王欣萍，王麗華，孫 堯

哈爾濱醫(yī)科大學(xué):1基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院計算機(jī)教研室;2附屬第二醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，哈爾濱 150081;3黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)信息中心計算機(jī)教研室，哈爾濱 150040

伴隨計算機(jī)仿真技術(shù)的快速發(fā)展，利用計算機(jī)虛擬現(xiàn)實，輔助各種工作和研究已經(jīng)在諸多行業(yè)中開展起來。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計的虛擬病人在臨床輔助治療、仿真訓(xùn)練、醫(yī)學(xué)教學(xué)等方面發(fā)揮著越來越重要的作用。虛擬病人(virtual patients，VP)是指利用先進(jìn)的計算機(jī)虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立仿真人物模型，通過軟件編寫控制程序，對模擬人物實行智能化操作控制，以模擬實現(xiàn)臨床診斷過程，具有交互性、沉浸性、直觀性和構(gòu)想性等特點。虛擬病人的設(shè)計是基于醫(yī)學(xué)知識的設(shè)計，知識所具有的內(nèi)隱性及情景依賴性也為虛擬病人的設(shè)計提供了必要的情境脈絡(luò)。虛擬病人設(shè)計的一個本質(zhì)特征在于協(xié)調(diào)“人-物-環(huán)境”組成情境的動態(tài)關(guān)系，為參與者創(chuàng)建一個和諧結(jié)構(gòu)的診療方式。如何將知識與設(shè)計應(yīng)用相互結(jié)合，是實現(xiàn)智能化應(yīng)用設(shè)計的重要研究內(nèi)容。

1 知識驅(qū)動虛擬病人的設(shè)計情境

知識驅(qū)動的設(shè)計是將虛擬病人的設(shè)計過程分為問題情境、求解情境和結(jié)果情境三個維度［1］。三個維度之間的關(guān)系如下:

其中，VSD表示虛擬病人設(shè)計情境，Q表示問題情境，S表示求解情境，R表示結(jié)果情境。qn1、sn2和rn3的變化會引發(fā)VSD的變化，即使是相同的VSD，qn1、sn2和 rn3也會有所差異。

知識在虛擬病人的設(shè)計情境中不斷轉(zhuǎn)化，表現(xiàn)為“獲取-表示-傳遞-利用-評價”的過程(如圖1所示)。

在虛擬病人的設(shè)計過程中，知識貫穿始終是為設(shè)計提供支持。同時，在虛擬病人設(shè)計過程中形成的顯性知識和隱性知識將充實到知識庫中，形成互相補(bǔ)充的過程。

圖1 知識驅(qū)動的虛擬病人情境框圖

2 知識驅(qū)動設(shè)計的虛擬病人體系結(jié)構(gòu)

知識驅(qū)動的虛擬病人首先由決策者選擇合適的病案，制定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，形成知識數(shù)據(jù)庫的基本框架，并有效地組織數(shù)據(jù)，這是提高效率和支持知識配置的重要環(huán)節(jié)。

虛擬病人系統(tǒng)采用模塊化的分布式結(jié)構(gòu)，其通信方式是信息傳遞。模塊化的結(jié)構(gòu)允許設(shè)計者可以根據(jù)需要進(jìn)行添加、替換或者合并需要的組件，用戶的使用也更加靈活、方便、適應(yīng)性強(qiáng)(系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖及數(shù)據(jù)流如圖2所示)。

圖2 虛擬病人系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)流圖

在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中，麥克風(fēng)和鍵盤是兩種常用的輸入方式。通過麥克風(fēng)可以輸入音頻信號，語音識別引擎處理音頻數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生文本將其發(fā)送到反應(yīng)選擇模塊。通過鍵盤輸入，可以直接產(chǎn)生文本并發(fā)送到對話管理模塊。

用于實現(xiàn)問題/回答的對話管理模塊在接收到文本之后，進(jìn)行具體分析，然后選擇最適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。通過一個預(yù)先定義的響應(yīng)行數(shù)，反應(yīng)選擇模塊在獲得用戶的話語后會選擇其中一個答案。輸出響應(yīng)通過數(shù)據(jù)庫選擇，完成之后會被打包成一個功能標(biāo)記語言的消息結(jié)構(gòu)［2］。

消息被發(fā)送到非語言行為模塊。此時，適用一組規(guī)則來選擇虛擬病人的手勢、凝視角度、身體姿勢等動作。如坐下、手臂動作、搖頭或點頭等。一旦適當(dāng)?shù)妮斎胛淖值男袨檫x擇好后，打包成行為標(biāo)記語言結(jié)構(gòu)并將其發(fā)送到一個程序性動畫系統(tǒng)。

最后一部分是執(zhí)行和顯示虛擬病人的多種模式行為，通過智能體動畫系統(tǒng)來完成［3］。智能體在接收到消息后，立刻執(zhí)行其中包含的行為，如頭部、表情、眼神、肢體動作和語音等同步執(zhí)行的設(shè)置。通過服務(wù)器調(diào)用預(yù)先錄制的語音文件，虛擬病人對參與者提出問題進(jìn)行回應(yīng)。智能體掛接到一個可視化引擎，由其輸出圖像。智能體控制虛擬病人并指定人物講話時播放應(yīng)屬的聲音文件，從而實現(xiàn)與參與者之間的交流。

3 虛擬病人的病例實例

在定義虛擬人物的行為、態(tài)度和條件中，藝術(shù)工作起到重要的作用。通過虛擬環(huán)境和虛擬人物的行為，人們可以在最初的幾秒鐘對他進(jìn)行一個初步的判斷(如圖3所示)，設(shè)計虛擬病人“李強(qiáng)”，基本情況由虛擬病人口述及文字兩種形式表達(dá)。具體情況為:男，34歲，三周前開始有鼻塞、流涕及發(fā)熱的癥狀，感覺四肢乏力，近四天癥狀加重，右上肢有麻木感。圖中為虛擬病人演示右上肢癥狀，同時伴有胸悶、吞咽困難、進(jìn)食咳嗆等癥狀。虛擬環(huán)境設(shè)計為較為舒適的辦公環(huán)境，使得患者感覺猶如在家里。

圖3 虛擬病人及虛擬環(huán)境設(shè)計圖

參與者對虛擬病人的診療過程分為3個階段:①問診階段。即對患者基本情況的了解，此階段的目的在于提高參與者的問診技巧和交流能力;②項目檢查階段。參與者根據(jù)所學(xué)醫(yī)學(xué)知識對虛擬病人進(jìn)行體格檢查和輔助檢查，此過程的參與者和虛擬病人交互完成。系統(tǒng)顯示相應(yīng)檢查項目，由參與者進(jìn)行選擇，得出“李強(qiáng)”的呼吸、聲音、雙眼閉合情況、腱反射、肌張力情況、EEG、EKG等結(jié)果;③診斷階段。參與者根據(jù)檢查結(jié)果進(jìn)行分析思考，得出相應(yīng)的結(jié)論，并提出治療方案。參與者的診斷依據(jù)、結(jié)果及治療方案既可以提交給指導(dǎo)教師，亦可通過網(wǎng)絡(luò)共享給其他參與者，協(xié)同討論，實現(xiàn)會診。診斷結(jié)論提交后，系統(tǒng)將顯示正確的診斷結(jié)果。如“李強(qiáng)”的正確診斷結(jié)果為格林-巴利綜合癥，同時顯示對應(yīng)的診斷依據(jù)，對參與者的診斷進(jìn)行診斷過程評價及診斷結(jié)果評價。除此之外，系統(tǒng)以文字形式提供相應(yīng)的鑒別診斷，如急性脊髓灰質(zhì)炎等。治療過程以動畫形式循環(huán)演示。

4 虛擬病人在臨床教學(xué)中的應(yīng)用

4．1 靈活互動的教學(xué)方式

在傳統(tǒng)的臨床教學(xué)中，技能訓(xùn)練需要聘請和培訓(xùn)標(biāo)準(zhǔn)化病人，醫(yī)學(xué)生的訓(xùn)練受到資源和人數(shù)的限制。利用虛擬病人代替標(biāo)準(zhǔn)化病人，實現(xiàn)臨床培訓(xùn)，可以通過發(fā)揮虛擬病人交互性、直觀性等特點解決一系列問題。其優(yōu)點主要包括:可重復(fù)操作、無風(fēng)險、可糾錯、可控性等。在反饋階段，學(xué)生可以收到在訓(xùn)練階段中表現(xiàn)的反饋信息，也可以退出或返回到交互模擬的任何階段。通過虛擬信息培訓(xùn)系統(tǒng)，學(xué)生猶如身臨其境，提高了學(xué)生的觀察能力。在針對虛擬病人應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)問卷調(diào)查中，隨機(jī)抽取100份問卷，統(tǒng)計結(jié)果顯示，94%的學(xué)生對運用虛擬病人進(jìn)行臨床知識學(xué)習(xí)有興趣;82%的學(xué)生進(jìn)行了病例的重復(fù)操作，并認(rèn)為通過重復(fù)的訓(xùn)練，可以更好地掌握醫(yī)學(xué)知識;76%的學(xué)生認(rèn)為運用虛擬病人的教學(xué)形式新穎，知識量大，學(xué)習(xí)形式多樣，能滿足學(xué)習(xí)需要。

4．2 知識脈絡(luò)清晰

該系統(tǒng)的優(yōu)勢在于系統(tǒng)設(shè)計基于知識驅(qū)動，顯性知識和隱性知識貫穿始終。虛擬病人系統(tǒng)通過文字、聲音、圖像及動畫等多種形式來展現(xiàn)不同的知識情境，依照問題情境、求解情境和結(jié)果情境三者的關(guān)系，在學(xué)生檢查及診斷過程中提供相應(yīng)的提示信息及相關(guān)知識，學(xué)生可以控制診斷的進(jìn)程，實現(xiàn)與虛擬病人的交互。研究顯示，85%的學(xué)生認(rèn)為通過對虛擬病人的診斷過程，能夠清晰地掌握診斷過程及技巧，熟悉相關(guān)的臨床知識，提高臨床診治技能。

4．3 充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢

虛擬病人系統(tǒng)支持通過網(wǎng)絡(luò)在線與指導(dǎo)教師溝通。學(xué)生與虛擬病人交互過程中可以通過網(wǎng)絡(luò)與其他參與人實現(xiàn)聯(lián)合會診。獨立會診與聯(lián)合會診為參與者提供了更多的選擇，問診記錄及診斷過程將被保存到數(shù)據(jù)庫中，學(xué)生可以隨時調(diào)用。此外，臨床虛擬標(biāo)準(zhǔn)化病人需要大量的病案數(shù)據(jù)支持，在設(shè)計虛擬病人系統(tǒng)時，必須建立常見病、疑難病例后臺數(shù)據(jù)庫，伴隨虛擬病人模型的豐富與完善，數(shù)據(jù)庫中的常見病、疑難病例數(shù)據(jù)量會越來越大［4-6］。開放的病案數(shù)據(jù)資源將給臨床診斷和臨床教學(xué)提供優(yōu)化的、高質(zhì)量的病案信息。利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以實現(xiàn)臨床病例資源共享，輔助解決疑難病癥。82%的學(xué)生認(rèn)為通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)師生互動，能夠提高臨床學(xué)習(xí)效果。

知識驅(qū)動設(shè)計的虛擬病人系統(tǒng)是計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)交叉、集成的產(chǎn)物，具有廣闊的應(yīng)用前景［7］。隨著醫(yī)學(xué)生人數(shù)的增加，醫(yī)學(xué)院校的臨床教學(xué)資源日趨緊張，使用虛擬病人進(jìn)行臨床教學(xué)，不僅能夠緩解教學(xué)資源的問題，更能夠使學(xué)生產(chǎn)生身臨其境的教學(xué)效果，其交互性特點更使得學(xué)習(xí)變得積極主動。美國及歐洲的多所大學(xué)也在利用虛擬病人進(jìn)行虛擬仿真培訓(xùn)、心理輔導(dǎo)等研究［8-12］。在我國的臨床教學(xué)方面，虛擬病人的應(yīng)用尚處于起步階段，開發(fā)的病例較少，疾病種類不豐富，未來的研究方向?qū)⑦M(jìn)一步開發(fā)多種類型的病例，完善已有病例，為學(xué)生提供更多的選擇。相信自主開發(fā)或引用優(yōu)秀虛擬病人系統(tǒng)開展臨床教學(xué)及研究，將形成一種新的教學(xué)模式。伴隨虛擬現(xiàn)實技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，虛擬病人的應(yīng)用將更加廣泛，亦將為臨床醫(yī)學(xué)帶來更多革命性的變化。

［1］羅仕鑒，朱上上，唐云．知識驅(qū)動的產(chǎn)品設(shè)計情境［J］．浙江大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版，2008，42(11):1849-1855

［2］Kopp S，Krenn B，Marsella S，et al．Towards a Common Framework for Multimodal Generation:The Behavior Markup Language［M］．Lecture Notes in Comp Sci，2006:4133，205-217

［3］Kenny P，Parsons T D，Gratch J，et al．Virtual Patients for Clinical Therapist Skills Training［J］．Lecture Notes in Comp Sci，2007，Volume 4722/2007:197-210

［4］Odd AM，Choudhury B．Virtual reality anatomy:Is it comparable with traditional methods in the teaching of human forearm musculoskeletal anatomy［J］．Anatom Sci Edu，2011，4(3):119-125

［5］Krause A．The Virtual Patient:developing drugs using modeling and simulation［J］．Chance，2010，23(1):50-52

［6］Laver K，George S，Ratcliffe J，et al．Virtual reality stroke rehabilitation-hype or hope? ［J］．Austra Occup Therapy J，2011，58(3):215-219

［7］Iorizzo D B，Riley M E，Hayhoe M，et al．Differential impact of partial cortical blindness on gaze strategies when sitting and walking-An immersive virtual reality study［J］．Vision Res，2011，51(10):1173-1184

［8］Bertrand J，Babu S V，Polgreen P，et al．Virtual Agents Based Simulation for Training Healthcare Workers in Hand Hygiene Procedures［J］．Lecture Notes in Comp Sci，2010，6356，125-131

［9］Gutiérrez-Maldonado J，Alsina-Jurnet I，María Virginia Rangel-Gómez，et al．Studies in Computational Intelligence［M］．Springer Berlin/Heidel-berg，2008:497-505

［10］Triola M，F(xiàn)eldman H，Kalet A L，et al．A Randomized Trial of Teaching Clinical Skills Using Virtual and Live Standardized Patients［J］．J of Gene Inter Med，2006，21(5):424-429

［11］Gregg L，Tarrier N．Virtual reality in mental health［J］．Soc Psy and Psy Epidemiol，2007:42(5):343-354．

［12］Chad Lane H，Schneider M，Michael S W，et al．Virtual Humans with Secrets:Learning to Detect Verbal Cues to Deception［J］．Lecture Notes in Comp Sci，2010，6095，144-154