Kombination von simulationsbasiertem Lernen und Online-Learning in der Augenheilkunde

Wie wichtig es für alle Studierende ist, Basisfertigkeiten in der Ophthalmologie zu erlernen, konnte eine Umfrage von 93 Studierenden zeigen [1]; 53 % dieser Gruppe sind später neben der Ophthalmologie in Fachbereichen wie Innere Medizin, Pädiatrie, Gynäkologie, Allgemeinmedizin, Neurologie oder Notfallmedizin tätig, in denen ein Screening des Auges eine essenzielle Fertigkeit darstellt. Die Ausbildung mithilfe von echtem Instrumentarium wird jedoch seit Jahren dadurch erschwert, dass zum Zeitpunkt des Praktikums nicht genügend Patienten mit verschiedenen Erkrankungsbildern zur Verfügung stehen und darüber hinaus Zeitdruck in den Ambulanzen besteht. Die typische Alternative – die Auszubildenden untersuchen sich gegenseitig – ist meist nicht kompatibel mit deren Tagesablauf (Pupillenerweiterung, Lese- und Fahruntüchtigkeit), zudem wird hierdurch systematisches Lernen von Pathologien und deren Behandlungsoptionen [2] erschwert. Für eine systematischere und effektivere Lehre wurden bereits verschiedene Anstrengungen unternommen. So wurde neben dem klinischen Training von Lippa et al. [1] der Fundoskopiesimulator CLEO (Clinical Learning Experience in Ophthalmoscopy) verwendet. CLEO ist ein anatomisch korrekter Simulator, bei dem ein Schaufensterpuppenkopf mit einem erweiterten und einem nicht erweiterten Auge verwendet wird. Die Netzhäute dieser beiden Modellaugen werden durch einen Diabetrachter mit dem Dia einer Fundusfotografie (35-mm-Weitwinkeloptik [60°]) mit bekannter Pathologie simuliert [1].

Kelly et al. [3] beschreiben ein Styropormodell, bei dem fotografische Aufnahmen echter Retinae auf dem Innenboden eines weißen Polyethylenzylinders (ähnlich eines Kleinbildfilmdöschens) angebracht sind. Eine Linse, die in die Öffnung des Polyethylenzylinders eingesetzt ist, reproduziert die optischen Abbildungsverhältnisse des echten Auges. Das Training verschiedener Erkrankungsbilder mithilfe dieser Anordnung führt zu einer signifikanten Leistungsverbesserung.

Die Möglichkeit, typische Krankheitsbilder anhand von Fundusfotografien zu erlernen, wird mit den Simulatoren Eyesi Direct und Eyesi Indirect mit Virtual-Reality-Techniken weitergeführt und mithilfe der von uns entwickelten Online-Plattform EyesiNet um klassische text- und bildbasierte Lehrinhalte ergänzt. In dieser Kombination werden definierte Lerninhalte reproduzierbar und für alle gleichermaßen zur Verfügung gestellt, sodass – unabhängig von personellen Schwankungen – allen Auszubildenden die gleichen Möglichkeiten geboten werden. Der durch das standardisierte Training erzielte individuelle Lernerfolg wird mess- und vergleichbar. Ein sehr nützlicher Nebeneffekt des computergestützten Trainings ist, dass die Studierenden im Bedarfsfall ihren Lernprozess unabhängig von Lehrveranstaltungsorten und festgelegten Zeiten eigenverantwortlich weiterführen können.

Der angehende Mediziner lernt, typische Krankheitsbilder auf Abruf kennenzulernen und diese ggf. später in Diensten und in Stresssituationen – unabhängig von der Fachdisziplin – wiederzuerkennen, richtig einzuschätzen und die Behandlung korrekt einzuleiten. Dies kann je nach Erkrankungsbild ausschlaggebend für den Erhalt der Sehkraft werden.

Die von uns verwendeten Simulatoren Eyesi Indirect und Eyesi Direct (Firma VRmagic, Mannheim, Deutschland, Softwareversion 1.8) bestehen aus der Nachbildung des jeweiligen Instruments (direkte bzw. indirekte Ophthalmoskopie mit binokularer Hutophthalmoskopie), einem Patientenmodell, einem Touchscreen-Monitor sowie einem PC (Abb. 1).

Im Okular des simulierten direkten Ophthalmoskops (Eyesi Direct) sieht der Untersuchende eine rein virtuelle Darstellung der beobachteten Strukturen, insbesondere des Augenhintergrunds.

Im Unterschied dazu erfolgt bei Eyesi Indirect die Darstellung mittels virtueller und erweiterter Realität („virtual and augmented reality“), d. h. der Untersuchende sieht das reale Bild seiner Umgebung über ein Videosignal auf Displays im Hutophthalmoskop, allerdings wird anstelle der physisch vorhandenen Patientenmaske ein virtueller Patient in das Bild gemischt. Auf diese Weise kann der Untersuchende seine eigene Hand unter Ophthalmoskopsicht weiterhin kontrollieren und – für diese Untersuchungsmethode sehr wichtig – sich unter Sicht am Kopf des Patienten abstützen, um eine stabile Position für die Untersuchungslupe zu finden. In dieser Mischung aus echter und virtueller Situation entsteht eine realistische und dynamische 3‑D-Lernumgebung.

Bei beiden Simulatoren werden die virtuellen Patienten auf täuschend echte Weise dargestellt. Passend zum dargestellten Erkrankungsbild können sie unterschiedlichen Alters und ethnischer Herkunft sein. Durch die korrekte Bedienung des Ophthalmoskops (Einstellung von Licht und Refraktionsausgleich, Abstand vom Patientenauge, Rotreflex, ggf. Positionierung und Orientierung der Ophthalmoskopierlupe) ist es möglich, ein realistisches Bild der Retina zu sehen [4, 5]. Die von der Software angezeigten Fallbeschreibungen wurden im Rahmen des Projekts an die Bedürfnisse der Studierenden angepasst und mit den theoretischen EyesiNet-Inhalten abgeglichen: Neben einer kurzen Darstellung der Anamnese des virtuellen Patienten, seines Sehvermögens und Augeninnendrucks sind es v. a. die Multiple-Choice-Fragen für Befundung und Diagnose, die Bezug auf die Krankheitsbilder nehmen, die im webbasierten Theorieteil beschrieben werden (EyesiNet, s. unten).

Der Hersteller der Simulatoren stellt bereits ein webbasierte Schulungsportal zur Verfügung (VRmNet, Version 8.0), bei dem die Teilnehmer nach dem Einloggen von einem beliebigen Computer oder Mobilgerät aus Zugang zu einem Orientierungskurs für die Simulatoren haben, ihre Trainingsdaten einsehen können und eine Bibliothek mit ihren am Eyesi Direct und Indirect gefundenen anatomischen und pathologischen Befunden im Laufe des Trainings anlegen können.

Die medizinischen Inhalte dieser Online-Plattform wurden von uns im Rahmen des Lehrprojektes weiterentwickelt und so strukturiert, dass sie die Bedürfnisse der Studierenden und den Lernzielkatalog widerspiegeln (z. B. hypertensive Retinopathie, diabetische Retinopathie, Aderhauttumore) und auch für die Spezialisierung in anderen Fachgebieten relevant sind (Innere Medizin, Gynäkologie, Pädiatrie, Neurologie u. a.). Hierzu wurden in der von uns angepassten Plattform („EyesiNet“) 14 Fälle und deren Pathologien im Karteikartenformat nach Definition, Klassifikation, Epidemiologie, Risikofaktoren, Histopathologie, Symptomen und klinischen Zeichen, Diagnostik, Therapie und Prognose gegliedert und die jeweiligen Unterpunkte mit Bildern versehen (Abb. 2).

Das Besondere ist, dass die dargestellten Pathologien in EyesiNet anhand von Screenshots aus den Simulatoren erklärt werden, sodass während der praktischen Übungen an simulierten Patienten die Studierenden diejenigen Befunde wiederfinden, die sie sich zuvor im Netz angeschaut haben. Auf diese Weise sind der Wiedererkennungseffekt und die damit einhergehende Lernmotivation deutlich höher. Jeder Student erhält seinen eigenen EyesiNet- und Simulatorzugang. Mithilfe der Online-Inhalte kann das simulatorgestützte Training zu Hause per PC oder Smartphone vor- und nachbereitet sowie der individuelle Trainingsfortschritt überprüft werden.

Nach Erstellen der notwendigen Lerninhalte und deren Integration in die Online-Plattform wurde eine prospektive Studie durchgeführt, genehmigt durch die Ethikkommission des Fachbereichs Medizin der Goethe-Universität Frankfurt (Beschlussnummer E 205/19, Geschäftsnummer 19-327). Ziel der Studie war es, die Effizienz des Lehransatzes zu überprüfen. Dazu wurde die Bewertung der durchgeführten Fälle am Simulator mit der Lernzeit im EyesiNet korreliert, um zu prüfen, ob es eine Abhängigkeit der Lernerfolgskurve bei der Befundung von Krankheitsbildern von der Beschäftigungsdauer in EyesiNet gibt.

Die Teilnahme an der Studie erfolgte freiwillig. Eingeschlossen wurden Studierende im 10. Semester, welche bereits die Vorlesungen der Augenheilkunde besucht hatten und das Augenheilkundepraktikum im Rahmen ihres klinischen Studienabschnittes durchliefen. Es wurde bei allen Studienteilnehmern vor Einschluss in die Studie deren Einverständniserklärung eingeholt. Die Studienteilnehmer wurden darüber aufgeklärt, dass ihre Zeit im EyesiNet pseudonymisiert gemessen und mit den Ergebnissen an den Simulatoren korreliert wird.

Am ersten Praktikumstag hörten die Studierenden zunächst einen 10minütigen Einführungsvortrag über die grundsätzliche Technik der Untersuchungen und bekamen eine kurze Demonstration der Simulatoren. Über eine Gesamtzugangszeit von 2 h konnten sie anschließend Fälle am Simulator untersuchen. Mithilfe ihres individuellen Zugangscodes konnten sie sich auf der Online-Plattform EyesiNet auf freiwilliger Basis begleitend weiter mit den dort aufgezeigten Pathologien beschäftigen. Am letzten Praktikumstag wurden am Simulator (Zugangszeit erneut 2 h) die erlernten Kenntnisse überprüft und die praktischen Fähigkeiten weiter vertieft. Bei jeder Einheit wurden den Studierenden dabei zufällig ausgewählte Fälle vorgestellt. Am Ende jedes Falles wurde am Simulator ein „Quiz“ mit Multiple-Choice-Fragen, Befundung und Diagnose bearbeitet, das sich auf in EyesiNet behandelte Inhalte bezog. Nach Bearbeitung des jeweiligen Falles wurde den Studierenden ihr Befundungsergebnis aufgezeigt (Abb. 3a, b), und sie hatten die Möglichkeit, den virtuellen Patienten nochmals zu spiegeln, um sich die Blickdiagnosen besser einprägen zu können. Mittels eines Fragebogens wurden EyesiNet sowie das Simulatortraining von den Studierenden nach Absolvierung ihres Praktikums bewertet.

Die Gesamtbewertung basiert auf folgenden Kriterien, die während der Untersuchung berechnet werden:

Lichtbelastung („light exposure“), Gesamtzeit der Untersuchung („examination time“), Fläche der untersuchten Netzhaut („examined retina“), Befunde („classification“) und Diagnose („diagnosis“) in Form von Multiple-Choice-Fragen [6].

Lichtbelastung:

Hier wird die Dauer von zu starkem und damit schädigendem Licht auf der Retina gemessen.

Gesamtzeit der Untersuchung:

Dies ist die Zeit, die ein Student für die Untersuchung benötigt. Bei der Untersuchungsdauer werden die Minuten gezählt.

Fläche der untersuchten Netzhaut:

Hier wird die untersuchte Fläche der Retina berechnet. Dabei wird die Retina als Fläche mit dem Wert 100 % angenommen und die relative Ausleuchtung berechnet.

Multiple-Choice-Fragen (Befunde und Diagnosen):

Hier wird zuerst anhand der richtigen und falschen Angaben der aktuelle Wert ermittelt, der dann zur Berechnung der Punktzahl dient:

Für jedes Bewertungskriterium sind Wertebereiche und Punktzahlen definiert, um den Messwert in eine Punktzahl zu transformieren. Dies wird gemäß der folgenden Formel linear interpoliert:

Falls der aktuelle Wert außerhalb des Wertebereichs liegt, wird stattdessen die Minimal- bzw. Maximalpunktzahl angenommen. Da keine negativen Punkte vergeben werden, erhalten die Studierenden am Ende eine Gesamtpunktzahl von mindestens 0 Punkten und höchstens 100 Punkten (Abb. 3).

Die Werte- und Punktebereichte für die einzelnen Bewertungskriterien sind in Tab. 1 dargestellt und mit einem Musterprobanden versehen.

In dieser nicht randomisierten prospektiven Studie wurde gemäß den Vorgaben der Ethikkommission keine Kontrollgruppe gebildet, sodass alle Studierenden gleichermaßen die Möglichkeit hatten, sich in EyesiNet weiterzubilden. Ob und wie lange die Studierenden die Plattform nutzten, wurde ihnen auf freiwilliger Basis selbst überlassen. So konnte bei Abschluss der Studie eine nicht randomisierte Kontrollgruppe gebildet werden mit denjenigen Studierenden, die die Plattform nicht nutzten (Gruppe OHNE Training).

Die Daten wurden mithilfe der individuellen Zugänge an den Eyesi-Simulatoren erfasst und in Microsoft Excel 2016 sowie in BiAS Version 11.12 für Windows (epsilon-Verlag, Dr. rer. med. Hanns Ackermann, Goethe-Universität Frankfurt, Deutschland) ausgewertet.

Zum Vergleich, ob eine signifikante Verbesserung durch die EyesiNet-gestützte Weiterbildung erreicht werden konnte, wurde bei Vorlage einer nicht parametrischen Datenlage ein Wilcoxon-matched-pairs-Test für beide Gruppen angewendet sowie deren Effektstärke nach Rosenthal [7] bewertet. Die Abhängigkeit der Verbesserung von der in EyesiNet verbrachten Zeit wurde mittels Spearman-Rangkorrelation überprüft. Zum Vergleich der Vor-Werte beider Gruppen wurde ein Wilcoxon-Mann-Whitney-U-Test angewendet, um zeigen zu können, dass beide Gruppen die gleichen Startvoraussetzungen nach Besuch der Vorlesung und der Klausur hatten.

Es konnten insgesamt 86 Studierende ausgewertet werden, wovon 32 Studierende das freiwillige Angebot nutzten und in ihrer freien Zeit während des Praktikums an der Online-Plattform EyesiNet trainierten (Gruppe MIT Training). Die aufgezeichnete Aktivität ergab, dass im Durchschnitt 28-mal (min. 1, max. 85) die Übersichtsseiten der 14 Pathologien aufgerufen wurde. Die Unterseiten (mit Detailinformationen) wurden im Durchschnitt von den Trainierenden 14-mal (min. 0, max. 42) aufgerufen.

Die Auswertung der einzelnen Bewertungskriterien, welche zur Gesamtbewertung am Eyesi Direct und Indirect führen, ist in Tab. 2 und 3 dargestellt.

Hier befinden sich die Studierenden immer in der erlaubten Gesamtzeit. Von Beginn an wird sowohl am Eyesi Direct als auch am Eyesi Indirect mit einer geringen Lichtbelastung für die Netzhaut gearbeitet. Während die Ergebnisse der Fläche der untersuchten Retina am Eyesi Direct im oberen Bereich liegen, liegen die Ergebnisse am Eyesi Indirect deutlich darunter. Eine Steigerung der Punktzahl kann v. a. im Bereich der Befundung und Diagnosestellung aufgezeigt werden.

Nach Auswertung der Fragebögen zeigt sich, dass die Mehrheit der Studierenden sowohl das Training am Simulator als auch an EyesiNet überzeugt hat (Abb. 4) und sie auch subjektiv das Gefühl hatten, dadurch ihre ophthalmologischen Kenntnisse verbessern zu können. Zudem zeigte sich, dass das Interesse an dem im Studium eher kleinen Fachgebiet „Ophthalmologie“ durch ein an die Bedürfnisse der Studierenden angepasstes Training weiter gesteigert werden kann.

Es konnte gezeigt werden, dass die Kombination aus praktischem Training an Simulatoren und begleitender, in das praktische Training auf geeignete Weise verwobener Theorie im Rahmen von Online-Plattformen nicht nur subjektiv das Interesse und die ophthalmologischen Kenntnisse der Studierenden steigert, sondern auch nachweislich zu besseren Ergebnissen in der Ausbildung führt.

Gerade die praktischen Fertigkeiten dürfen im Rahmen eines Medizinstudiums nicht zu stark in den Hintergrund rücken. Oft fehlt den Assistenzärzten dann in der Praxis die Fähigkeit, ihr theoretisches Wissen anzuwenden, die erforderlichen diagnostischen Tätigkeiten selbst umzusetzen und nach Erstellung der richtigen Diagnose die zutreffenden Behandlungsmethoden einzuleiten.

Anhand der Simulation erhalten die Studierenden am ersten Praktikumstag ein objektives Bild über ihren aktuellen Wissensstand in der Ophthalmologie und durch das Erlernen der Fertigkeiten auch die Motivation, dadurch bei genügend theoretischem Wissen auch selbstständig die richtige Diagnose stellen zu können.

Wie sich anhand der oben genannten Ergebnisse zeigt, ist gerade die direkte Ophthalmoskopie eine relativ einfache Untersuchungsmethode, die verstärkt im Unterricht der Studierenden eingesetzt werden sollte.

Hier ist bereits ein Lerneffekt allein durch die Praxis am Simulator für die direkte Ophthalmoskopie nachweisbar. Deutlich höher fällt er jedoch aus, wenn die Studierenden in der Zwischenzeit die Befunde an der Online-Plattform aufgearbeitet haben.

Das Erlernen dieser Fertigkeiten zeigt sich als wesentlich einfacher als das Erlernen der indirekten Ophthalmoskopie und sollte gefördert werden, da die direkte Ophthalmoskopie in der späteren beruflichen Laufbahn auch von Internisten, Pädiatern und Hausärzten einfach durchgeführt werden kann. Sie kann dabei helfen, Notfälle zu filtrieren (wie u. a. Zentralarterienverschluss, Stauungspapille …) und den richtigen Fachdisziplinen zuzuordnen [8].

Bei der indirekten Ophthalmoskopie konnte keine signifikante Verbesserung während des Praktikums erreicht werden: Die Ergebnisse am Eyesi Indirect sind sowohl beim primären als auch sekundären Simulationstraining bei beiden Gruppen deutlich schlechter als die Trainingsergebnisse am Eyesi Direct, was die Vermutung nahelegt, dass bei der indirekten Ophthalmoskopie eine bedeutend höhere Lernzeit bei der Anwendung benötigt wird, um Strukturen darzustellen und dann auch richtig bewerten zu können. Dies liegt mutmaßlich daran, dass die Studierenden erst ein Gefühl für die Augen-Hand-Koordination sowie für das invertierte Bild entwickeln müssen. Die hier vorhandene Trainingszeit von insgesamt 4 h kann aber den Studierenden zumindest helfen, ein Gefühl für diese Methodik zu entwickeln [9] und ggf. weiteres Interesse an der Augenheilkunde wecken und damit auch zur Entscheidungsfindung für die individuell richtige Fachdisziplin beitragen.

Die Kombination, dies mit jederzeit zugänglichen Online-Inhalten zu verknüpfen (welche z. B. auch über Mobiltelefon und Tablet zugänglich sind), ergibt die Möglichkeit, dass die Studierenden auch nach dem Praktikum immer wieder auf diese Informationen zurückgreifen und die erarbeiteten Lerninhalte als eine Art Nachschlagewerk nutzen können.

Dies kann z. B. dann helfen, wenn Studierende ein Erkrankungsbild zwar als bekannt erkennen, aber die Zuordnung zur Pathologie nicht mehr herstellen können.

Dass diese Funktion genutzt wird, konnte in dieser Studie aufgezeigt werden. So wurde das Portal auch nach dem abgeschlossenen Praktikum von 10 der 32 Studierenden in der Trainierenden-Gruppe weiter aufgerufen. Dagegen wurde das Portal nur von einer studierenden Person aus der Gruppe derjenigen genutzt, die sich in der Praktikumszeit nicht mit EyesiNet beschäftigt hatten. Eine Schwäche dieser Studie ist die begrenzte Zeit, die den Studierenden in 1 Woche zur Erlernung dieser Fähigkeiten zur Verfügung steht. Dementsprechend ist es überraschend, dass in der direkten Ophthalmoskopie trotzdem eine signifikante Verbesserung der Ergebnisse erreicht werden konnte. Es konnte jedoch nur eine studierende Person nach dem Training am Eyesi Direct die Maximalpunktzahl von 100 Punkten in einem Fall erreichen. Die Maximalpunktzahl am Eyesi Indirect waren 88 Punkte. Ausbildungsziel sollte sein, einen Großteil der Studierenden auf dieses hohe Niveau bringen zu können. Hierbei ist der Lernaufwand eines jeden Studierenden individuell einzustufen. Gerade aber hierfür sind Simulatoren vorteilhaft, da sie den Studierenden ermöglichen, nach Beendigung ihres Praktikums eigenständig weiter zu trainieren. Hierfür bieten wir den Studierenden Trainingszeiten an den Simulatoren an – und natürlich auch die Möglichkeit, im Wahlfach Ophthalmologie weiter ihre Kenntnisse zu vertiefen.