基于ESP 系统急性心肌梗塞仿真实验的设计与实现

刘 惺， 王慷慨， 王 浩， 汉建忠， 张居华

（中南大学a.基础医学院；b.资产与实验室管理处，长沙410013）

0 引 言

心血管系统实验在机能学实验中一直占有重要地位［1］，是医学生必学内容之一。急性心肌梗塞（acute myocardial infarction，AMI）作为心血管系统疾病中最典型的危重急症［2］，在本科阶段的医学生难以接触到。随着社会老龄化，现代生活节奏的加快，饮食习惯的改变以及社会、心理等因素的影响，我国AMI的发病率也呈现逐年升高的趋势［3］，我国急性心肌梗死发病数量已经高达201万/年［4］。AMI成为21世纪医学研究热点和亟待解决的难题之一。

AMI属于临床事件，在实验教学中受到建立动物模型困难、手术操作难度大、可重复性差、不可控因素多等条件限制，仿真技术应用于实验教学成为必要［5］。标准化虚拟仿真病人（Electronic Standardized Patient，ESP）教学将为医学生基础理论学习和临床技能训练提供一个极好的途径和手段。

1 ESP系统简介

基于生理驱动的ESP是一套建立在人体功能学理论基础之上的数字人系统，是通过整合医学+物理学+数学+人工智能的综合技术，实现对人体的器官系统和功能模型进行模拟而开发的一套基于生理驱动的机能学数字人系统。设计思路如图1所示。

图1 ESP设计思路图

2 实验设计

2.1 整体设计思路

以生命健康全周期的“新医科”为理念，以当今热点、难点临床问题为导向，基于先进的ESP开发平台，真实模拟AMI的发生、检查、诊断、机制分析、药物治疗全过程，涵盖临床诊断学、解剖学、生理学、病理生理学、药理学等多个学科，为本科医学生提供了基础医学综合实验技能训练机会。

2.2 设计逻辑关系

ESP案例设计来自反复验证的经典教学案例，通过标准化病人模块设计形成操作病例，通过教学设计制定诊疗措施，通过考核设计制定案例考核，具体设计逻辑如图2所示。

图2 实验设计逻辑关系

2.3 实验内容设计

2.3.1 知识要点

根据临床医学及相关医学类专业培养目标以及教学大纲要求，项目包含心脏与冠脉循环的结构和功能特点；心动周期与心电图的变化规律；急性心梗的发生机制与临床表现，以及急性心梗的临床诊断和治疗策略。

2.3.2 实验流程设计

根据实验教学的任务要求来进行流程设计，全程分为基础部分和临床部分两个大模块，并按照不同模块的具体教学要求对应不同的特色，具体特点和考核方式如图3所示。

图3 实验流程设计

2.3.3 实验考核设计

（1）普通考核。以随堂测试、虚拟实训的方式考核学生对各知识点的掌握，课后生成诊断病历和实验报告，对实验过程进行综合评价。

（2）特色评估。以‘横向对比分析’个性化评价每位学生知识点掌握情况。

3 实验实现

3.1 实验过程描述

（1）学生登录该仿真实验项目后，可以阅读急性心肌梗塞定义、分型、Killip分级，以及相关参考文献。中间主界面展示了实验的教学目标、数据配置和三大内容模块。系统主界面如图4所示。

图4 系统主界面

（2）点击“心肌梗塞的亚健康和潜伏期”模块，进入基础知识学习。内容包含“冠状动脉循环结构和功能特点”“心电图基础及其临床意义”，动脉粥样硬化的形成和进展，“凝血激活和血栓形成的机制”“心肌缺血再灌注损伤的发生机制”以及“心肌梗死的再灌注治疗”。该模块囊括了学生学习理解AMI发生过程的绝大部分重要知识点，如图5所示。

图5 “心肌梗塞的亚健康和潜伏期”模块

（3）临床研究发现，急性心肌梗死病人会有明显的血清心肌酶增高现象，受检者的血清心肌酶谱的变化包括乳酸脱氢酶、谷草转氨酶、磷酸肌酸激酶、磷酸肌酸激酶同工酶等对患者的生命安全和身体健康有很大的影响［6-9］。急性心肌梗塞标准化病人模型，反映了典型急性心梗病人的临床特征，包含了“心电监护全数据变化”“标准病人模型”“典型心电图变化”“血清酶学变化”“超声心动图”（见图6）。

图6 “急性心肌梗塞标准化病人”模块

（4）急性心肌梗塞临床急救虚拟实训模块，是学生急救实训的核心，学生进入模块后观察病人病情和状态，对病人进行诊断、评估和急救。包含了“心电监护”“心梗病人模型”“病史采集”“病情评估”“抢救治疗”“病历生成”各分模块，如图7、8所示。

图7 “急性心肌梗塞临床急救虚拟实训”模块

电子病人将表现出急性心肌梗塞的各项临床特征，如心前区疼痛，心率失常，血压下降，血氧饱和度下降等，同时心电监护报警，提示学生要在较短的时间采取正确的急救措施，才能一一解除各项危症，如：吗啡镇痛，电子病人停止疼痛反应；面罩吸氧，病人血氧饱和度上升等［10］。如果处理不当，或者拖延过长，电子病人将会死亡。

图8 “病情评估”与“抢救治疗”界面

（5）点击“电子病历”教学模块。学习病历的结构和书写规范，根据学生的病历采集，体格检查、实验室检查以及急救措施，系统在诊疗过程中实时记录病人各项指标生成标准病例。

3.2 实验考核实现

（1）考核内容。对AMI的临床表现，血清心肌酶学变化，心电图各期的变化，对循环、呼吸系统的影响以及AMI形成和缺血再灌注损伤的发病机制［11-12］，学生的问诊和诊断能力。根据学生的学习情况，能够有针对性地考核学生的单项内容的掌握情况和综合分析能力。

（2）考核方法。以人机对话的模式，学生通过本实验的网络考试功能进行知识点随堂考核。通过学生对电子病人的病历采集，病情评估，抢救治疗进行临床操作考核［13-14］。教师可以设定特定的考试目标如“问诊病史采集”，选择对应的考试知识点如“意识评估”“疼痛评估”“现病史”“既往史”等，再通过计算机分项打分和综合来评价学生对知识点的掌握和临床思维能力。

实验后通过要求学生完成实验报告、病历书写的方式来考核学生对实验整体的掌握程度。

（3）考核成绩统计。考核完成后，要针对不同学生、不同班次、不同场次进行细致科学的统计，包括柱状图、雷达图等多种图形，得到具体量化数据。教师可以针对学生个体及群体的学习情况进行个性化统计，实时掌握学生学习状况及评价教学效果。通过软件查看学生的操作记录和成绩结果，包括每个学生的总体情况和每套评分系统的详情，进行更细致的查看，实时展现学生当时的学习情况。

（4）个人学习统计。统计每个学生的历史自学、考试情况，包括次数、时间、分数、评级、效果、排名等。针对多个学生，进行临床诊疗能力横向对比分析，导出能力分析报告。

4 结 语

本科教育是学生成长成才的关键阶段，“金课”建设是实现一流本科教育目标的突破口。虚拟仿真“金课”建设正在如火如荼开展，教育部适时提出了由“大而全”的平台建设转向“小而精”的项目建设［15］，为虚拟实验项目的研发提供了政策保障和行动指南。

虚拟仿真能规避线下实验中众多高受限的难题，让学生体验平时无法接触或无法完成的实验项目，从培养学生动手能力来看，仍应遵循“能实不虚”的原则。新项目研发需具备必要性、先进性、互动性3个基本要素，才有可能成为“示范性”。

项目中AMI的发生机制和治疗策略，参照现实临床病例，数据可靠，并保留了开放性模块接口，可随着学科研究的进一步发展，适时拓展补充。项目为医学教育中打通基础、临床壁垒，加强两者联系，尝试了新的教学案例，也为虚拟仿真项目的持续建设提供了新的思路。