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麻醉学是一门实践性很强的学科,其危急重症具有不可复制性且理论教学不易融入临床实践。若处理不当,将升级为严重的麻醉并发症,甚至导致麻醉相关死亡。培养临床思维,提升风险预见、危机预防及处理能力,强化危机管理意识,有利于降低麻醉不良事件,从而保障患者安全。情境模拟教学和危机资源管理通过虚拟现实(Virtual Reality,VR)技术将学生置于虚拟环境,为医学教育提供了一个安全、真实和可控的环境。同时结合线下模拟教室,模拟多种临床案例提升学生临床能力。教师端可结合后台实验数据,绘制学习曲线,对学生进行形成性评价。

实验教学目标(实验后应该达到的知识、能力水平)

1.课前预习,掌握麻醉先备理论知识

2.通过虚拟患者模拟麻醉相关操作、麻醉诱导与麻醉维持等

3.通过3D全景高仿真麻醉临床案例模拟,增强学生临床思维能力与危机资源管理能力

(1)实验原理(限1000字以内)

构建3D全景式高仿真虚拟手术室,学生可高度沉浸在其中进行训练,与虚拟手术医生、患者、设备进行交互。虚拟手术室内含有如下设备和人员:麻醉机插管车、监护仪、输液泵、智能药车、手术台、患者、术者、助手等。备静脉麻醉药和吸入麻醉药进行全麻,模拟不同患者的麻醉诱导和麻醉维持过程。

循环监测数据:心率、心电图、有创血压、无创血压、中心静脉压、心输出量和每搏量变异度。通气监测数据:吸气峰压、呼气末正压、潮气量、呼吸频率、吸气末氧浓度、呼气末氧浓度、吸入麻醉药浓度和MAC。氧合监测数据:血氧饱和度、呼气末二氧化碳(波形、数值)。肌松监测数据:TOF监测、强直刺激。 所有数据实时显示,当给药或者病情变化时对应数据会实时相应变化。麻醉深度监测:narcotrend等。

每个案例均内置临床麻醉中常见的药物及其药代动力学和药效动力学数据。学生以第一视角方式扮演麻醉医生在虚拟患者身上进行麻醉操作准备、全麻诱导

和麻醉维持。根据病史,评估患者的状态并制定麻醉策略。通过点击输液泵选择液体和流速,可供选择的液体有:醋酸钠林格液、生理盐水、5%白蛋白、冷冻新鲜血浆等。通过点击插管车选择气道管理和气管插管操作。点击智能药车可以选择各种麻醉用药和血管活性药物。用药之后对应的监测数据会有相应变化。

点击患者,可以调整患者体位、体温控制、肺部听诊以及病人状态。点击患者状态可实时观察反应麻醉深度的状态。点击麻醉机可以选择自主呼吸、人工辅 助通气和机械通气模式,在选择机械通气后可以调节潮气量、呼吸频率、PEEP等。 可以通过点击空气、氧气、笑气流速调节按钮调节氧气浓度。点击麻醉机挥发罐 可以调节七氟烷、地氟烷等吸入麻醉药的浓度,吸入麻醉药浓度的监测数据会相 应地缓慢升至选择的浓度。点击术者可以和手术医生互动。点击助手可以让助手 进行CPR和除颤操作。点击辅助检查按钮,可以实时查看实验室检测结果,如血

气分析、电解质、血糖等。

所有操作动作和相应的得分数据均实时保存;点击麻醉操作记录即可随时调阅;操作结束提交成绩,系统自动分析和反馈。

知识点:共5个

1.麻醉前评估:ASA分级、困难气道、合并内科系统疾病患者的评估等

2.麻醉相关监测:基础生命体征、高级血流动力学、镇静深度、SPI、肌松监测3.麻醉相关临床操作技能和超声操作技能

4.麻醉危机事件(具有临床不可重复性)处理:过敏性休克、肺栓塞、困难气道、恶性高热、嗜铬细胞瘤等

5.汇总训练数据,绘制学习曲线,进行形成性评价

(2)核心要素仿真设计(对系统或对象的仿真模型体现的客观结构、功能及其运动规律的实验场景进行如实描述,限500字以内)

虚拟病人一般资料介绍、入室后基本生命体征数据,仿真手术室内场景布置包括麻醉机、麻醉一次性耗材、智能药车等。下拉框显示患者实验室检查数据和影像资料。3D模拟进行麻醉技能操作、麻醉诱导和术中管理。管理员端设置教案选择模块,按内置教案脚本实施授课。

教学实施分3个模块

1.课前:发布培训课程信息,学生通过手机/平板/PC端先修知识点并理论测试

2.课中:虚拟病人3D全景模式教学案例实施,后台备教案库

3.课后:系统理论考试和移动终端app虚拟病人测试

培训管理模块含管理员账号、教师账号、学员账号

1、管理员账号

1.1、对所有教师用户进行统一的增加、删除、修改、查询

1.2、对所有学生用户进行统一的增加、删除、修改、查询

1.3、对所有病例数据进行统一的修改、编辑、重置

1.4、可对所有的班级数据进行统一的增加、删除、修改、查询2、教师账号

2.1、对每个学生账号信息的增加、删除、修改、查询以及不同时间段学习情况的纵向统计和比较

2.2、查看可用病例库以及进入虚拟患者模块操作演练

2.3、同步可视化列表以及时间选择插件给予考核或训练任务发布

2.4、查看以往任务信息以及可视化数据统计,可对班级中所有的学生每个步聚进行详细的统计和比较。可查看统计结果,并可导出表格以及图片。

3、学生账号

3.1、以练习或者考核两种模式进入虚拟患者模块

3.2、自动生成操作记录

(1)学生交互性操作步骤,共10步

步骤序号

步骤目标要求

步骤合理用时

目标达成度

赋分模型

步骤

满分

成绩类型

1

课前理论测试

30min

预习成绩

20


2

病例基本资料

5min

操作成绩

5

☑操作成绩

☑实验报告

☑预习成绩

☑教师评价报告

3

问诊补充资料

2min

操作成绩

5

4

补充实验室检查和影像资料

3min

操作成绩

5

5

超声引导区域阻滑

10min

操作成绩

5

6

超声动替脉穿刺

5min

操作成绩

5

7

全麻诱导

5min

操作成绩

5

8

教学案例

30min

实验报告

10

9

课后测试

30min

操作成绩

40


10

系统评价

2min

评价报告

100


(2)交互性步骤详细说明

以过敏性休克为例:课前进行过敏性休克病因、病生理和急救流程理论知识测试;课上给予患者基本信息,引导学生病史询问,查看实验室和影像学检查结果,接生命体征监护,进行麻醉基本操作,全麻诱导后出现休克症状和体征,训练学生临床思维和紧急处理能力;课后进入考核模式。系统评价和复盘,给予最终成绩

实验结果与结论(说明在不同的实验条件和操作下可能产生的实验结果与结论)

1.熟练掌握麻醉相关理论知识

2.安全有效地做好患者术前评估

3.熟练掌握麻醉相关超声引导基本操作

4,临床病例情境模拟和危机资源管理:以过敏性休克为例,诊断错误、血管活性药物选择错误、液体补充不及时等均会导致不良事件发生

5.系统给出评估报告

6.教师查看操作记录和评估报告,给与适时指导

7.学生学习过程的记录和反馈

8.学生学习成绩的表单管理

Web方式:移动终端app课前自主学习和课

后考核;3D客户端通过内网进行实验室情境

模拟。

1、局域网本地服务器,可供超过300人同时在线进行教学、训练和考试。

2、应用医学数学建模技术,实时显示各种监护仪参数及声音变化。

3、临床实景建模,再现3D全景式虚拟手术室及虚拟手术设备、麻醉设备、抢救设备、医护人员及手术病人等。

4、应用虚拟现实技术Unreal Engine 4开发虚拟交互逻辑程序,系统运行平稳。

5、C/S架构,终端需安装运行程序,可在医院局域网内任意电脑使用及管理。

6、兼容Windows7及以上版本的64位系统。

7、采用Apache+PHP+MySQL服务器运行环境,拥有良好的安全性、可扩展性及执行速度快的优势。

8、用户端开放操作并实时保存训练记录到本地服务器储存,经后台系统综合分析后,统计结果可以图表形式展示,同时可以再导出统计训练结果。

开发技术

☑VR□AR□MR☑3D仿真☑二维动画☑HTML5

口其他

开发工具

☑Unity3D□3D Studio Max☑Maya

□ZBrush□SketchUp□Adobe Flash

☑Unreal Development Kit□Animate C

□Blender☑VisualStudio

☑其他PycharmIDEA

运行环境

服务器

CPU64核、内存64GB、磁盘8T、

显存24GB、GPU型号RTX4090

操作系统

☑Windows Server□Linux□其他

具体版本:

数据库

√Mysql□SQLServer□Oracle

口其他

备注说明(需要其他硬件设备或服务器数量多于1台时请说明)

是否支持云渲染:◎是○否

实验品质(如:单场景模 型总面数、贴图分辨率、每帧渲染次数、动作反馈时间、显示刷新率、分辨率等)

单场景模型面数:不超过60万个;贴图分辨率:4096px*4096px; 每帧渲染次

数:60ca1ls;动作反馈时间:10ms;显

示刷新率:120FPS;分辨率:2560ppi *1440ppi其他:1.系统中所有素材,包括

模型文件,纹理贴图,高光贴图,纹理描述文件,文件名均使用英文字符,无汉字,不重名。模型文件格式统一为obj格式。大

型模型采用压缩格式,压缩比50%~20%之间。2.系统中所有模型均采用比例为1:1, 非漫画,非拟人化。手术室按照真实比例设计。人体器官及组织,包括鼻子,咽喉,喉

气管,支气管和肺模型按照真实比例设计纹理,颜色,高光等,使用者在获得授权后可以自行设计更改。3.手术室属于大型模

型,纹理上带有灯光效果,包括高光、反射、

阴影等。 4.为了提高真实度,模型采用分离式材质球,即一个模型,包含多个材质球多个纹理贴图,多个高光贴图。比如,模特分为皮肤材质球、气道材质球、肺部材质球肌肉材质球。5.动作反馈设时间为10毫

秒,刷新频率为60帧,最佳分辨率为

2560*1440。6.单个模型面数根据场景、模型、组织的需求采用三角形数不一样,为提

高真实度及操作流畅之间的平衡,适度调整降低点数及经过UV设置。7.场景模型:三角形数16800个面,顶点8898个点,性

能数据150个绘图调用数及165个节点

数;人物模型:三角形数81000个面,点 数贴图大小960*960; 鼻子模型:三角形

数29250个面,顶点14250个点,贴图大小750*750;咽喉模型:三角形数29250个面,顶点14250个点,贴图大小

750*750;喉模型:三角形数19500个面

顶点5700个点,贴图大小750*750;气管模型:三角形数22750个面,顶点11850

个点,贴图大小750*750;支气管模型:三

角形数29250个面,顶点19050个点,贴图大小750*750;肺模型:三角形数22750

个面,顶点11850个点,贴图大小

750*750。

相关实验
团队成员
张军|主任医师
负责人

Email:snapzhang@aliyun.com

肿瘤医院麻醉科住培和专培基地主任。主译肿瘤麻醉领域第一本教科书《肿瘤麻醉学》:参与编写《临床麻醉学病例解析》、《2023 麻醉学新进展》;参与科室微信公众号“论肿道麻”每周外文文献的翻译、述评和推送。

个人主页:https://www.shca.org.cn/Home/doctor/intro/pid/452