵的超声凸面传感器和一个用于连接传感器的适配器（图1）。

图1。虚拟超声模拟器“Vimedix 3.2”。

笔记本电脑配备了模拟超声扫描的原创软件，可以利用多平面重建技术进行二维和三维/四维解剖模式的检查。为此，还使用了Microsof HoloLens 2（美 国）混合现实技术，受训者可借助该技术以实时模 式（即运动模式）观看所检查的解剖结构。在评估使用断层扫描方法获得的诊断图像时，该技术可用于在检查区域进行导航[11，12]；在模拟器中，该技术可用于在模拟过程中正确定位换能器[13]。在笔记本电脑屏幕的工作空间中，除了以二维模式获得的图像外，还显示了一个单独的窗口，其中有三维/四维动画解剖图像，显示扫描区域内的器官。操作员可以控制解剖结构的显示和窗口的划分，以方便观察（图2）。

图2。混合现实和二维模式下的模拟程序界面。

模拟器可模拟腹部器官经腹超声波检查、经胸超声心动图检查、大血管扫描等检查。扫描模式包括：

• B（2D，二维超声检查）；
• M（一维超声检查）；
• 彩色多普勒（Color Doppler，CD）；
• 脉冲波多普勒（Pulsed Wave，PW）。

传感器在人体模型表面的移动由一个特殊的标记系统跟踪，因此可以在不同体位（仰卧、侧卧）下进行检查。为了评估结果，有一套基本的必要工具，如长度、面积和容积测量，多普勒模式下的血流速度，超声心动描记术检查期间中心血流动力学参数的计算。根据检查结果和测量结果，可以生成最终方案。

虚拟模拟器拥有一个庞大的超声图像数据库，其中包含腹部器官和心血管系统的各种病理图像。因此，学员不仅可以学习正常解剖学中不同部位的检查技术，还可以学习各种疾病的检查技术。在知识控制过程中，可以评估学员根据标准化方案发现和描述不同类型病理变化的能力。

共有26名“超声诊断”专业的住院医师和37名在同一专业的专业进修班接受过培训的医生参与了研究过程。由于我们的工作采用了分类数据和两个回答选项，因此现有的专家人数足以评估建议的培训方法在超声波课程所有学员中的应用情况，不仅在工作评估期间如此，在未来也是如此。放射诊断和放射治疗部门的工作人员对模拟器的工作成果进行了评估，研究所临床基地的执业医生-诊断医师也参与了评估，并参加了培训和知识控制过程。

在我们的工作中，为了确定虚拟模拟器的使用效果，我们主要使用了组织和规划教学过程所需的指标：

• 掌握模拟器所需的时间（包括启动软件和使用界面的培训）；
• 学习的难易程度和心理舒适度；
• 操作传感器和人体模型的难易程度；
• 传感器的正确定位（借助人体模型的解剖标志和混合现实技术）；
• 学员在模拟器上独立工作的可能性；
• 是否需要特殊教材和对现有培训计划进行修正。

一些曾在诊所使用过超声波扫描仪的住院医师和学员对模拟器生成的图像质量及其与真实病人检查时生成的图像的一致性进行了评估。

采用李克特量表[14]对学员进行匿名问卷调查，对提出的问题从0到5分进行打分，从而收集数据（图3和图4）。

图3。针对住院医师和学员的调查问卷，第1部分。

图4。针对住院医师和学员的调查问卷，第2部分。

在授课过程中，指导教师根据评估标准对使用设备的过程进行了分析；在授课结束时，在诊所工作的指导教师和导师通过测试和任务对理论知识和实践技能的掌握情况进行了评估。我们考虑到大多数评估标准都是主观的，因此很难对结果进行解释，但这是由于超声检查的普遍特殊性，特别是它对操作者的高度依赖性。我们还与学员一起记录了培训过程中出现的问题，并分析了出现这些问题的原因和消除问题的方法。

遵守道德规范

参与培训和研究过程的人员未签署知情自愿同意书。数据收集以自愿匿名问卷的方式进行，在此过程中未收集或处理任何个人数据。患者未参与研究过程。

结果

在评估培训过程中使用虚拟模拟器的优缺点时，我们将其与传统方法进行了比较。传统方法是住院医师和内科医生在导师（科室成员和执业医师）的指导下，在诊所使用超声扫描仪对真实病人进行检查的培训。采用这种方法，我们面临着许多已知的问题，近年来由于COVID-19的流行，这些问题的数量有所增加[15]。

培训结果显示了，所有住院医师和大部分学员（81%）都成功完成了使用虚拟超声模拟器的培训。成功的标准包括熟练使用模拟器软件和模拟器界面（开机、设置），完全掌握特定部位的检查技术（表1）。

表1。学员的问卷调查和测试结果

掌握模拟器所需的最短时间为2至6门功课，在科室教师的指导下进行2个学时的功课，以及一次入门讲 演（1个学时，45分钟）。我们注意到，住院医师掌握模拟器操作的速度普遍快于学员。我们认为，这是由于他们的理论基础（放射诊断课程的讲座）和一定的超声设备工作经验。对他们中的大多数人（75%）来说，在导师的指导下进行2-3次训练就足够了，之后他们就可以按照自己方便的时间安排进行大部分的独立训练。至于受训医生，年龄较大的受训者（50岁及以上）至少需要3-4次、最多6次培训才能掌握模拟器上的基本技能。与此同时，我们还遇到了一个问题，即部分学员（26%）在计算机技术领域的培训水平为零或较低，即使在培训课程结束后，他们也无法独立运行笔记本电脑软件和自信地使用模拟器应用界面。为了评估虚拟模拟器上的工作成果，我们使用了基于超声检查专家初级认证过程中所执行任务的测试（图5）。

图5。评估掌握检查技术成果的测试任务。

相当一部分学员（72%）表示了，在学习初级超声技能时，与在诊所对真实病人进行检查的培训相比，使用模拟器工作时心理上更舒适。只有在超声扫描仪上有过实际操作经验（尽管经验不多）的学员才对这一标准进行了评估。据导师和学员们自己说，在初始阶段，它可以促进和加快检查方法的掌握，但并不能消除与病人初次接触的问题，这个问题必须在随后的实际工作中加以解决。这主要涉及到以前没有这种互动经验的住院医师。

模拟器的工作很容易纳入培训计划，因为它位于医学院大楼内，我们不依赖于医疗中心的运作模式。这也有助于解决空间不足以及在诊所培训时间有限的问题。我们已经尝试过将学生分组，并随后进行了实践，这样可以制定出对教师和学生都方便的培训计划。根据我们的经验，最多3人的小组最适合同时在虚拟模拟器上进行操作。这一计算方法取决于一名学员在一堂课中掌握新教材所需的时间和教室的大小。

学员普遍认为B和M模式下获得的图像质量良 好（95%的答案），多普勒模式下的图像质量令人满 意（89%）。标准是识别和解释所获图像的难度，以及将图像与实际解剖对象进行关联的可能性。使用多普勒模式时发现的问题是无法调整多普勒模式的某些参数，因此CD和PW模式下的血流只能通过心脏瓣膜和某些主动脉部位清晰可见。

所有学员都注意到，使用具有混合现实模式的附加窗口和对检查区域进行3D/4D-live解剖导航，使得在检查所有区域时练习探头定位变得更加容易。这在评估腹部器官和心脏时尤其方便[12]。

在使用B模式时，我们发现了这样一个问题，即在获取心脏的某些标准投影（如心尖）时，探头在人体模型上的定位并不十分正确，这需要稍后在患者身上练习技能时进行修正。在这种情况下，学员们成功地使用混合现实系统解决了这个问题，准确评估了器官的横截面以及探头相对于解剖标志的位置。

根据调查问卷结果，与在真实病人身上练习技术相比，几乎所有（95%）住院医师和内科医生都更喜欢模拟器。在模拟器上练习技术的平均时间为1到2 次，每次2个学时。技术练习包括在人体模型的不同位置进行多位置检查，我们没有限制一次扫描的时间，这必须在诊所完成。当开始使用真正的超声扫描仪时，我们对所掌握的检查不同区域的技能表示满意，只需要在探头定位和处理“疑难病人”及某些呼吸阶段的能力方面进行少量的时间修正。

在教学方法上，我们认为应与导师指导诊所的做法有所不同。在那里，两个主要方法是观察研究和重复导师在病人身上的动作，而在这里，除了观察研究和重复导师在病人身上的动作外，还可以采用试错自学的原则。我们认为，这种方法对学生来说更容易接受（至少没有时间限制和心理压力），并能取得更好的实际效果。我们在培训过程中采用了这种方式，即学生根据自己方便的时间安排在模拟器上独立工作。必要时，教师通过音频和视频链接以远程形式提供咨询。

此外，在初始阶段，还可以从传统的“一名导师——一名学员”计划转为小组培训制度，这从经济角度来看更为有利。通过模拟器，可以在一节课内将所学材料的理论部分和实践部分结合起来。首先，教师就这一主题或那一主题进行入门讲演，并在模拟器上进行演示，然后在学生的实际操作中巩固所学知 识（图6）。事实证明了，这一原则在学习某些领域的初步检查方法和准备测试时非常方便。

图6。一名二年级住院医师在模拟器上的独立工作。

至于在住院医师认证和专科医师资格认证过程中使用虚拟模拟器控制知识的问题，已经取得了模棱两可的结果，为讨论提供了机会。在许多此类研究中，作者都强调了使用模拟器的积极意义，特别是不会给受试者造成压力，而且条件接近现实[8，15]。这些数据与大多数学生（95%）的意见一致，根据调查问卷结果，他们更倾向于在模拟器上通过实践技能测试，而且这种评价在测试前后的各个阶段都是一致的。不过，据系里的工作人员和实习指导教师说，这种测试方法的消极方面多于积极方面。

讨论

因此，根据虚拟模拟器Vimedix 3.2的使用结果，建议在“超声诊断”专业培训的初始阶段使用该模拟器。我们的经验证实了将虚拟现实和增强现实系统融入医学教育过程和超声诊断培训课程的实用性，正如许多作者所指出的那样[8-10，15]。在模拟器的帮助下，可以很方便地练习某些部位的检查手法，使用解剖标志定位探头，学习在各种模式下进行基本测量，包括多普勒测量。然而，模拟器的使用并不能取代临床经验，而只是对临床经验的补充，在后续阶段，应在导师的指导下，在检查真实病人时反复练习（和修正）实际技能。

关于通过模拟训练获得的技能与临床效果之间的相关性，以及这些技能的长期可持续性，相关数据还相对较少[16，17]。因此，我们认为，为了更准确地评估培训效果，最好在毕业生开始独立工作数年后对其进行实际测试控制。为此，可采用超声技能客观结构化评估（OSAUS）标准系统[18]。

为了有效地掌握模拟器，最好准备一份单独的使用指南，包括启动应用程序的时刻，以及在某些任务中以分步操作的形式对界面使用的指导。对于学生的独立工作，最好准备一个入门讲演，让住院医师和学员熟悉模拟器软件的基础知识，并由教师演示其功能。在这方面，关于在模拟器上检查人体模型某些解剖区域的方法建议也很有用。为了让学生掌握检查某些部位的方法，采用了两个学时的培训模块，一个是教师演示教材，另一个是学生独立完成。由于学生在计算机科学方面的培训水平不同，可以使用两个版本的培训计划，即在模拟器软件的操作技能方面分别投入更多和更少的时间。

一般来说，要完全掌握模拟器的功能，至少需要5-6次由教师指导的课程，这些课程分布在不同的学习领域。这些课程可能包括重复正常解剖、定位练习、超声模式的使用、器官评估参数等主题。今后，学生可以在自己方便的时候独立工作，包括在教师的远程控制下解决出现的问题。此外，虚拟模拟器还可利用软件中包含的病理病例数据库，用于学员在诊所检查真实病人时没有遇到的疾病的诊断。

至于知识的最终评估，我们认为最好是在超声扫描仪和真实病人身上进行，这样才有可能确定受试者在特定临床情况下的鉴机能力。在这种情况下，最佳的方法似乎是检查没有病理变化的患者和存在某种疾病的患者，尽管难度更大，但住院医师或学员应能向导师展示并在标准方案中正确描述。住院医师和学员之所以倾向于使用模拟器，是因为与在诊所进行的测试相比，准备和进行实际测试本身在心理上更为舒适。它不耗费时间，不涉及病人和临床设备，可以随时独立进行，学员本身也不会感到紧张。

从教师的角度来看，实践技能测试的准备工作主要是对某些动作的记忆。在测试过程中，专家也主要评估某些动作的执行和顺序，而不是其质量和结果。检查表和远程观察系统无法详细评估考生所接收图像的正确性，也无法在有疑问的情况下布置额外的任务。没有可能对不同类型病人的体格进行评估，在没有呼吸运动的情况下评估标准化的正常解剖图像，也不进行多位置扫描。不过，这里的问题已经不是模拟器本身的操作原理和功能，而是现有的测试方法和原则。

如果我们对虚拟超声模拟器Vimedix 3.2的程序技术装备进行评估，它可以对专家在培训过程中应该掌握的主要检查类型进行相当完整的模拟。在这方面，我们认为可以对其进行改进并扩大其应用范围，以培训在超声控制下对各种器官进行穿刺和对胃肠道进行回声内窥镜检查等相关技术。

结论

Vimedix 3.2模拟器应在超声专家培训的初始阶段使用，以练习不同部位的检查技术，包括特定的临床情况。我们认为，在这一阶段使用模拟器进行认证和鉴定不如在临床上对真实病人进行测试。为了充分利用模拟器，建议在培训中开发和使用更多的方法材料和培训模块，改变掌握实际技能的方法。

在教学过程中使用虚拟模拟器Vimedix 3.2的主要优点是：学生工作起来心理舒适、掌握时间短、可以小组合作、有大量病例数据库、位于医学院大楼内。

已发现的使用模拟器的缺点包括无法练习与病人一起工作的实际操作、探头定位错误以及CD模式下的图像质量不尽人意。这些缺点并不严重，但需要在临床工作中进一步修正所掌握的技能。

ADDITIONAL INFORMATION

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Authors’ contribution. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work. V.A. Vasiliev — concept and design of the study, data analysis, writing the text of the article; S.N. Kondrichina — collection and processing of materials.

作者简介

Valeri А. Vasilev

Email: valerij-vasiljev@list.ru
ORCID iD: 0000-0001-7164-4274
SPIN 代码: 3582-0940

MD, Cand. Sci. (Medicine), Assistant Professor

Svetlana N. Kondrichina

编辑信件的主要联系方式.
Email: konsvet12@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-8472-9146

MD, Cand. Sci. (Medicine), Assistant Professor

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4. 图3。针对住院医师和学员的调查问卷，第1部分。

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5. 图4。针对住院医师和学员的调查问卷，第2部分。

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6. 图5。评估掌握检查技术成果的测试任务。

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7. 图6。一名二年级住院医师在模拟器上的独立工作。

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