徐 鴿 王立娟 徐 瑩 張瑞義 鄒 璐 吳耀輝 李福鳳※

（1.上海中醫(yī)藥大學(xué)教學(xué)實驗中心，上海 201203；2.上海中醫(yī)藥大學(xué)中醫(yī)四診數(shù)字化研究室，上海 201203）

培養(yǎng)具有良好職業(yè)素質(zhì)、較強實踐操作能力、能夠獨立進行診斷治療、富有創(chuàng)新精神的醫(yī)學(xué)人才，是高等醫(yī)學(xué)院校教學(xué)工作的重要目標(biāo)［1］。中醫(yī)診斷學(xué)是中醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)課程與臨床科目之間的橋梁學(xué)科，實踐性強，是理論與實際密切結(jié)合的一門學(xué)科，旨在培養(yǎng)學(xué)生的中醫(yī)四診技能和辨證思維能力。近年來招生規(guī)模擴大，患者維權(quán)意識增強，不愿配合示教，典型病例缺少，學(xué)生反復(fù)往返醫(yī)院時間和人力成本較高，使傳統(tǒng)的以患者為中心的臨床實踐教學(xué)模式面臨巨大挑戰(zhàn)［2］。信息技術(shù)的快速發(fā)展激發(fā)了教學(xué)形式的變革［3］。近年來虛擬現(xiàn)實技術(shù)在中醫(yī)藥高等教育領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［4-7］，收到了良好的教學(xué)效果。上海中醫(yī)藥大學(xué)教學(xué)實驗中心也積極探索搭建中醫(yī)虛擬仿真實驗智慧學(xué)習(xí)平臺，其中中醫(yī)教學(xué)團隊嘗試將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用在中醫(yī)實訓(xùn)課程教學(xué)中，已研究開發(fā)出中醫(yī)臨床思維訓(xùn)練系統(tǒng)、針灸臨證思維及針刺效應(yīng)訓(xùn)練系統(tǒng)等。中醫(yī)脈診是學(xué)習(xí)過程中最難把握的診察方法［8］，內(nèi)涵抽象，學(xué)習(xí)者僅憑教師講授及個人對教材文字的理解，很難在短時間內(nèi)領(lǐng)會其精髓，故難以達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果［9］。虛擬仿真實驗具有形象直觀、可重復(fù)操作、實驗效率高、附加功能完善等特點［10］，可幫助學(xué)生理解晦澀難懂的脈診理論及訓(xùn)練學(xué)生脈診操作。下面對基于Unity 3D 軟件的脈診虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的構(gòu)建進行探討。

1 中醫(yī)脈診3D虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的內(nèi)容

中醫(yī)診斷學(xué)實訓(xùn)課程包含針對中醫(yī)診法技能和辨證思維訓(xùn)練的實踐教學(xué)，也包括促進學(xué)生對中醫(yī)概念內(nèi)涵和相關(guān)診法生理病理基礎(chǔ)理解、開拓科研思路、培養(yǎng)創(chuàng)新精神和能力的實驗教學(xué)。實驗教學(xué)的虛擬仿真與實踐教學(xué)有區(qū)別，實踐教學(xué)側(cè)重于方法的掌握，而實驗教學(xué)側(cè)重于原理講解［11］。因此，從實驗教學(xué)與實踐教學(xué)兩個方面構(gòu)建脈診虛擬仿真系統(tǒng)。

1.1 實驗教學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)是指在教師指導(dǎo)下，學(xué)生在穩(wěn)定的實驗環(huán)境中通過自身努力完成教學(xué)目標(biāo)的過程，比理論教學(xué)更具有直觀性、實踐性、綜合性與創(chuàng)新性等特點［12］。實驗教學(xué)部分主要包括基礎(chǔ)模塊和拓展模塊。

1.1.1 基礎(chǔ)模塊 脈象形成機制及脈象八要素模塊脈診是中醫(yī)重要的診病方法，傳統(tǒng)的中醫(yī)脈診全靠醫(yī)生手指靈敏的觸覺來體會其脈象的浮、沉、遲、數(shù)、虛、實等，脈診教學(xué)沒有直觀量化的圖形和指標(biāo)，僅通過教師的講解和演示，學(xué)生難以理解臨床各種脈象的特點。本模塊的實驗?zāi)康脑谟谧寣W(xué)生由淺入深、直觀量化地理解脈象八要素的內(nèi)涵，體會并掌握常見脈象的主要指感特征及其臨床意義，熟悉脈象形成機制，夯實中醫(yī)脈診理論知識。

本模塊虛擬仿真設(shè)計主體內(nèi)容是“脈象形成機制”和“脈象八要素”單元?！懊}象形成機制”單元采用三維虛擬動畫及人機交互演示脈象形成機制，重點突出心臟收縮產(chǎn)生的沿動脈管傳播的前進波與外周反射回來的反射波疊加形成脈搏波（見圖1），并體現(xiàn)氣血、脈管和五臟的作用?！懊}象八要素”單元，采用前臂解剖3D 模型呈現(xiàn)不同脈象信號的力學(xué)和組織形態(tài)學(xué)差異，以三維視頻動畫高度還原在真實世界難以觀察到的不同脈象要素如寸口部血流動力學(xué)和組織學(xué)變化，同時配合音頻、字幕以及傳統(tǒng)脈圖圖示解讀（見圖2）。點擊“脈位”“至數(shù)”“脈長”“脈寬”“脈力”“均勻度”“流利度”“緊張度”八要素按鈕，可觀看不同指法操作下體現(xiàn)各脈象要素的三維動畫變化視頻，有助于學(xué)生直觀形象地理解脈象八要素的內(nèi)涵。為了加強脈診實驗學(xué)習(xí)與臨床實際工作的銜接，理論與實踐并重，增加“常見脈象特征的臨床意義”學(xué)習(xí)內(nèi)容，解釋脈象代表的臨床意義、生理病理狀態(tài)等，引導(dǎo)學(xué)生將脈象特征與臨床實踐相結(jié)合。

圖1 中醫(yī)脈診3D虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)脈象形成機制學(xué)習(xí)界面

圖2 中醫(yī)脈診3D虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)脈象八要素學(xué)習(xí)界面

1.1.2 拓展模塊 脈象信號采集與分析訓(xùn)練傳統(tǒng)脈診主要依賴于臨床醫(yī)師的主觀判斷和個人經(jīng)驗，且受到環(huán)境等因素的影響，難以做到客觀與規(guī)范。為了提高中醫(yī)臨床診斷和辨證的準(zhǔn)確性和便捷性，亟需開展中醫(yī)四診客觀化研究，中醫(yī)四診客觀化智能設(shè)備的研制是實現(xiàn)中醫(yī)四診客觀化的重要途徑。自80年代初，上海中醫(yī)藥大學(xué)就開展了中醫(yī)脈診規(guī)范化、數(shù)字化研究，自主研發(fā)了系列智能脈象儀，其中ZM-Ⅲ型智能脈象儀、脈象模型手在中醫(yī)實驗教學(xué)中廣泛應(yīng)用?；诿}診的研究成果，運用3D建模和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，能可視化地呈現(xiàn)脈象儀的組成、工作原理與脈圖采集分析過程和技術(shù)。該模塊是針對對中醫(yī)四診客觀化科研工作有興趣的學(xué)生設(shè)計的拓展模塊，旨在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實踐能力，服務(wù)于培養(yǎng)創(chuàng)新型、研究型人才的教學(xué)目標(biāo)。

該模塊具體內(nèi)容包括脈象儀工作原理單元、脈象信號采集和分析單元。脈象儀工作原理單元運用3D 建模，高度仿真了脈象儀的關(guān)鍵部件，可視化地呈現(xiàn)脈象發(fā)生器組件及工作流程。實驗時學(xué)生可點擊識別各部件并通過人機交互完成脈象器的組裝，在系統(tǒng)的指引下進行脈象信號傳遞，可更好地理解脈象傳感器和脈象采集放大器的原理（見圖3）。在脈象信號采集分析模塊，學(xué)生可通過鼠標(biāo)拖拽連接虛擬換能器和脈象儀，啟動脈象采集分析軟件系統(tǒng)，選擇虛擬患者，進行脈象采集（見圖4），并在系統(tǒng)引導(dǎo)下進行基線漂移處理、噪聲消除、分割周期，并選擇不同的脈圖分析方法對脈圖進行特征提取和分析。通過本模塊內(nèi)容訓(xùn)練，可啟發(fā)學(xué)生中醫(yī)脈診現(xiàn)代化及中醫(yī)工程學(xué)創(chuàng)新的研究思路，為參加科研創(chuàng)新項目、“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽及全國“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等比賽提供參考。

圖3 中醫(yī)脈診3D虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)脈象發(fā)生器組件及原理演示界面

圖4 中醫(yī)脈診3D虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)脈象采集與分析界面

1.2 實踐教學(xué)虛擬仿真 切脈方法訓(xùn)練實踐教學(xué)是根據(jù)認(rèn)識的本質(zhì)與規(guī)律、實踐的特點和作用以及教學(xué)的目的和要求開展的教育教學(xué)實踐活動，是理論聯(lián)系實際、培養(yǎng)學(xué)生掌握科學(xué)方法和提高動手能力的重要平臺［13］。本版塊構(gòu)建采用3D脈診虛擬仿真訓(xùn)練平臺和真實世界中脈象模擬裝置或相互切脈結(jié)合的方式，幫助學(xué)生掌握正確的診脈方法和脈象判斷技能。

虛擬仿真脈診實踐教學(xué)主要內(nèi)容是切脈方法訓(xùn)練（見圖5），該模塊目的是幫助學(xué)生通過3D 脈診虛擬仿真訓(xùn)練平臺和脈象模擬裝置掌握基本的切脈方法和脈象判斷技能。切脈方法主要內(nèi)容包含脈診體位和診脈指法，主要以音頻結(jié)合3D動畫演示展現(xiàn)。例如脈診體位運用虛擬仿真等技術(shù)三維立體、全景式呈現(xiàn)診室及虛擬患者體位、虛擬醫(yī)生診脈動作，并依次用圖標(biāo)演示出操作要點，比如手臂放平與心臟在同一水平位，切脈手指與腕部皮膚呈45°角等；診脈指法又詳細(xì)分為定位、布指、運指，以“運指”部分為例，依次在3D模型手上演示舉法、尋法、單按、總按等指法，同時配合音頻、字幕解讀。在使用過程中，學(xué)生通過點擊鼠標(biāo)依次觀看切脈步驟，需選擇出屏幕上出現(xiàn)的關(guān)于“技術(shù)要點”的正確操作選項方可繼續(xù)，學(xué)生還可以自由選擇不同指法反復(fù)觀察操作細(xì)節(jié)。接下來學(xué)生可以借助脈象模型手訓(xùn)練切脈操作流程，并進一步體會各種脈象的指下感覺，并作出判斷。本部分是在課堂真人切脈操作訓(xùn)練基礎(chǔ)上的輔助強化，虛擬仿真平臺3D效果全景展示比真人操作或真人視頻展示更能全方位突出診脈不同指法的細(xì)節(jié)與區(qū)別，便于學(xué)生掌握；脈象模型手則能展示更多在正常人身上難以見到的異常典型脈象。為保證教學(xué)內(nèi)容的完整性和系統(tǒng)性，避免單純興趣中心、脫離臨床實際，本部分還設(shè)計了脈診人文關(guān)懷相關(guān)內(nèi)容，例如以動畫視頻、文字、圖畫頁面設(shè)置人文關(guān)懷場景，進行醫(yī)德醫(yī)風(fēng)的引導(dǎo)，滲透課程思政方面的內(nèi)容。

1.3 考核功能考核在整個教學(xué)工作中起著指揮棒和標(biāo)尺的作用［14］。為了使學(xué)生能夠及時了解自己對操作關(guān)鍵點的掌握程度，提高學(xué)生對實驗操作技術(shù)的學(xué)習(xí)興趣，中醫(yī)脈診3D虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)還設(shè)置了線上考核模塊，采用二維與三維相結(jié)合的呈現(xiàn)方式。知識型題目采用二維方式呈現(xiàn)，或文字、或圖片。實踐型題目采用三維視頻方式呈現(xiàn)，例如播放一段3D切脈操作視頻，設(shè)置問題“以下切脈操作有何錯誤”；播放橈動脈前臂解剖模型在切脈操作下脈象信號變化的三維視頻，設(shè)置問題“請問圖中顯示的是什么脈象的特征”等。采用線上實時考核計分，通過虛擬實驗教學(xué)平臺，教師能夠?qū)W(xué)生完成的虛擬實驗情況進行檢查、督促，同樣學(xué)生也可以在線完成實驗和考核題目的遞交，檢查自身的學(xué)習(xí)訓(xùn)練效果并查看個人實驗成績和教師的評語，與教師進行網(wǎng)上交流。

2 優(yōu)勢與應(yīng)用

2.1 情景化和人文化3D 脈診虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)利用先進的計算機技術(shù)充分實現(xiàn)人機交互，使學(xué)生的眼、耳、手等多種感官都參與到學(xué)習(xí)過程中，情景化的學(xué)習(xí)環(huán)境使抽象的教學(xué)環(huán)境人性化，枯燥的脈診理論形象化，學(xué)生真正參與進來，成為實踐的主體而不是旁觀者。這加深了學(xué)生對于脈診指感特征的認(rèn)識，使其易于掌握理論知識、提高脈診技能。為了彌補虛擬平臺訓(xùn)練缺乏與真實患者面對面有溫度的交流的不足，系統(tǒng)設(shè)置的人文關(guān)懷場景，可對學(xué)生的醫(yī)德醫(yī)風(fēng)進行引導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生的人文關(guān)懷意識，更好地聯(lián)系實際、指導(dǎo)臨床。

2.2 創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性脈象采集與分析實驗?zāi)K是基于團隊自主開發(fā)脈診實驗裝置的研究開發(fā)出的項目，是科研反哺教學(xué)的有益嘗試，為學(xué)生提供了多學(xué)科交叉的虛擬創(chuàng)新實驗訓(xùn)練機會。通過實驗學(xué)生可了解現(xiàn)有的脈診現(xiàn)代化研究方法和現(xiàn)狀，啟發(fā)科研創(chuàng)新思路，也可以在此基礎(chǔ)上進行自主創(chuàng)新實驗，將來自學(xué)生的新思路、新方法經(jīng)論證后加入系統(tǒng)。這種教學(xué)互動方式可有效激發(fā)學(xué)生深度參與、深度學(xué)習(xí)的積極性，充分體現(xiàn)教學(xué)活動的創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性。

2.3 應(yīng)用反饋脈診3D 虛擬仿真系統(tǒng)在教學(xué)中的應(yīng)用已有2 年，利用問卷調(diào)查收集100 名學(xué)生的反饋意見，100%（100/100）的學(xué)生認(rèn)為本系統(tǒng)涵蓋的脈診知識點較全面；超過90%的學(xué)生認(rèn)為本系統(tǒng)切脈方法訓(xùn)練與真實情境下針對患者的示教演示仿真度較高；95%（95/100）的學(xué)生認(rèn)為系統(tǒng)對脈象八要素的闡釋方式比較準(zhǔn)確、形象；超過80%的學(xué)生認(rèn)為該訓(xùn)練系統(tǒng)對開展脈診操作規(guī)范化實訓(xùn)、理解脈象八要素的內(nèi)涵及指感特征非常有幫助；超過90%的學(xué)生認(rèn)為本系統(tǒng)對學(xué)生養(yǎng)成自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣非常有幫助。同時部分學(xué)生希望能有更加先進、涵蓋臨床脈象種類更加廣泛的脈象模擬或復(fù)現(xiàn)裝置能夠用于教學(xué)，這也是具有重要教學(xué)臨床價值和前景的研究方向。

3 結(jié)語

中醫(yī)虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)可促進學(xué)生自主學(xué)習(xí)，學(xué)生可以隨時通過網(wǎng)絡(luò)登錄虛擬仿真實驗教學(xué)實驗平臺反復(fù)操作，符合互聯(lián)網(wǎng)時代大學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣。同時克服了中醫(yī)診斷技能實踐見習(xí)臨床病例資源缺乏、學(xué)生動手機會少的問題，彌補了傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)教育的不足，提高了中醫(yī)學(xué)實訓(xùn)和實驗教學(xué)的質(zhì)量和效率。中醫(yī)脈診3D虛擬仿真實驗平臺的構(gòu)建是虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于中醫(yī)診斷技能實踐課程的嘗試和探索，取得了學(xué)生的好評和較好的效果，對培養(yǎng)具有實踐能力和創(chuàng)新精神的醫(yī)學(xué)高素質(zhì)應(yīng)用型人才發(fā)揮了積極作用。脈診作為中醫(yī)診斷技能的重要內(nèi)容，對其虛擬仿真系統(tǒng)構(gòu)建的探索有利于促進融課堂教學(xué)、學(xué)生自主訓(xùn)練和科研創(chuàng)新為一體的中醫(yī)虛擬仿真實踐教學(xué)體系的建立。