兒科常見疾病中西醫結合診治思維訓練虛擬仿真實驗設計

羅銀河 鄧奕輝 李麗鵬 王孟清 黃 婷

（1.湖南中醫藥大學中西醫結合學院兒科教研室 湖南·長沙 410208；2.湖南中醫藥大學第一附屬醫院兒科 湖南·長沙 410007）

虛擬仿真實驗教學是擴展實驗教學空間和時間、豐富實驗教學內容、提高實驗教學水平的重要措施。2013年8月，教育部決定開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作［1］。虛擬仿真實驗是運用虛擬現實、生物仿真、多媒體與網絡通信等技術，與相應的專業知識與技能相結合而構建的虛擬實驗環境，學生可以運用里面的虛擬實驗設備和物品，按照實驗步驟進行訓練，此方法為實驗教學提供了新思路［2］。虛擬仿真實驗吸引學生參與實驗，調動學生學習的主動性，打破了傳統實驗所受的時空限制，有效的提高了學生的動手能力，節約了教學資源，減少了對實驗室的損壞，有利于避免傳統實驗給學生帶來的各種危險［3］。為了推動高等學校實驗教學改革與創新、促進中西醫結合臨床學科建設、解決臨床見習現實問題，同時為了鍛煉、培養和提高兒科臨床常見疾病中西醫結合診治思維能力，設計了兒科常見疾病中西醫結合診治思維訓練虛擬仿真實驗。實驗涉及中醫診斷學、中藥學、方劑學、病理生理學、西醫診斷學等基礎知識，利于學生建立豐富、扎實的知識基礎，激發對兒科臨床的興趣，調動學習探索的主動性和積極性，提高自學能力和培養職業價值感，培養中西醫結合診療能力。

本文以兒科臨床常見疾病-支氣管肺炎為例，用模塊化方案進行虛擬仿真實驗設計，基于數據層、支撐層、通用服務層、仿真層、應用層五層架構，利用unity3D虛擬引擎、WebGL技術和Mysql數據庫等軟件設計虛擬仿真實驗。學生通過反復的虛擬操作，掌握兒科病史采集、支氣管肺炎的臨床表現，如何選擇必要的實驗室檢查，相似疾病的鑒別診斷，完成正確的臨床診斷和合適的中西醫治療，從而全面深刻認識和理解小兒常見疾病的中西醫診治過程，建立中西醫結合的診療思維，達到現實教學過程中無法達到的教學效果。通過虛擬教學資源的構建，突破傳統的教學中一元性的思維模式，打破認識的空間局限性[4]，讓學生在虛擬的學習情景中獲得更加豐富的臨床體驗。

1 虛擬仿真實驗設計

1.1 實驗目的

兒科臨床常見疾病中西醫結合診治思維訓練實驗的目的是通過仿真實驗深刻理解和掌握以小兒肺炎為代表的兒科常見病的臨床表現、中西醫診斷和治療，熟悉兒科臨床診療操作過程，建立中西醫診療交互的臨床思維，激發學生和其他使用者對兒科的學習興趣和熱情，調動學習的主動性，鍛煉、培養和提高兒科臨床中醫和西醫臨床技能及實踐能力，幫助提高中醫學專業、中西醫結合本科專業人才的培養質量。

1.2 虛擬仿真實驗總體設計

1.2.1 實驗模塊設計

實驗設計按照臨床一般診療過程和住院病歷書寫思路，采用模塊化設計框架，根據實驗目的和目標分解為四個模塊，包括信息采集、信息分析、臨床處理決策、信息反饋。信息采集模塊通過采集病史、體格檢查、實驗室檢查，得到臨床信息；信息分析模塊將得到的臨床資料信息綜合分析，去偽存真，擬定初步診斷；臨床處理決策模塊對疾病進行合理的中西醫結合治療；信息反饋模塊進行實驗結果分析與傳輸。

（1）信息采集模塊。此模塊中病史采集（主訴、現病史、個人史、既往史、家族史）用文字信息提示和學生操作（人機互動）補充完成，體格檢查用虛擬人進行，西醫視診用文字信息提示，觸診、叩診用動態動作導入，聽診用文字和語音資料導入，中醫舌診用文字和圖片資料導入，脈診用動態動作和文字信息提示。實驗室檢查用圖片資料和文字信息導入。

（2）信息分析模塊。該模塊實時輸出中醫病名、證型診斷，西醫病名診斷，鑒別診斷等參數，是虛擬仿真實驗的核心，也是臨床診治思維最重要的過程。為了使學生明確診斷，對癥狀、體征、實驗室檢查用醫學知識進行恰如其分地評估，并分清主次，抓住重點，找出關鍵環節，在學習模式下，設立診斷依據，并進行診斷解析。

（3）臨床處理決策模塊。該模塊中，學生和使用者需要以醫生的角度思考，針對虛擬病例選擇合適的實驗室檢查，明白檢查目的，進行合適的中西醫治療。首先進行臨床疾病宣教，然后確定治療方案，具體藥物、劑量及用藥途徑，選擇合適的方劑及中藥組成。為培養學生的辯證思維能力，根據患兒的癥狀，方劑的藥物組成可以進行加減。

（4）信息反饋模塊。該模塊最終完成診療過程，學生提交全部答案，顯示成績評價和解析。考核模式下學生點擊解析，學習相關知識點；可以在線提問，教師答疑。為了幫助學生深入學習理解支氣管肺炎，學習模式下在每章節后設計知識點講解。

1.2.2 實驗交互界面設計

實驗交互界面的目的是增加學生的實驗參與感，提高實驗效率，增強實驗的直觀性［5］。系統交互界面設計遵循直觀、準確、簡潔、一致性的原則，交互界面包括登錄界面和主界面。登錄界面以藍色為主，學生可以直接輸入賬號、密碼和驗證碼登錄到實驗主界面。主界面以白色、黃色、藍色為主色調，有助于學生更清晰直觀地看到設置參數等詳細信息。三維交互界面包括直觀文字表述界面和動畫界面，設計“是”“否”“確定”等提示操作；三維交互界面的功能主要有語音提示、返回首頁、全屏、幫助、實驗時間和剩余時間等。

2 虛擬仿真實驗實施

兒科臨床常見疾病中西醫結合診治思維訓練虛擬仿真實驗采用B/S網絡架構。實驗平臺由Web瀏覽器、數據庫服務器、仿真軟件和仿真服務器構成，如圖1所示。

圖1：實驗平臺構建

2.1 選擇工具軟件

主要軟件：選用Windows平臺應用程序的開發工具包Visual Studio，三維建模軟件3D Max，三維引擎軟件Unity3D，提供美觀簡易的操作的界面，便于集成第三方服務。在前期三維制作過程中，本系統主要使用3DMax和maya進行模型的搭建以及模型人物動畫的制作。軟件的優勢在于圖形渲染效率高、速度快、畫面逼真、場景真實感強，為項目的實現提供了技術保障，保證項目品質達到單場景模型總面數900000面，貼圖分辨率1920*1080，動作反饋時間小于1秒，顯示刷新率高于30Hz（fps），正常分辨率1920*1080。

輔助軟件：圖像處理軟件Photoshop，三維動畫軟件Maya，三維建模軟件3D Max，C#語言，數據庫MySQL。

2.2 虛擬仿真過程實施

2.2.1 參數設置實施

本模塊借助Unity3D軟件進行開發，具體參數包括七個：①病歷資料參數：患兒一般情況，現病史，其他病史，體格檢查；②虛擬模型參數：根據病例設定建立相應年齡模型，各項體格檢查示范和指標（含舌診圖片、聽診聲音等）；③診斷參數：中醫病名、證型診斷，西醫病名診斷，鑒別診斷；④輔助檢查參數：各種輔助檢查以及檢查目的；⑤西醫治療參數：疾病教育，治療方案，具體藥物、劑量及用藥途徑；⑥中醫治療參數：方劑，中藥；⑦成績參數：各項分值設定，可按年級、專業要求設置成績分配比例。按照以下實施步驟進行：①確定界面的功用，設計數據傳輸和界面布局；②創建實體庫包，導入具體參數；③借用業務層的處理類和處理方法處理請求，根據結果返回響應［4］。

2.2.2 建模、模型動畫與場景搭建

三維場景建模工具是運用3DMax軟件。首先設計兒科門診診室就診場景的整體布局，構建室內就診實驗環境，然后進行模型的布線并建立出醫生和患兒初步模型，接著給建模出的醫生和患兒賦上材質和貼圖。在整體的人物模型制作完成后，將模型導入到maya或者再利用3DMax對模型進行骨骼的綁定，然后根據設計好的動畫內容逐幀的進行動畫的制作。最后將醫生和患兒模型以及動畫的FBX資源包導入Unity 3D場景來設計就診順序，給場景布置光效，然后進行整體場景以及模型的渲染，從而完成整個場景的設計。

2.2.3 虛擬仿真實施

虛擬仿真實驗以兩種模式呈現：學習模式和考核模式。借助動畫模擬演示功能，按照仿真服務器傳輸過來的計算結果，虛擬仿真疾病診療過程，具體實施過程如圖2所示。

圖2：實施過程

2.2.4 三維交互界面

實驗界面為固定鏡頭下以第三人稱視角在室內就診實驗環境中進行觀察，在設計過程中，充分利用unity 3D自帶的可視化工具和 UGUI組件。界面的顯示內容是由攝像機的視角范圍決定的，根據不同場景下鏡頭的需要，鏡頭拉近拉遠達到遠距離的預覽以及近距離的觀察的效果。三維交互界面的功能還包括工具物品的拖拽選擇、模型人物高亮位置的選擇、文字輸入、語音提示、返回實驗首頁、全屏、幫助等。

2.3 網絡發布

交互設置在VRP中完成后，將VRP對象導出為vrpie格式，該格式支持網絡發布。Windows平臺接收GUI二級界面發布的虛擬仿真系統，然后虛擬仿真系統被嵌入到校園網上的虛擬仿真實驗中心平臺，鏈接地址為 http://zhenjiu.hnucm.rofall.net/virexp/xrfy。學生打開IE或Firefox、GoogleChrome瀏覽器即可進入虛擬實驗室，應用該系統進行實驗實訓與自主學習，無時無刻地做實驗得到沉浸式體驗。

3 結語

虛擬仿真教學的實施對提高學生綜合設計與創新能力，提高教師隊伍教學能力、拓展實踐領域、豐富教學內容等有很大的幫助［6］。利用新興虛擬仿真實驗技術構建虛擬教學平臺，以優化實驗教學體系，共享實驗教學資源，變革實驗教學手段。倡導以學生為主體的創新性實驗改革，調動學生的主動性、積極性和創造性，激發學生的創新思維和創新意識，逐漸掌握思考問題、解決問題的方法，提高其創新能力和實踐能力［7］。學生在對模擬病例進行虛擬臨床診療的過程中，掌握兒科病史采集、病史信息判斷分析、如何選擇輔助檢查，疾病診斷、治療的技能，通過每個模塊的學習和訓練、教師講解點評、學生之間的討論，能夠熟悉臨床診療過程，啟迪臨床思維，獲得間接的臨床經驗，適應后續真實的臨床環境，更好地發現自己在臨床實踐上的差距和彌補這種差距，最終得到臨床思維的鍛煉和臨床能力的提升。