羅銀河 鄧奕輝 李麗鵬 王孟清 黃 婷

（1.湖南中醫(yī)藥大學(xué)中西醫(yī)結(jié)合學(xué)院兒科教研室 湖南·長(zhǎng)沙 410208；2.湖南中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院兒科 湖南·長(zhǎng)沙 410007）

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)空間和時(shí)間、豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平的重要措施。2013年8月，教育部決定開(kāi)展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作［1］。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)、生物仿真、多媒體與網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，與相應(yīng)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)與技能相結(jié)合而構(gòu)建的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)生可以運(yùn)用里面的虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備和物品，按照實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行訓(xùn)練，此方法為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了新思路［2］。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)吸引學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)所受的時(shí)空限制，有效的提高了學(xué)生的動(dòng)手能力，節(jié)約了教學(xué)資源，減少了對(duì)實(shí)驗(yàn)室的損壞，有利于避免傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)給學(xué)生帶來(lái)的各種危險(xiǎn)［3］。為了推動(dòng)高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與創(chuàng)新、促進(jìn)中西醫(yī)結(jié)合臨床學(xué)科建設(shè)、解決臨床見(jiàn)習(xí)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，同時(shí)為了鍛煉、培養(yǎng)和提高兒科臨床常見(jiàn)疾病中西醫(yī)結(jié)合診治思維能力，設(shè)計(jì)了兒科常見(jiàn)疾病中西醫(yī)結(jié)合診治思維訓(xùn)練虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)涉及中醫(yī)診斷學(xué)、中藥學(xué)、方劑學(xué)、病理生理學(xué)、西醫(yī)診斷學(xué)等基礎(chǔ)知識(shí)，利于學(xué)生建立豐富、扎實(shí)的知識(shí)基礎(chǔ)，激發(fā)對(duì)兒科臨床的興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)探索的主動(dòng)性和積極性，提高自學(xué)能力和培養(yǎng)職業(yè)價(jià)值感，培養(yǎng)中西醫(yī)結(jié)合診療能力。

本文以?xún)嚎婆R床常見(jiàn)疾病-支氣管肺炎為例，用模塊化方案進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，基于數(shù)據(jù)層、支撐層、通用服務(wù)層、仿真層、應(yīng)用層五層架構(gòu)，利用unity3D虛擬引擎、WebGL技術(shù)和Mysql數(shù)據(jù)庫(kù)等軟件設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。學(xué)生通過(guò)反復(fù)的虛擬操作，掌握兒科病史采集、支氣管肺炎的臨床表現(xiàn)，如何選擇必要的實(shí)驗(yàn)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(yī)治療，從而全面深刻認(rèn)識(shí)和理解小兒常見(jiàn)疾病的中西醫(yī)診治過(guò)程，建立中西醫(yī)結(jié)合的診療思維，達(dá)到現(xiàn)實(shí)教學(xué)過(guò)程中無(wú)法達(dá)到的教學(xué)效果。通過(guò)虛擬教學(xué)資源的構(gòu)建，突破傳統(tǒng)的教學(xué)中一元性的思維模式，打破認(rèn)識(shí)的空間局限性[4]，讓學(xué)生在虛擬的學(xué)習(xí)情景中獲得更加豐富的臨床體驗(yàn)。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

兒科臨床常見(jiàn)疾病中西醫(yī)結(jié)合診治思維訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)的目的是通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)深刻理解和掌握以小兒肺炎為代表的兒科常見(jiàn)病的臨床表現(xiàn)、中西醫(yī)診斷和治療，熟悉兒科臨床診療操作過(guò)程，建立中西醫(yī)診療交互的臨床思維，激發(fā)學(xué)生和其他使用者對(duì)兒科的學(xué)習(xí)興趣和熱情，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，鍛煉、培養(yǎng)和提高兒科臨床中醫(yī)和西醫(yī)臨床技能及實(shí)踐能力，幫助提高中醫(yī)學(xué)專(zhuān)業(yè)、中西醫(yī)結(jié)合本科專(zhuān)業(yè)人才的培養(yǎng)質(zhì)量。

1.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)總體設(shè)計(jì)

1.2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)按照臨床一般診療過(guò)程和住院病歷書(shū)寫(xiě)思路，采用模塊化設(shè)計(jì)框架，根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮湍繕?biāo)分解為四個(gè)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(guò)采集病史、體格檢查、實(shí)驗(yàn)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(duì)疾病進(jìn)行合理的中西醫(yī)結(jié)合治療；信息反饋模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與傳輸。

（1）信息采集模塊。此模塊中病史采集（主訴、現(xiàn)病史、個(gè)人史、既往史、家族史）用文字信息提示和學(xué)生操作（人機(jī)互動(dòng)）補(bǔ)充完成，體格檢查用虛擬人進(jìn)行，西醫(yī)視診用文字信息提示，觸診、叩診用動(dòng)態(tài)動(dòng)作導(dǎo)入，聽(tīng)診用文字和語(yǔ)音資料導(dǎo)入，中醫(yī)舌診用文字和圖片資料導(dǎo)入，脈診用動(dòng)態(tài)動(dòng)作和文字信息提示。實(shí)驗(yàn)室檢查用圖片資料和文字信息導(dǎo)入。

（2）信息分析模塊。該模塊實(shí)時(shí)輸出中醫(yī)病名、證型診斷，西醫(yī)病名診斷，鑒別診斷等參數(shù)，是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的核心，也是臨床診治思維最重要的過(guò)程。為了使學(xué)生明確診斷，對(duì)癥狀、體征、實(shí)驗(yàn)室檢查用醫(yī)學(xué)知識(shí)進(jìn)行恰如其分地評(píng)估，并分清主次，抓住重點(diǎn)，找出關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在學(xué)習(xí)模式下，設(shè)立診斷依據(jù)，并進(jìn)行診斷解析。

（3）臨床處理決策模塊。該模塊中，學(xué)生和使用者需要以醫(yī)生的角度思考，針對(duì)虛擬病例選擇合適的實(shí)驗(yàn)室檢查，明白檢查目的，進(jìn)行合適的中西醫(yī)治療。首先進(jìn)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(yǎng)學(xué)生的辯證思維能力，根據(jù)患兒的癥狀，方劑的藥物組成可以進(jìn)行加減。

（4）信息反饋模塊。該模塊最終完成診療過(guò)程，學(xué)生提交全部答案，顯示成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)和解析。考核模式下學(xué)生點(diǎn)擊解析，學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)；可以在線(xiàn)提問(wèn)，教師答疑。為了幫助學(xué)生深入學(xué)習(xí)理解支氣管肺炎，學(xué)習(xí)模式下在每章節(jié)后設(shè)計(jì)知識(shí)點(diǎn)講解。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)交互界面設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)交互界面的目的是增加學(xué)生的實(shí)驗(yàn)參與感，提高實(shí)驗(yàn)效率，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的直觀(guān)性［5］。系統(tǒng)交互界面設(shè)計(jì)遵循直觀(guān)、準(zhǔn)確、簡(jiǎn)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(lán)色為主，學(xué)生可以直接輸入賬號(hào)、密碼和驗(yàn)證碼登錄到實(shí)驗(yàn)主界面。主界面以白色、黃色、藍(lán)色為主色調(diào)，有助于學(xué)生更清晰直觀(guān)地看到設(shè)置參數(shù)等詳細(xì)信息。三維交互界面包括直觀(guān)文字表述界面和動(dòng)畫(huà)界面，設(shè)計(jì)“是”“否”“確定”等提示操作；三維交互界面的功能主要有語(yǔ)音提示、返回首頁(yè)、全屏、幫助、實(shí)驗(yàn)時(shí)間和剩余時(shí)間等。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)施

兒科臨床常見(jiàn)疾病中西醫(yī)結(jié)合診治思維訓(xùn)練虛擬仿真實(shí)驗(yàn)采用B/S網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由Web瀏覽器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、仿真軟件和仿真服務(wù)器構(gòu)成，如圖1所示。

圖1：實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建

2.1 選擇工具軟件

主要軟件：選用Windows平臺(tái)應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)工具包Visual Studio，三維建模軟件3D Max，三維引擎軟件Unity3D，提供美觀(guān)簡(jiǎn)易的操作的界面，便于集成第三方服務(wù)。在前期三維制作過(guò)程中，本系統(tǒng)主要使用3DMax和maya進(jìn)行模型的搭建以及模型人物動(dòng)畫(huà)的制作。軟件的優(yōu)勢(shì)在于圖形渲染效率高、速度快、畫(huà)面逼真、場(chǎng)景真實(shí)感強(qiáng)，為項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)保障，保證項(xiàng)目品質(zhì)達(dá)到單場(chǎng)景模型總面數(shù)900000面，貼圖分辨率1920*1080，動(dòng)作反饋時(shí)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(dòng)畫(huà)軟件Maya，三維建模軟件3D Max，C#語(yǔ)言，數(shù)據(jù)庫(kù)MySQL。

2.2 虛擬仿真過(guò)程實(shí)施

2.2.1 參數(shù)設(shè)置實(shí)施

本模塊借助Unity3D軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，具體參數(shù)包括七個(gè)：①病歷資料參數(shù)：患兒一般情況，現(xiàn)病史，其他病史，體格檢查；②虛擬模型參數(shù)：根據(jù)病例設(shè)定建立相應(yīng)年齡模型，各項(xiàng)體格檢查示范和指標(biāo)（含舌診圖片、聽(tīng)診聲音等）；③診斷參數(shù)：中醫(yī)病名、證型診斷，西醫(yī)病名診斷，鑒別診斷；④輔助檢查參數(shù)：各種輔助檢查以及檢查目的；⑤西醫(yī)治療參數(shù)：疾病教育，治療方案，具體藥物、劑量及用藥途徑；⑥中醫(yī)治療參數(shù)：方劑，中藥；⑦成績(jī)參數(shù)：各項(xiàng)分值設(shè)定，可按年級(jí)、專(zhuān)業(yè)要求設(shè)置成績(jī)分配比例。按照以下實(shí)施步驟進(jìn)行：①確定界面的功用，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)傳輸和界面布局；②創(chuàng)建實(shí)體庫(kù)包，導(dǎo)入具體參數(shù)；③借用業(yè)務(wù)層的處理類(lèi)和處理方法處理請(qǐng)求，根據(jù)結(jié)果返回響應(yīng)［4］。

2.2.2 建模、模型動(dòng)畫(huà)與場(chǎng)景搭建

三維場(chǎng)景建模工具是運(yùn)用3DMax軟件。首先設(shè)計(jì)兒科門(mén)診診室就診場(chǎng)景的整體布局，構(gòu)建室內(nèi)就診實(shí)驗(yàn)環(huán)境，然后進(jìn)行模型的布線(xiàn)并建立出醫(yī)生和患兒初步模型，接著給建模出的醫(yī)生和患兒賦上材質(zhì)和貼圖。在整體的人物模型制作完成后，將模型導(dǎo)入到maya或者再利用3DMax對(duì)模型進(jìn)行骨骼的綁定，然后根據(jù)設(shè)計(jì)好的動(dòng)畫(huà)內(nèi)容逐幀的進(jìn)行動(dòng)畫(huà)的制作。最后將醫(yī)生和患兒模型以及動(dòng)畫(huà)的FBX資源包導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D場(chǎng)景來(lái)設(shè)計(jì)就診順序，給場(chǎng)景布置光效，然后進(jìn)行整體場(chǎng)景以及模型的渲染，從而完成整個(gè)場(chǎng)景的設(shè)計(jì)。

2.2.3 虛擬仿真實(shí)施

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)以?xún)煞N模式呈現(xiàn)：學(xué)習(xí)模式和考核模式。借助動(dòng)畫(huà)模擬演示功能，按照仿真服務(wù)器傳輸過(guò)來(lái)的計(jì)算結(jié)果，虛擬仿真疾病診療過(guò)程，具體實(shí)施過(guò)程如圖2所示。

圖2：實(shí)施過(guò)程

2.2.4 三維交互界面

實(shí)驗(yàn)界面為固定鏡頭下以第三人稱(chēng)視角在室內(nèi)就診實(shí)驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行觀(guān)察，在設(shè)計(jì)過(guò)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(nèi)容是由攝像機(jī)的視角范圍決定的，根據(jù)不同場(chǎng)景下鏡頭的需要，鏡頭拉近拉遠(yuǎn)達(dá)到遠(yuǎn)距離的預(yù)覽以及近距離的觀(guān)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(yǔ)音提示、返回實(shí)驗(yàn)首頁(yè)、全屏、幫助等。

2.3 網(wǎng)絡(luò)發(fā)布

交互設(shè)置在VRP中完成后，將VRP對(duì)象導(dǎo)出為vrpie格式，該格式支持網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。Windows平臺(tái)接收GUI二級(jí)界面發(fā)布的虛擬仿真系統(tǒng)，然后虛擬仿真系統(tǒng)被嵌入到校園網(wǎng)上的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心平臺(tái)，鏈接地址為 http://zhenjiu.hnucm.rofall.net/virexp/xrfy。學(xué)生打開(kāi)IE或Firefox、GoogleChrome瀏覽器即可進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室，應(yīng)用該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)與自主學(xué)習(xí)，無(wú)時(shí)無(wú)刻地做實(shí)驗(yàn)得到沉浸式體驗(yàn)。

3 結(jié)語(yǔ)

虛擬仿真教學(xué)的實(shí)施對(duì)提高學(xué)生綜合設(shè)計(jì)與創(chuàng)新能力，提高教師隊(duì)伍教學(xué)能力、拓展實(shí)踐領(lǐng)域、豐富教學(xué)內(nèi)容等有很大的幫助［6］。利用新興虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)構(gòu)建虛擬教學(xué)平臺(tái)，以?xún)?yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，共享實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，變革實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段。倡導(dǎo)以學(xué)生為主體的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)改革，調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)造性，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識(shí)，逐漸掌握思考問(wèn)題、解決問(wèn)題的方法，提高其創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力［7］。學(xué)生在對(duì)模擬病例進(jìn)行虛擬臨床診療的過(guò)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(guò)每個(gè)模塊的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練、教師講解點(diǎn)評(píng)、學(xué)生之間的討論，能夠熟悉臨床診療過(guò)程，啟迪臨床思維，獲得間接的臨床經(jīng)驗(yàn)，適應(yīng)后續(xù)真實(shí)的臨床環(huán)境，更好地發(fā)現(xiàn)自己在臨床實(shí)踐上的差距和彌補(bǔ)這種差距，最終得到臨床思維的鍛煉和臨床能力的提升。