增強現(xiàn)實（AR）在心電圖教學中的應用

海軍軍醫(yī)大學第二附屬醫(yī)院心血管內(nèi)科 陳 挺 李明妍 賀治青*

一、增強現(xiàn)實（AR）在心內(nèi)科心電圖教學中應用的背景

（一）心內(nèi)科心電圖教學的痛點

目前，一方面由于心臟實際運動狀態(tài)的隱蔽性，心臟電路傳導及心肌細胞電路傳導的抽象性；另一方面，我們獲取相關(guān)心電圖訊號的組織數(shù)據(jù)是更為抽象的，心電圖數(shù)據(jù)要對應到具體的心臟運動和心臟電路傳導及心肌細胞電路的抽象傳導效果，是需要非常長的學習時間和極強的空間、抽象、邏輯想象能力的，兩者的矛盾極大增加了學員學習和教師授課難度。AR結(jié)合心電圖的教學，能將心臟三維空間和各個導聯(lián)用直觀的方式展示，方便學生進行理解。

（二）增強現(xiàn)實在心內(nèi)科心電圖教學中的優(yōu)勢

通過利用AR技術(shù)來制作課件，提升直觀度，降低學生理解難度，降低學習門檻。增強現(xiàn)實（Augmented Reality）技術(shù)是一種將虛擬信息與真實世界巧妙融合的技術(shù)，廣泛運用了多媒體、三維建模、實時跟蹤及注冊、智能交互、傳感等多種技術(shù)手段，將計算機生成的文字、圖像、三維模型、音樂、視頻等虛擬信息模擬仿真后，應用到真實世界中，兩種信息互為補充，從而實現(xiàn)對真實世界的“增強”。因此，我們選擇這項技術(shù)來營造擬真的心臟跳動和電訊號傳導過程，讓學員可以直觀看到這一過程，并對照空間中直觀的肢體導聯(lián)、胸導聯(lián)電位，讓學員可以理解心電圖原理和查看心電圖反饋效果。

二、對象和方法

（一）研究對象

選取2018年1月—2020年12月在海軍軍醫(yī)大學第二附屬醫(yī)院心臟電生理心律失常射頻培訓基地的50名進修及學習電生理射頻學員作為研究對象。將50名實習學生隨機分為兩組，即AR射頻教學組及傳統(tǒng)教學組，每組學生各25人。其中，AR心電圖教學組中，男生13人，女生12人，年齡為30—36歲，平均年齡為（33.20±0.48）歲；傳統(tǒng)教學組中，男生12人，女生13人，年齡30—35歲，平均年齡為（22.30±0.69）歲。兩組學生在性別、年齡及平時成績方面比較，差異無統(tǒng)計學意義（p＞0.05），具有可比性。所有受試者均理解研究內(nèi)容且同意參與該項研究。

（二）研究方法

對照組使用傳統(tǒng)教學方案。對照組的學生采用傳統(tǒng)的多媒體教學模式：首先理論教學階段，推薦教材《臨床診斷學》（萬學紅、陳紅主編，人民衛(wèi)生出版社出版，第3版）、《診斷學》（萬學紅、盧雪峰主編，人民衛(wèi)生出版社出版，第9版）；其次，通過解剖圖譜和心臟教學模型以及操作視頻，進行心臟解剖學知識以及操作知識的系統(tǒng)介紹；最后，通過教具結(jié)合3D模型，進行實際操作教學和操作知識鞏固。

實驗組使用增強現(xiàn)實（AR）心電圖的教學方案。常規(guī)理論教學后，使用增強現(xiàn)實（AR）心臟內(nèi)科心電圖的教學方案代替?zhèn)鹘y(tǒng)教學內(nèi)容。兩組授課的教師人員相對固定，臨床經(jīng)驗豐富，教學水平無明顯差異。心臟內(nèi)科心電圖教學方案，通過數(shù)據(jù)重構(gòu)建立模型，美術(shù)制作貼圖，從而合成心臟模型，并在U3D系統(tǒng)內(nèi)制作成完整的可供AR演示的模型。通過后期制作工具，利用演示模型進行AR演示，制作課件視頻。（1）利用AR眼鏡混合實境，通過手勢操縱模型進行直觀講解，講述心臟模型的真實解剖結(jié)構(gòu)和心臟電路的運行方式。（2）將現(xiàn)實中講解畫面和AR眼鏡中的虛擬模型混合輸出成一路直播流，制作成教學視頻。（3）教學視頻中添加心電圖示意和相關(guān)內(nèi)容介紹

增強現(xiàn)實（AR）心電圖教學課件實施步驟如下。

1.構(gòu)建AR 3D心臟模型

錄入CT掃描數(shù)據(jù)、冠狀竇電極所在位置、探測導管掃描數(shù)據(jù)，程序比對以上主要數(shù)據(jù)，通過糾錯去重算法，創(chuàng)建最符合測量數(shù)據(jù)的患者心臟的3D模型，該模型可以通過數(shù)據(jù)手動錄入模塊進行修正（非必須），將通過所述AR頭戴顯示設備顯示出來，包含心臟外部、內(nèi)部各個房室的模型，使用者可以用過AR操作系統(tǒng)來切換查看，360°旋轉(zhuǎn)。同時我們還會在該3D模型內(nèi)，結(jié)合教學需要，在心臟3D模型上進行標記。

通過制作美術(shù)貼圖，結(jié)合到心臟模型中，生成完整的心臟模型。并為模型建立運動骨骼，根據(jù)收集的數(shù)據(jù)，建立擬真的心臟運動動作。

2.構(gòu)建心臟模型模擬運動和電訊號示意

通過三維動畫，在心臟模型中標記竇房結(jié)、房室結(jié)和心臟電路的示意圖。

3.融入對應心電圖講解示意圖

講師通過AR眼鏡，手勢操縱3D模型，一邊講解內(nèi)容，一邊旋轉(zhuǎn)展示心臟，打開心臟隨講解內(nèi)容展示心臟內(nèi)部結(jié)構(gòu)，展示心臟模型中標記的竇房結(jié)、房室結(jié)和心臟電路的示意圖，講述他們同心電圖訊號的關(guān)聯(lián)。然后通過AR直播技術(shù)，將導師講解內(nèi)容和AR3D模型混成一路輸出，生成講解視頻課件原始稿。

通過后期編輯，加入心臟和心電圖電位之間的空間關(guān)系，方便學員直觀感受兩者之間的聯(lián)系，加入心電圖講解示意圖，結(jié)合模型中的心臟電路傳導及心肌細胞電路傳導，講解兩者之間的直觀關(guān)系，結(jié)合病例幫助學員理解，生成最終的講解課件。

通過這套課件，可以直觀顯示原先不能直接實時看到的心臟內(nèi)部情況和治療進展情況，結(jié)合心電圖數(shù)據(jù)，能讓學員更直觀精準地理解心電圖；極大縮短了學習時間，同時記錄學員的各種操作，方便導師從旁指點修正。

（三）評估方法

評估由理論筆試試卷打分完成，包含理論基礎(chǔ)知識、生理解剖、病例分析，共一百分，由模擬操作分數(shù)、教師打分組成。兩組考試試卷內(nèi)容一致，教學課時相同，統(tǒng)一組織實習生在完成教學任務后參加閉卷考試，評分標準相同。

三、結(jié)果

兩組學生均已完全完成教學，同等條件參與考試。最終平均分數(shù)：傳統(tǒng)教學組為82.3分，AR教學組為85.2分。

通過問卷調(diào)查，AR教學組中所有學員，均表示對AR教學有興趣，使用AR教學更容易幫助自身學習；傳統(tǒng)教學組的學員，在體驗AR教學后，通過問卷調(diào)查，也全體表示AR教學更容易接受。

其中，按考試部分考核內(nèi)容細化評分，分數(shù)按照（最終分數(shù)/該部分實際分數(shù)）×100統(tǒng)計，方便比對。

傳統(tǒng)教學組：筆試（理論）87分，筆試（解剖結(jié)構(gòu)）77.4分，筆試（病例分析）81分。AR教學組：筆試（理論）86.8分，筆試（解剖結(jié)構(gòu)）84.8分，筆試（病例分析）83.4分。

四、討論

隨著心血管新興的診治進展，很多新的解剖名詞也應運而生，既往解剖知識已經(jīng)不能滿足目前心血管診治進展的要求，所以我們對心臟的解剖學知識不能停留在既往系統(tǒng)解剖學的層面，應通過AR 3D模型，直觀地為學員建立正確的心臟空間觀。

我們通過這一技術(shù)路徑制作的課件，一來消除了師生之間的事實交流障礙，讓師生信息快速一致順暢交流，確保教學質(zhì)量；二來化抽象為直觀，更便于學員理解，降低學員學習難度，提升學員學習效果；三來極大縮短了學員達到熟練掌握技能的學習時間，也方便導師考查學員學習效果，確保教學質(zhì)量的同時提升了學員培訓的時效性，有利于確保學員有更高的學習質(zhì)量，更快地投入臨床工作。

而且伴隨社會進步，AR技術(shù)醫(yī)學應用愈發(fā)廣泛，我們只需要利用現(xiàn)有技術(shù)制作心臟模型，并制作課件進行教學講解，只有制作課件的學術(shù)性工作問題，并不存在技術(shù)上的門檻，因而完全可行。

綜上所述，心電圖是心內(nèi)科診斷和治療的重要依據(jù)，也是心內(nèi)科教學的重點和難點，而增強現(xiàn)實（AR）心內(nèi)科心電圖教學，正是面對這一重點需求，將難點迎刃而解的教學手段。該方法與傳統(tǒng)理論教學互補互利，揚長避短，相互參照，從根本上提升了學生在臨床學習中的學習效率，變被動接受知識為主動吸取知識，同時有利于增進學生對心臟解剖結(jié)構(gòu)的理解和認識，提高學生運用臨床理論知識解答實際問題的能力，有效激發(fā)學生學習的積極性、主動性、創(chuàng)造性，加深學生對抽象知識的理解，進而增強教學效果，促進學生綜合素質(zhì)的提高。同時，增強現(xiàn)實技術(shù)的趣味性、擬真感受，也讓學生充滿主動學習的興趣和探求的好奇心，提高了學習動力，有利于培養(yǎng)合格的醫(yī)生，是一種直觀、有效的心電圖教學方法，值得在心內(nèi)科心電圖教學中應用。