超声心动图辅助教学系统的研发与应用

张青陵，朱向明，李国杰

皖南医学院弋矶山医院超声医学科，安徽 芜湖 241001

·技术与教育·

超声心动图辅助教学系统的研发与应用

张青陵，朱向明，李国杰

皖南医学院弋矶山医院超声医学科，安徽 芜湖 241001

根据超声心动图学的教学特点，应用Adobe Flash CS5为开发工具，以权威性专业协会组织最新颁布的指南或建议为蓝本，设计开发集图、文、动画、视频为一体的交互式超声心动图辅助教学系统。经实践表明，该系统能够提高超声心动图教学的质量和效果，具有较高的推广应用价值。

超声心动图描记术;医学教育;计算机辅助;Flash

超声心动图是以实践和理论为基础的医学技术学科。传统的超声心动图教学由于其内容抽象、形式单调，难以达到满意的教学效果。如何提高医学影像学专业学生以及超声心动图工作者的学习兴趣，改进教学质量和提高教学效果，是医学影像学教育值得探索和研究的问题。该研究利用计算机多媒体技术，通过图像、声音、文字、动画等形式建立辅助教学系统，为超声心动图教学提供丰富生动的多媒体素材。

1 材料与方法

1.1 研究材料

开发工具以美国Adobe公司Adobe Flash CS5为主，辅以其他图像制作软件。教学内容以美国心脏协会、美国超声心动图协会和欧洲超声心动图协会等权威性专业协会组织最新发布的诊断指南或建议［1-5］为蓝本。应用计算机选择1 GHz以上的Intel Core 2 Duo CPU、1 G以上内存、16位以上显示模式、80 GB以上硬盘、32倍速以上DVD-ROM驱动器，操作系统选用简体中文或英文WindowsXP/7等。

1.2 研究方法

1.2.1 软件设计 根据超声心动图教学的特点，按照模块化设计方法，将系统设计为五个主功能模块:①基础知识模块。包括超声学基本原理、正常标准切面及各种病变图解等;②多普勒应用模块。包括多普勒血流显像、多普勒效应、简化的伯努力方程、连续方程等;③等级评分模块。包括室壁运动评分、瓣膜病变评分、左室舒张功能评级等;④心脏负荷及声学造影模块。包括负荷给药量及造影剂给药量的流程、计算方法、负荷和造影结果的评价等;⑤心脏标准化定量模块。包括形体指数、腔径指数、心腔定量分析的计算方法等(软件总体结构如图1所示)。

1.2.2 程序设计及编程 该软件的设计适用对象主要是医学临床或影像专业的专科生、本科生、进修生及住院医师，以内容翔实、简单易用为第一原则。在界面设计中重点设计简洁、合理的人机交互界面，以简明、美观、高效为原则;将超声心动图常用的原理和假说以示意图和演示动画的形式进行编码。设计了关于超声心动图正确测量方法的教学演示，进一步通过编程实现虚拟超声诊断真实诊疗环境，模拟超声心动图的操作和诊断过程，并可由操作者亲身实践，从而训练学习者的临床诊断思维。

图1 软件总体设计结构图

1.2.3 多媒体制作 按系统进行分类，将教学内容嵌于对应的模块，采用类似电脑游戏的设计和创意，使观察直观、易于理解。如基础图谱模块下的标准切面，包含各种典型切面及每种切面的探查演示，通过鼠标点击相应模块激发该项功能。

1.2.4 软件的测试及维护 系统完成后，在医院以及高校使用。在使用过程中，针对系统所存在的不足和缺陷，对系统进行修改和完善。

2 结果

2.1 辅助超声心动图标准切面、测量计算、标化处理的认知与理解

系统提供详细的超声心动图标准切面、测量示意图、多普勒计算公式和血流动力学应用原理的教学演示动画。如:心腔测量的标准切面示意图、连续方程原理的动画演示等，有助于使用者学习和了解各种超声心动图标准切面的操作要领，认识和熟悉切面中可观察到的各种解剖结构。同时，系统将测量计算等繁琐理论教学转换成简单、快捷的操作界面来完成，人工输入测量数据由系统自动计算并进行数据的标准化处理和分析(如图2所示)。

2.2 辅助超声心动图诊断的认知和理解

系统收集了大量经病理或手术证实的各种常见先天性及后天性心脏病的超声心动图图像资料，提供多种心脏病的病理解剖及分型的图解、病理生理及血流动力学动画、典型病例图谱、心脏模拟杂音等，还提供有真情实感的静态和动态画面，有利于对抽象理论的认识(如图3所示)。

图2 左心室标准测量切面示意图

图3 动脉导管未闭血流动力学演示动画

2.3 辅助超声负荷和超声造影的认知和理解

通过图形和图像模拟实验教学，帮助掌握负荷超声心动图和心脏超声造影的流程，了解“负荷给药量”、“造影剂给药量”、“目标心率”、“运动耐力METs＆VO2”及“Duke运动平板试验”等，让学习者如同身临其境，避免了以往教学中以患者作为教学对象的弊端(如图4所示)。

图4 运动平板负荷超声心动图评分与危险分层

2.4 辅助室壁运动评分及瓣膜病变评分的认知和理解

系统以示意图形式展示心室壁的节段划分，根据室壁运动的观察结果，自动对室壁运动进行评分、计算室壁运动指数，并以不同的颜色来显示室壁各节段的运动状态(如图5所示)。系统还可以根据瓣膜病变的超声观察结果，自动完成二尖瓣等瓣膜病变的评分及自动预警分析。

图5 室壁运动评分及示意图

2009年，超声心动图辅助教学系统获国家版权局计算机软件著作权(软著登字第0187575号，登记号2009SR060576)。2011年该软件辅助教学系统获安徽省教育厅教学软件类成果二等奖。

3 讨论

超声心动图作为一项影像学常规检查技术在心脏疾病诊断、治疗以及预防等方面均发挥着重要作用。对超声心动图图像的认知与理解在很大程度上依赖于操作者的技术和经验，而规范统一的图像获取、测量和分析方法有助于提高超声心动图诊断的准确性和通用性［6］。虽然目前国内超声心动图的教学资源多以权威性专业协会组织最新发布的指南或建议为撰写蓝本，各种专业课本教材不胜枚举，然而，在教学实践工作中，缺乏一种具备交互式功能的教学媒介，能够将平面抽象的教学内容变得立体而生动，能够将口授心传的教学组织形式变成主动探究亲身体验，能够将临床真实场景实例化，从而激发学生的学习兴趣和探知欲，真正做到面向临床，达到培养实用型超声心动图诊断人才的目的。实际上，国内外对超声心动图图像获取、测量和分析方法规范化和标准化的呼吁和研究工作一直没有停止［7-8］，然而相关的辅助教学软件研制与开发工作却未见深入。随着计算机和信息技术的快速发展，计算机在教育领域的应用日益广泛而深入，极大地促进了教育事业的发展，也为医学教学的改革和发展提供了可供借鉴的经验和实现的条件，从而引起医学教育的传统观念和教学模式发生了前所未有的变革。

基于上述认识，我们研制开发了超声心动图辅助教学系统，其主要功能可实现:①对超声医学基础知识的认知与理解。对超声医学的认识和理解是超声心动图教学的重点。超声医学基础章节由于涵盖范围广，知识点涉及物理学、声学、数学等多门学科，方式、公式繁杂且相互交叉，学习难度较大。该软件通过精心制作的的图例和动画演示，图文并茂，有助于提高教学效果;②对超声心动图标准切面的认知与理解。软件通过虚拟真实临床环境，以人机对话方式实现对心脏超声的模拟操作，有助于使用者学习和了解各种超声心动图标准切面的操作要领，认识和熟悉切面中可观察到的各种解剖结构，从而使得其对理论知识的领悟有了感性认识的基础;③对超声心动图正确测量方法的演示和教学。由于各种原因和条件的限制，国内各个地区和医院超声心动图工作当中存在着图像获取与测量方法不统一的情况，一定程度上降低了超声心动图报告在院际之间的可读性和可参照性。鉴于此，该软件依据最新的指南和标准设计了关于超声心动图正确测量方法的教学演示，并可由操作者亲身体验，其对国内超声心动图的规范化教学工作是一个有力的促进;④对多普勒计算公式应用原理的图例示意和动画演示。多普勒技术作为超声心动图的技术灵魂，其中大量的计算公式均涉及相关的血流动力学物理原理和假设，该系统提供的示意图和动画演示将使得不同程度的从业人员，尤其是初学者对这些原理和假说的来龙去脉有一个深入浅出的认识。同时，其具备的自动分析判断计算结果也能够减轻超声心动图医师的记忆负担，提高工作和学习效率;⑤对各种常见先天性及后天性心脏病的实例教学。软件收集了大量经病理或手术证实的各种常见先天性及后天性心脏病的病例资料，通过虚拟医院真实诊疗环境，模拟超声心动图的操作和诊断过程，从而训练学习者的临床诊断思维。软件借鉴模拟经营类电脑游戏的设计和创意，寓教于乐，从而使得学习过程变得不再枯燥乏味，而是充满了学习乐趣。

［1］Rudski LG，Lai WW，Afilalo J，et al.Guidelines for the echocardiographic assessment of the right heart in adults:a report from the American Society of Echocardiography endorsed by the European Association of Echocardiography，a registered branch of the European Society of Cardiology，and the Canadian Society of Echocardiography［J］.JAm Soc Echocardiogr，2010，23(7):685-713

［2］Nagueh SF，Appleton CP，Gillebert TC，et al.Recommendations for the evaluation of left ventricular diastolic function by echocardiography［J］.J Am Soc Echocardiogr，2009，22 (2):107-133

［3］Baumgartner H，Hung J，Bermejo J，et al.Echocardiographic assessment of valve stenosis:EAE/ASE recommendations for clinical practice［J］.JAm Soc Echocardiogr，2009，22(1):5

［4］Lang RM，Bierig M，Devereux RB，et al.Recommendations for chamber quantification:a report from the American Society of Echocardiography＇s Guidelines and Standards Committee and the Chamber Quantification Writing Group，developed in conjunction with the European Association of Echocardiography，a branch of the European Society of Cardiology［J］.J Am Soc Echocardiogr，2005，18(12): 1440-1463

［5］ZoghbiW A，Enriquez-Sarano M，Foster E，et al.Recommendations for evaluation of the severity of native valvular regurgitation with two-dimensional Doppler Echocardiography［J］.JAm Soc Echocardiogr，2003，16(7):783-5，787

［6］Evangelista A，Flachskampf F，Lancellotti P，et al.European Association of Echocardiography recommendations for standardization of performance，digital storage and reporting of echocardiographic studies［J］.Eur JEchocardiogr，2008，9(4):438-448

［7］张青陵，朱向明.超声心动图定量评价心脏构型的现状与进展［J］.中国介入影像与治疗杂志，2009，6(5):469-472

［8］张青陵，朱向明，李国杰，等.超声心动图辅助诊断系统的研究开发［J］.中华生物医学工程杂志，2009，15(2): 127-130

Development and application of the computer-assisted teaching system for echocardiography

Zhang Qingling，Zhu Xiangming，Li Guojie
Department of Ultrasonography，Yijishan Hospital ofWannan Medical College，Wuhu 241001

Based on the teaching characteristics of echocardiography，we designed and developed an interactive computer-assisted teaching system for echocardiography，which integrates texts，illustrations，animations and videos by using Adobe Flash CS5 as the development tool and the newest guidelines and suggestions published by authoritative professional associations as the blueprint.Practice proves that this system can improve the quality and effectiveness of echocardiography teaching and thus has a high value of application and popularization.

echocardiography;medical education;computer-assisted;Flash

G434

:A

:1004-5287(2012)04-0424-03

2009年安徽省卫生厅医学科研青年基金课题(09B102)

2012-03-01

张青陵(1981-)，男，安徽池州人，助教，硕士，主要研究方向:超声心动图学、医学信息学。

朱向明(1964-)，男，安徽芜湖人，教授，博士，主要研究方向:超声心动图学、医学信息学。

电话:13955391079;E-mail:zhuxmwuhu@yahoo.com.cn