基于ESP 系統(tǒng)急性心肌梗塞仿真實(shí)驗的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

劉 惺， 王慷慨， 王 浩， 漢建忠， 張居華

（中南大學(xué)a.基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院；b.資產(chǎn)與實(shí)驗室管理處，長沙410013）

0 引 言

心血管系統(tǒng)實(shí)驗在機(jī)能學(xué)實(shí)驗中一直占有重要地位［1］，是醫(yī)學(xué)生必學(xué)內(nèi)容之一。急性心肌梗塞（acute myocardial infarction，AMI）作為心血管系統(tǒng)疾病中最典型的危重急癥［2］，在本科階段的醫(yī)學(xué)生難以接觸到。隨著社會老齡化，現(xiàn)代生活節(jié)奏的加快，飲食習(xí)慣的改變以及社會、心理等因素的影響，我國AMI的發(fā)病率也呈現(xiàn)逐年升高的趨勢［3］，我國急性心肌梗死發(fā)病數(shù)量已經(jīng)高達(dá)201萬/年［4］。AMI成為21世紀(jì)醫(yī)學(xué)研究熱點(diǎn)和亟待解決的難題之一。

AMI屬于臨床事件，在實(shí)驗教學(xué)中受到建立動物模型困難、手術(shù)操作難度大、可重復(fù)性差、不可控因素多等條件限制，仿真技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗教學(xué)成為必要［5］。標(biāo)準(zhǔn)化虛擬仿真病人（Electronic Standardized Patient，ESP）教學(xué)將為醫(yī)學(xué)生基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)和臨床技能訓(xùn)練提供一個極好的途徑和手段。

1 ESP系統(tǒng)簡介

基于生理驅(qū)動的ESP是一套建立在人體功能學(xué)理論基礎(chǔ)之上的數(shù)字人系統(tǒng)，是通過整合醫(yī)學(xué)+物理學(xué)+數(shù)學(xué)+人工智能的綜合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對人體的器官系統(tǒng)和功能模型進(jìn)行模擬而開發(fā)的一套基于生理驅(qū)動的機(jī)能學(xué)數(shù)字人系統(tǒng)。設(shè)計思路如圖1所示。

圖1 ESP設(shè)計思路圖

2 實(shí)驗設(shè)計

2.1 整體設(shè)計思路

以生命健康全周期的“新醫(yī)科”為理念，以當(dāng)今熱點(diǎn)、難點(diǎn)臨床問題為導(dǎo)向，基于先進(jìn)的ESP開發(fā)平臺，真實(shí)模擬AMI的發(fā)生、檢查、診斷、機(jī)制分析、藥物治療全過程，涵蓋臨床診斷學(xué)、解剖學(xué)、生理學(xué)、病理生理學(xué)、藥理學(xué)等多個學(xué)科，為本科醫(yī)學(xué)生提供了基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)綜合實(shí)驗技能訓(xùn)練機(jī)會。

2.2 設(shè)計邏輯關(guān)系

ESP案例設(shè)計來自反復(fù)驗證的經(jīng)典教學(xué)案例，通過標(biāo)準(zhǔn)化病人模塊設(shè)計形成操作病例，通過教學(xué)設(shè)計制定診療措施，通過考核設(shè)計制定案例考核，具體設(shè)計邏輯如圖2所示。

圖2 實(shí)驗設(shè)計邏輯關(guān)系

2.3 實(shí)驗內(nèi)容設(shè)計

2.3.1 知識要點(diǎn)

根據(jù)臨床醫(yī)學(xué)及相關(guān)醫(yī)學(xué)類專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)以及教學(xué)大綱要求，項目包含心臟與冠脈循環(huán)的結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)；心動周期與心電圖的變化規(guī)律；急性心梗的發(fā)生機(jī)制與臨床表現(xiàn)，以及急性心梗的臨床診斷和治療策略。

2.3.2 實(shí)驗流程設(shè)計

根據(jù)實(shí)驗教學(xué)的任務(wù)要求來進(jìn)行流程設(shè)計，全程分為基礎(chǔ)部分和臨床部分兩個大模塊，并按照不同模塊的具體教學(xué)要求對應(yīng)不同的特色，具體特點(diǎn)和考核方式如圖3所示。

圖3 實(shí)驗流程設(shè)計

2.3.3 實(shí)驗考核設(shè)計

（1）普通考核。以隨堂測試、虛擬實(shí)訓(xùn)的方式考核學(xué)生對各知識點(diǎn)的掌握，課后生成診斷病歷和實(shí)驗報告，對實(shí)驗過程進(jìn)行綜合評價。

（2）特色評估。以‘橫向?qū)Ρ确治觥瘋€性化評價每位學(xué)生知識點(diǎn)掌握情況。

3 實(shí)驗實(shí)現(xiàn)

3.1 實(shí)驗過程描述

（1）學(xué)生登錄該仿真實(shí)驗項目后，可以閱讀急性心肌梗塞定義、分型、Killip分級，以及相關(guān)參考文獻(xiàn)。中間主界面展示了實(shí)驗的教學(xué)目標(biāo)、數(shù)據(jù)配置和三大內(nèi)容模塊。系統(tǒng)主界面如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主界面

（2）點(diǎn)擊“心肌梗塞的亞健康和潛伏期”模塊，進(jìn)入基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)。內(nèi)容包含“冠狀動脈循環(huán)結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)”“心電圖基礎(chǔ)及其臨床意義”，動脈粥樣硬化的形成和進(jìn)展，“凝血激活和血栓形成的機(jī)制”“心肌缺血再灌注損傷的發(fā)生機(jī)制”以及“心肌梗死的再灌注治療”。該模塊囊括了學(xué)生學(xué)習(xí)理解AMI發(fā)生過程的絕大部分重要知識點(diǎn)，如圖5所示。

圖5 “心肌梗塞的亞健康和潛伏期”模塊

（3）臨床研究發(fā)現(xiàn)，急性心肌梗死病人會有明顯的血清心肌酶增高現(xiàn)象，受檢者的血清心肌酶譜的變化包括乳酸脫氫酶、谷草轉(zhuǎn)氨酶、磷酸肌酸激酶、磷酸肌酸激酶同工酶等對患者的生命安全和身體健康有很大的影響［6-9］。急性心肌梗塞標(biāo)準(zhǔn)化病人模型，反映了典型急性心梗病人的臨床特征，包含了“心電監(jiān)護(hù)全數(shù)據(jù)變化”“標(biāo)準(zhǔn)病人模型”“典型心電圖變化”“血清酶學(xué)變化”“超聲心動圖”（見圖6）。

圖6 “急性心肌梗塞標(biāo)準(zhǔn)化病人”模塊

（4）急性心肌梗塞臨床急救虛擬實(shí)訓(xùn)模塊，是學(xué)生急救實(shí)訓(xùn)的核心，學(xué)生進(jìn)入模塊后觀察病人病情和狀態(tài)，對病人進(jìn)行診斷、評估和急救。包含了“心電監(jiān)護(hù)”“心梗病人模型”“病史采集”“病情評估”“搶救治療”“病歷生成”各分模塊，如圖7、8所示。

圖7 “急性心肌梗塞臨床急救虛擬實(shí)訓(xùn)”模塊

電子病人將表現(xiàn)出急性心肌梗塞的各項臨床特征，如心前區(qū)疼痛，心率失常，血壓下降，血氧飽和度下降等，同時心電監(jiān)護(hù)報警，提示學(xué)生要在較短的時間采取正確的急救措施，才能一一解除各項危癥，如：嗎啡鎮(zhèn)痛，電子病人停止疼痛反應(yīng)；面罩吸氧，病人血氧飽和度上升等［10］。如果處理不當(dāng)，或者拖延過長，電子病人將會死亡。

圖8 “病情評估”與“搶救治療”界面

（5）點(diǎn)擊“電子病歷”教學(xué)模塊。學(xué)習(xí)病歷的結(jié)構(gòu)和書寫規(guī)范，根據(jù)學(xué)生的病歷采集，體格檢查、實(shí)驗室檢查以及急救措施，系統(tǒng)在診療過程中實(shí)時記錄病人各項指標(biāo)生成標(biāo)準(zhǔn)病例。

3.2 實(shí)驗考核實(shí)現(xiàn)

（1）考核內(nèi)容。對AMI的臨床表現(xiàn)，血清心肌酶學(xué)變化，心電圖各期的變化，對循環(huán)、呼吸系統(tǒng)的影響以及AMI形成和缺血再灌注損傷的發(fā)病機(jī)制［11-12］，學(xué)生的問診和診斷能力。根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，能夠有針對性地考核學(xué)生的單項內(nèi)容的掌握情況和綜合分析能力。

（2）考核方法。以人機(jī)對話的模式，學(xué)生通過本實(shí)驗的網(wǎng)絡(luò)考試功能進(jìn)行知識點(diǎn)隨堂考核。通過學(xué)生對電子病人的病歷采集，病情評估，搶救治療進(jìn)行臨床操作考核［13-14］。教師可以設(shè)定特定的考試目標(biāo)如“問診病史采集”，選擇對應(yīng)的考試知識點(diǎn)如“意識評估”“疼痛評估”“現(xiàn)病史”“既往史”等，再通過計算機(jī)分項打分和綜合來評價學(xué)生對知識點(diǎn)的掌握和臨床思維能力。

實(shí)驗后通過要求學(xué)生完成實(shí)驗報告、病歷書寫的方式來考核學(xué)生對實(shí)驗整體的掌握程度。

（3）考核成績統(tǒng)計。考核完成后，要針對不同學(xué)生、不同班次、不同場次進(jìn)行細(xì)致科學(xué)的統(tǒng)計，包括柱狀圖、雷達(dá)圖等多種圖形，得到具體量化數(shù)據(jù)。教師可以針對學(xué)生個體及群體的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行個性化統(tǒng)計，實(shí)時掌握學(xué)生學(xué)習(xí)狀況及評價教學(xué)效果。通過軟件查看學(xué)生的操作記錄和成績結(jié)果，包括每個學(xué)生的總體情況和每套評分系統(tǒng)的詳情，進(jìn)行更細(xì)致的查看，實(shí)時展現(xiàn)學(xué)生當(dāng)時的學(xué)習(xí)情況。

（4）個人學(xué)習(xí)統(tǒng)計。統(tǒng)計每個學(xué)生的歷史自學(xué)、考試情況，包括次數(shù)、時間、分?jǐn)?shù)、評級、效果、排名等。針對多個學(xué)生，進(jìn)行臨床診療能力橫向?qū)Ρ确治觯瑢?dǎo)出能力分析報告。

4 結(jié) 語

本科教育是學(xué)生成長成才的關(guān)鍵階段，“金課”建設(shè)是實(shí)現(xiàn)一流本科教育目標(biāo)的突破口。虛擬仿真“金課”建設(shè)正在如火如荼開展，教育部適時提出了由“大而全”的平臺建設(shè)轉(zhuǎn)向“小而精”的項目建設(shè)［15］，為虛擬實(shí)驗項目的研發(fā)提供了政策保障和行動指南。

虛擬仿真能規(guī)避線下實(shí)驗中眾多高受限的難題，讓學(xué)生體驗平時無法接觸或無法完成的實(shí)驗項目，從培養(yǎng)學(xué)生動手能力來看，仍應(yīng)遵循“能實(shí)不虛”的原則。新項目研發(fā)需具備必要性、先進(jìn)性、互動性3個基本要素，才有可能成為“示范性”。

項目中AMI的發(fā)生機(jī)制和治療策略，參照現(xiàn)實(shí)臨床病例，數(shù)據(jù)可靠，并保留了開放性模塊接口，可隨著學(xué)科研究的進(jìn)一步發(fā)展，適時拓展補(bǔ)充。項目為醫(yī)學(xué)教育中打通基礎(chǔ)、臨床壁壘，加強(qiáng)兩者聯(lián)系，嘗試了新的教學(xué)案例，也為虛擬仿真項目的持續(xù)建設(shè)提供了新的思路。