网络环境下数字切片库的构建及其在病理教学中的应用△

刘宇飞 汪慧娟 胡余昌 鲁 华 黄益玲 郎博娟

(1.三峡大学病理学研究所&宜昌市中心人民医院病理科 宜昌 443003；2.宜昌市中心人民医院财务科 宜昌 443003；3.三峡大学病理学研究所&三峡大学医学院病理学系 宜昌 443000)

病理学是临床医学与基础医学的桥梁学科，在临床医疗实践中，依靠直观地观察疾病的形态学改变来作出病理学诊断，是迄今诊断疾病的最可靠的方法。作为一门直观性很强的形态学课程，病理学实验课教学居于非常重要的地位，其教学效果直接影响着临床医学生对病理学知识的理解和掌握，以及运用病理学知识分析疾病的能力。传统教学模式中基于显微镜下观察病理切片，辨识病变组织的形态特征是病理学实验课教学的重点和难点。然而，目前传统的病理实验教学实践中却存在以下一些问题：(1)囿于宏观和微观的巨大差异，学生往往不能准确辨认出病变组织的镜下特点；(2)传统病理学实验教学所用的玻璃切片数量少、易毁损且缺乏特殊染色和稀缺标本；(3)组织来源不一、玻片制作水平不一，染色深浅各异，制作切片标本的蜡块也会由于切片深度不一，导致形态结构不一致，切片的质量难以保证；(4)学生学习必须依赖于显微镜和实验室观察标本，需在专业实验室内进行，受时间和空间的限制。以上问题导致了学生在病理学实验中处于被动接受为主的地位，缺少独立思考和强化训练的过程，不利于发挥学生学习的主动性，教学效果不佳，难以培养学生团队协作和创新能力。

随着信息化技术的迅猛发展及新的教学理念的转换，将普通HE或特殊染色的玻片扫描、重构成数字化切片，以图像的方式呈现给学生，模拟显微镜观察切片全过程的全数字病理切片技术给传统的病理学实验教学带来全新模式的变革。而结合网络教学平台的应用可以实现病理教学资源的共享，克服了传统病理实验教学依赖实验室显微镜才能观察切片的固有弊端，打破了时间和空间限制，方便学生进行主动学习。因此，构建病理学数字切片库并用于教学可有效利用和整合资源、创建新的实验教学体系，推动教学改革和信息化进程。本文结合近年来的工作经验探讨网络环境下病理数字切片库的构建以及在实际教学中的应用，现报道如下。

1 材料和方法

1.1 材料

根据人民卫生出版社全国统编教材《病理学》(第8版)的内容，结合作者所在单位三峡大学病理学研究所的实验教学大纲和教学内容，挑选病变形态特征典型、染色均衡鲜艳、无明显褶皱和刀痕的切片为数字切片的母版，从100余张教学切片中精选80张不同类型典型病例的HE染色切片。

1.2 方法

应用国产全自动数字切片扫描仪(江丰生物科技有限公司，型号：KF-PRO-005)扫描成数字切片。制备过程如下：首先使用全自动显微扫描平台，在低倍物镜(2倍)下快速扫描整张切片，扫描系统在此基础上自动生成建模基点，再在高倍物镜(40倍)下以基点为坐标进行逐层逐点扫描，这样就能获得一张无缝拼接的高精度、高分辨率全视野的数字切片，其内包含了玻璃切片上的所有信息；再借助Motic DigiLab II 软件系统在电脑上观察，通过鼠标或键盘操作，可自由观察图像的任意位置，不仅能够在2～40 倍的缩放范围内无极倍率变化，还能同时保证浏览的流畅性；将制作完成的数字切片标注病变名称或编码，建立适合三峡大学病理学实验教学的数字切片库。

1.3 构建网络病理数字切片平台

将扫描的数字切片，上传至三峡大学病理研究所数字切片网络平台(http:3xia.kfbio.cn/login.aspx)，实现了切片数字化和网络化。

1.4 数字切片教学实施和评价

我们在2016级临床医学专业本科病理学实验教学采用数字切片和传统玻璃切片相结合的实验教学。经三大中文和Web of Science数据库检索发现，数字切片教学效果评价指标一般选取以下方面: 学生成绩( 理论或实验) 、学生主观感受和其他指标如学生学习时间和教师投入时间等[1]。因此，把2016级临床医学本科1班作为对照组，采用传统病理组织玻璃切片进行实验教学与考核；将2016级临床本科2班40 人作为实验组，由同一位教师用数字切片进行实验教学与考核。我们在病理实验教学课程结束后向所有参加教学改革8名教师和160名本科生学生发放调查问卷，问卷内容包括与传统教学模式相比，数字切片新实验教学模式是否更能激发学习兴趣、学习是否更主动积极、是否更有利于讨论交流等。

1.5 统计学方法

2 结果

2.1 数字切片扫描结果

根据传统HE染色玻片和扫描设备的特点，挑选符合规格的数字教学切片，逐一扫描，共计80张。

2.2 病理数字切片库建立

病理数字切片库主要由3部分组成: 容量为1T移动硬盘、80张数字切片和浏览软件。浏览软件为江丰生物科技有限公司提供的Motic DigiLab II软件系统。

2.3 网络数字病理切片平台应用

本所内的教师、医生和学生可用不同的账号和密码登陆，无需安装软件即可随时直接浏览、学习本网络平台上的数字切片。

2.4 数字切片教学效果评价

统计分析学期末两组学生实验考试成绩。结果显示，实验组学生的实验考试成绩为(90.93±6.69)分，优于对照组的(86.35±9.12)分，差异有统计学意义(t=1.994，P=0.012)，见表1。通过调查问卷结果显示，88.24%参与数字切片教学的学生和100%的实验课教师认为数字切片教学要优于传统玻璃切片教学模式。数字切片方便操作，提高了教师的教学质量同时也激发学生的学习兴趣，学习更主动积极，有利于讨论交流，见表2～3。

3 讨论

病理大体标本、光学生物显微镜和HE染色玻片是主要的传统的病理学实验教学的载体，教学载体陈旧单调，学生操作机会少，实验教学方法较为单一，学生与老师之间的共享信息量相对较少，实验中的典型形态结构无法及时展示给所有学生且需耗费教师大量的精力，导致学生学习的主观能动性不够，不利于培养和提高学生的临床思维、综合分析解决问题和创新的能力。因此，改革现有陈旧的实验教学模式迫在眉睫。

目前包括数字切片在内病理学虚拟资源的发展，更新了病理学实验教学手段，为解决当前病理学实验教学中所遇到的问题提供可能。病理学数字切片库具有以下诸多优点：(1)解决了教学资源日益匮乏的难题，虚拟切片将原始切片转化为电子资源，便于永久储存和管理；数字切片不会褪色、磨损，还包含原玻璃切片的全部信息，分辨率高，图像清晰，便于复制和携带，保证了教学的一致性。尤其是一些少见病变组织扫描后可以永久使用，提高了教学资源的利用率；(2)可通过外加相应的荧光光源和更换滤光镜扫描玻璃荧光切片，克服了荧光切片易褪色、不宜长久保存的缺点；(3)节省了切片制作过程中的人力、物力和财力，节约教学成本，可有助于缓解目前实验技术人员短缺的难题；(4)数字切片可利用专用图像浏览软件模拟显微镜观察模式，不受显微镜和场地限制；(5)通过将成熟的虚拟资源上传至网络服务器可以实现网络化，教师和学生在任何地方都可以借助一台电脑、智能手机和网络进入病理实验室进行自主学习，突破了实验教学上时间和空间的限制，满足了学生个性化学习方式的需求，大大提高了学习效果；(6)数字切片可通过全景导航图迅速直观地帮学生定位病变区域，从而节约教师的精力，教师可以有充足的时间来引导学生开展自主式学习、合作式学习及探究式学习，使学生上升到学习的“主体”地位上，真正以主角身份参与教学过程；学生还可以通过观察已编辑标注好的数字病理切片，更快更好地理解和掌握病变特点，提高了学习效率；(7)病理学数字切片库还可以帮助学生复习，教师答疑时针对学生的疑问利用数字切片进行解答，学生易于理解，尤其是带有普遍性的问题，教师可以一同解答，非常方便、高效；(8)应用数字切片进行实验考试，考试内容统一，不受切片质量影响，确保了考试的客观性；(9)各院校之间虚拟资源共享能校际间的合作和交流，互通有无，丰富教学内容，使病理学教学得以快速发展。

表1 数字切片实验教学成绩比较

表2 数字病理切片教学效果调查表(教师)

表3 数字病理切片教学效果调查表(学生)

决定了数字切片未来的走向的是其在实际教学的效果，而通过考试形式获得的学生成绩是重要的评价指标之一。在数字病理教学平台初步构建完成后，我们针对学生进行了试探性教学。调查问卷结果显示大多数学生充分肯定了数字病理教学的优点，认为数字病理教学有益于提高他们对病理学知识的学习掌握，网络数字病理平台的开放对他们预习或复习病理知识有很大的作用。与对照组比较，实验组病理实验切片考核成绩得到了显著的提高(P=0.012)，表明数字切片教学有利于提高学生的学习成绩。国内外的研究结果显示数字切片相比于传统玻片教学能促进学生成绩上调[2]，虽然可能只是适度提高[3]，但病理学数字切片教学所展示出的优越性毋庸置疑。数字切片单用于实验教学也存在着一定的问题:(1)虚拟资源完全替代实际玻片会降低学生动手能力及显微镜使用能力，而光学显微镜系统在病理、临床诊断、科研等方面是需要的，尤其在科研的探索中需要使用光学显微镜先去发现和寻找有价值信息，然后才是数字化的记录；并且光镜观察同一器官结构的多个标本，容易发现标本间的差异，有利于空间结构的建立，而一般数字切片库所含的标本数目较少；(2)数字切片容易使学生把精力浪费在浏览切片文件上，而对课程内容无法深入学习；(3)实验技术人员制作切片的实验技术流失，不利于病理学的长远发展；(4)购买扫描系统、建立网络数字切片库的费用相对昂贵；(5)对于某些特殊规格的切片，如前列腺大尺寸切片等，有一定的扫描难度，需要不断地摸索；(6)目前尚无油镜扫描设备，对需要放大倍数更高才能观察清楚的精细结构或细胞目前通过数字切片还达不到要求[4]；(7)荧光切片需要外加相应的荧光光源和更换滤光镜，费用也不菲。鉴于数字切片和传统光学显微镜这两种系统有各自的优势，我们认为在教学中混合使用是不错的选择。此外，虽然在网络环境下学生可以利用数字切片自主学习，突破时间和空间的限制，但有报道更倾向于使用电子学习资源及课堂外自学的美国密西根大学医学生中自学学生的学习成绩却低于那些使用课堂教学资源的学生，这表明学生使用不同的学习资源和学习方式对其学习成绩的影响[5]。因此，实验课堂教学仍不可或缺[1]。

总之，病理学数字化教学切片数据库的建立和推广使用为教学工作提供有效的工具和交流平台，我们将继续完善、补充该数据库，并将基于该平台进行相关形态学实验教学的改革和信息化进程，真正实现以学生为中心的学习，为学生打造优质的自主学习平台。