В настоящее время в мировой науке значимыми и перспективными являются исследования, выполняемые на стыке медицинской науки и информационно-вычислительных технологий. Современное медицинское образование сталкивается с происходящей технологической революцией, изменением информационной среды вокруг нас. К уровню подготовки выпускников медицинских вузов предъявляются все более высокие требования. Переход в обучении студентов на новые стандарты меняет и сам подход к подготовке специалиста, что подразумевает формирование компетенций, а не только знаний, умений и навыков как это было прежде. Все это требует более активного использования в учебном процессе современных образовательных технологий. Мировое сообщество признало, что в будущем симуляционное обучение может стать ведущим механизмом профессиональной подготовки, к которому будут иметь равный доступ все специалисты. Технологические достижения в применении симуляции уже позволили воспроизводить клинические сценарии с растущей экономической эффективностью и высокой реалистичностью, которая в ближайшие годы будет неуклонно расти. Более высокая механистическая реалистичность будет достигаться за счет комбинации робототехники, виртуальной реальности (CAVE-система) и хептики с существующими технологиями. Включение других систем медицинской подготовки, в том числе визуализации и телемедицины, позволит экспериментировать с новыми условиями симуляции [1–3].
Целью настоящего исследования является разработка методологических подходов в применении новых инновационных симуляционных и виртуальных технологий в образовательный процесс с оценкой их эффективности.
Материал и методы исследования
Кафедра оперативной хирургии и клинической анатомии с курсом инновационных технологий Самарского государственного медицинского университета одной из первых в России начала делать активные шаги по разработке и внедрению симуляционных и виртуальных технологий в медицинское образование. Для разработок в данном направлении под руководством заведующего кафедрой профессора А.В. Колсанова в СамГМУ был создан Центр прорывных исследований «Информационные технологии в медицине».
Благодаря сотрудничеству 3D-разработчиков, сотрудников кафедры и клинических специалистов разработан аппаратно-программный комплекс (АПК) «3D-Виртуальный хирург», представляющий собой линейку симуляторов для эндоскопической, эндоваскулярной хирургии и хирургии с открытым полем. Патологические ситуации, отраженные в симуляторе, смоделированы с реальных патологических случаев. Работа на 3D-симуляторах позволяет не только приобрести практические навыки, но и развить тактическое и клиническое мышление хирурга.
Кроме того, создан 3D-анатомический атлас «Inbody Anatomy» и стол («Пирогов») – программно-аппаратный комплекс в виде анатомического препаровочного стола с возможностью интерактивной работы с трехмерной моделью человеческого тела для использования в качестве визуального обучающего материала в широком кругу естественных научных дисциплин, таких как анатомия, патологическая анатомия, топографическая анатомия, рентгенология и др.
Первой задачей была разработка обучающих компьютерных программно-аппаратных комплексов. В рамках этой работы были подготовлены узкие специалисты – инженеры компьютерной графики с глубокими знаниями нормальной и патологической анатомии человека. Результатом труда данных специалистов совместно с коллективом морфологов явилось создание трехмерной полигональной модели анатомии человека высокого реализма, значительно превосходящей зарубежные аналоги по детализации и достоверности.
Следующим этапом работы стало изучение алгоритмов практической деятельности врача с позиции теории игр, что подвело научную базу под создание обучающих программ – таких, например, как компьютерная программа «2D Виртуальный хирург». Исполненная в виде веб-приложения, данная программа дает возможность освоить этапы выполнения хирургических вмешательств в виде последовательности действий, запомнить названия хирургических инструментов, понять их предназначение, оценить знания.
Опыт в создании анатомических моделей и учебных алгоритмов позволил коллективу Самарского государственного медицинского университета приступить в рамках выполнения гранта Министерства образования и науки Российской Федерации к созданию серии хирургических симуляторов «3D Виртуальный хирург» – эндоскопической хирургии и гинекологии [4].
Для повышения степени реализма был разработан специальный тензометрический стенд, при помощи которого были изучены усилия, необходимые для смещения, деформации, повреждения различных тканей брюшной полости человека, что дало возможность запрограммировать систему обратной тактильной связи с высокой степенью достоверности. Трехмерная сцена, реализованная в симуляторе, включает весь отдел брюшной полости, а также специальную тренировочную среду. В симуляторе реализованы базовые эндохирургические навыки (задания на координацию «рука-глаз», разъединение и соединение, фиксацию и экспозицию тканей, завязывание узлов, гемостаз), а также лапароскопическая ревизия брюшной полости.
В направлении развития технологий дополненной реальности ведется проект «Автоплан» (грант Минпромторга Российской Федерации) – система автоматического контроля и планирования техники выполнения операций. Целью проекта является создание модульной системы планирования операций на персонифицированных трехмерных моделях, полученных в ходе томографического исследования, а также принятие решения о тактике операции с использованием системы дополненной реальности. В результате выполнения проекта создан аппаратно-программный комплекс, позволяющий выводить непосредственно во время операции дополнительные данные конкретного пациента (компьютерная томография, магнитно-резонансная томография, ультразвуковое исследование, пульс, давление и др.), а также осуществлять привязку к конкретному органу. Таким образом, хирург имеет возможность увидеть реконструкцию внутренних структур человека с привязкой к конкретной части тела без рассечения мягких тканей. Симулятор хирургии с открытым операционным полем служит для развития базовых хирургических навыков, а также отработки техники выполнения различных хирургических доступов. Данный симулятор опередил время – в настоящее время подобные комплексы только создаются ведущими производителями США.
Принципиально новым стал и педагогический подход к созданию 3D-симулятора. Обучаемый должен осознавать свое наличие в лечебной среде, свою неразрывную связь с оперируемой пациенткой, с ее патологическим состоянием. Для этого лечебные кейсы реализованы в виде задач. Доктору предлагается не только выполнить технические действия, но и оценить клиническую ситуацию, принять верное тактическое решение. Действия оператора не просто изменяют виртуальные ткани и определяют его оценку за работу, они могут ухудшать состояние виртуального пациента, провоцируют развитие у него осложнений, с которыми далее придется бороться. Это, несомненно, повышает реализм симуляции и значимость такого обучения в целом.
Полученный опыт позволил коллективу Самарского государственного медицинского университета подготовить атлас трехмерной анатомии человека. Разработанный атлас человеческого тела «Inbody Anatomy» является уникальным по анатомическому, топографическому и клиническому наполнению и включает в себя более 12 слоев и систем человеческого тела (всего более 3000 полигональных 3D объектов), модели связочного аппарата, внутриорганные структуры, кровеносные сосуды, иннервацию, пути оттока лимфы, протоки, долевое и сегментарное строение внутренних органов. В атласе также смоделировано более 100 типичных патологических состояний основных органов, включено около 4 Гб диагностической информации. Все модели в атласе представлены с естественными фотографическими текстурами.
Результаты и обсуждение
В СамГМУ на кафедре оперативной хирургии и клинической анатомии с курсом инновационных технологий организована виртуальная хирургическая клиника, совмещающая инновационные разработки кафедры в сфере симуляционных и виртуальных технологий. Обучение в виртуальной хирургической клинике позволяет будущим врачам познакомиться с устройством реальной клиники от приемного покоя до операционной, проводить манипуляции и операции на 3D-симуляторах и тренажерах без риска причинения вреда реальным больным [5].
Для итогового контроля знаний на разработанных 3D – симуляторах нами была использована оценка как полученных мануальных навыков, так и результатов решения предложенных кейсов. При оценке результатов используется 100-балльная система, по которой можно интерпретировать результат следующим образом: 86–100 баллов – «отлично», 71–85 баллов – «хорошо», 51–70 баллов – «удовлетворительно», 50 баллов и меньше – «неудовлетворительно». В начале симуляции дается 100 баллов, далее в ходе виртуальной операции за неверные действия и некоторые параметры (длительность операции, кровопотеря) накладываются штрафы, которые автоматически выводятся на экран вместе с конечной оценкой по завершению манипуляции (таблица). Штрафы за оценку можно разделить на 3 группы:
- Отклонение от «эталона» разреза (от 40 до 100 штрафных очков).
- Кровотечение и время операции.
- Отхождение от сценария операции (преждевременное повреждение апоневроза, предбрюшинной клетчатки, использование неверного инструмента и др.).
Тестирование студентов, клинических интернов и ординаторов на аппаратно-программном комплексе «3D – Виртуальный хирург» проходит на базе тренингового центра кафедры оперативной хирургии и клинической анатомии с курсом инновационных технологий и является заключительным контролем при обучении.
Для тестирования на симуляторе эндоскопической хирургии фокус- группу составили 524 студента старших курсов, их результаты сравнивались с результатами сдачи зачетов по практическим навыкам и знаниям 224 студентов, которые не проходили обучения на симуляторе.
По результатам тестирования констатировано, что у студентов, прошедших обучение на 3D-симуляторе эндоскопической хирургии, не возникало трудностей при сдаче зачета, а также отмечалось улучшение визуального представления той или иной топографической области и органов, их взаиморасположения и изменений при патологических процессах.
Получены следующие результаты: из 524 студентов, прошедших тестирование на симуляторе, оценку «отлично» получили 46 студентов, что составило 8,8%; оценку «хорошо» – 185 студентов (35,3%); оценку «удовлетворительно» – 261 студент (49,8%); оценку «неудовлетворительно» – 32 студента (6,1%). Из 215 студентов группы сравнения получены результаты, которые однозначно свидетельствуют об эффективности образовательного процесса с использованием аппаратно-программного комплекса («отлично» – 3,2%; «хорошо» – 26,9%; «удовлетворительно» – 51,1%; «неудовлетворительно» – 18,8%).
На кафедре акушерства и гинекологии ИПО совместно с кафедрой оперативной хирургии и клинической анатомии с курсом инновационных технологий на клинической базе кафедры ЗАО «МК ИДК» разработана программа проведения мастер-классов по лапароскопической гинекологии («Внутриматочная эндоскопическая хирургия», «Общие принципы лапароскопии», «Хирургическое лечение генитального эндометриоза», «Трансвагинальная гидролапароскопия», «Лапароскопия в онкогинекологии»). Программа обучения ориентирована на слушателей из различных регионов России с использованием разработанных в СамГМУ вышеперечисленных компьютерных технологий, анимальных моделей (свиньи) и работы в лапароскопической операционной. Программа апробирована в течение 5 лет, постоянно усовершенствуется, усложняются тестовые контрольные вопросы, дополняются ситуационные задачи, оптимизируется возможность доведения до совершенства полученных практических навыков. В период с 2009 по 2014 гг. было проведено 25 мастер-классов. Обучено более 200 специалистов из таких городов России как Самара, Тольятти, Челябинск, Новороссийск, Саратов, Пенза, Саранск, Краснодар, Оренбург и др. По итогам обучения выдаются удостоверения государственного образца (72 часа).
Заключение
Использование современных технологий дает возможность сформировать новые стандарты преподавания в медицинских ВУЗах и повысить его качество. Молодой специалист, прошедший курс обучения в виртуальной хирургической клинике, будет увереннее чувствовать себя в реальной операционной и, соответственно, сможет лучше выполнить операцию.
В настоящее время в рамках гранта Министерства образования и науки Российской Федерации подготовлен программный комплекс, который позволяет научно-педагогическим коллективам разрабатывать свои собственные кейсы, алгоритмы и сценарии для симуляторов.
13 октября 2013 года инновационные проекты Самарского государственного медицинского университета были представлены ректором, академиком РАН Г.П. Котельниковым на Совете ректоров медицинских и фармацевтических вузов России, основным вопросом которого было обсуждение концепции симуляционного образования в медицинских вузах страны. Министр здравоохранения Российской Федерации В.И. Скворцова высоко оценила разработки самарских ученых. Кроме того, в ноябре 2013 года профессор А.В. Колсанов представлял разработки ученых СамГМУ на Московском международном форуме инновационного развития «Открытые инновации», в декабре 2013 года – в Брюсселе на демонстрационном стенде компании «Майкрософт» «IT – технологии на службе медицины», а в 2015 году – на общероссийском народном фронте.
Таким образом, опыт информационно-вычислительных исследований в медицинском вузе с обязательной интеграцией с Центрами биомоделирования и интерактивной визуализации может принести реальные плоды, а также стать платформой для дальнейшего становления и развития непрерывного профессионального образования, в том числе и на кафедрах акушерства и гинекологии.
