儿科常见疾病中西医结合诊治思维训练虚拟仿真实验设计

罗银河 邓奕辉 李丽鹏 王孟清 黄 婷

（1.湖南中医药大学中西医结合学院儿科教研室 湖南·长沙 410208；2.湖南中医药大学第一附属医院儿科 湖南·长沙 410007）

虚拟仿真实验教学是扩展实验教学空间和时间、丰富实验教学内容、提高实验教学水平的重要措施。2013年8月，教育部决定开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作［1］。虚拟仿真实验是运用虚拟现实、生物仿真、多媒体与网络通信等技术，与相应的专业知识与技能相结合而构建的虚拟实验环境，学生可以运用里面的虚拟实验设备和物品，按照实验步骤进行训练，此方法为实验教学提供了新思路［2］。虚拟仿真实验吸引学生参与实验，调动学生学习的主动性，打破了传统实验所受的时空限制，有效的提高了学生的动手能力，节约了教学资源，减少了对实验室的损坏，有利于避免传统实验给学生带来的各种危险［3］。为了推动高等学校实验教学改革与创新、促进中西医结合临床学科建设、解决临床见习现实问题，同时为了锻炼、培养和提高儿科临床常见疾病中西医结合诊治思维能力，设计了儿科常见疾病中西医结合诊治思维训练虚拟仿真实验。实验涉及中医诊断学、中药学、方剂学、病理生理学、西医诊断学等基础知识，利于学生建立丰富、扎实的知识基础，激发对儿科临床的兴趣，调动学习探索的主动性和积极性，提高自学能力和培养职业价值感，培养中西医结合诊疗能力。

本文以儿科临床常见疾病-支气管肺炎为例，用模块化方案进行虚拟仿真实验设计，基于数据层、支撑层、通用服务层、仿真层、应用层五层架构，利用unity3D虚拟引擎、WebGL技术和Mysql数据库等软件设计虚拟仿真实验。学生通过反复的虚拟操作，掌握儿科病史采集、支气管肺炎的临床表现，如何选择必要的实验室检查，相似疾病的鉴别诊断，完成正确的临床诊断和合适的中西医治疗，从而全面深刻认识和理解小儿常见疾病的中西医诊治过程，建立中西医结合的诊疗思维，达到现实教学过程中无法达到的教学效果。通过虚拟教学资源的构建，突破传统的教学中一元性的思维模式，打破认识的空间局限性[4]，让学生在虚拟的学习情景中获得更加丰富的临床体验。

1 虚拟仿真实验设计

1.1 实验目的

儿科临床常见疾病中西医结合诊治思维训练实验的目的是通过仿真实验深刻理解和掌握以小儿肺炎为代表的儿科常见病的临床表现、中西医诊断和治疗，熟悉儿科临床诊疗操作过程，建立中西医诊疗交互的临床思维，激发学生和其他使用者对儿科的学习兴趣和热情，调动学习的主动性，锻炼、培养和提高儿科临床中医和西医临床技能及实践能力，帮助提高中医学专业、中西医结合本科专业人才的培养质量。

1.2 虚拟仿真实验总体设计

1.2.1 实验模块设计

实验设计按照临床一般诊疗过程和住院病历书写思路，采用模块化设计框架，根据实验目的和目标分解为四个模块，包括信息采集、信息分析、临床处理决策、信息反馈。信息采集模块通过采集病史、体格检查、实验室检查，得到临床信息；信息分析模块将得到的临床资料信息综合分析，去伪存真，拟定初步诊断；临床处理决策模块对疾病进行合理的中西医结合治疗；信息反馈模块进行实验结果分析与传输。

（1）信息采集模块。此模块中病史采集（主诉、现病史、个人史、既往史、家族史）用文字信息提示和学生操作（人机互动）补充完成，体格检查用虚拟人进行，西医视诊用文字信息提示，触诊、叩诊用动态动作导入，听诊用文字和语音资料导入，中医舌诊用文字和图片资料导入，脉诊用动态动作和文字信息提示。实验室检查用图片资料和文字信息导入。

（2）信息分析模块。该模块实时输出中医病名、证型诊断，西医病名诊断，鉴别诊断等参数，是虚拟仿真实验的核心，也是临床诊治思维最重要的过程。为了使学生明确诊断，对症状、体征、实验室检查用医学知识进行恰如其分地评估，并分清主次，抓住重点，找出关键环节，在学习模式下，设立诊断依据，并进行诊断解析。

（3）临床处理决策模块。该模块中，学生和使用者需要以医生的角度思考，针对虚拟病例选择合适的实验室检查，明白检查目的，进行合适的中西医治疗。首先进行临床疾病宣教，然后确定治疗方案，具体药物、剂量及用药途径，选择合适的方剂及中药组成。为培养学生的辩证思维能力，根据患儿的症状，方剂的药物组成可以进行加减。

（4）信息反馈模块。该模块最终完成诊疗过程，学生提交全部答案，显示成绩评价和解析。考核模式下学生点击解析，学习相关知识点；可以在线提问，教师答疑。为了帮助学生深入学习理解支气管肺炎，学习模式下在每章节后设计知识点讲解。

1.2.2 实验交互界面设计

实验交互界面的目的是增加学生的实验参与感，提高实验效率，增强实验的直观性［5］。系统交互界面设计遵循直观、准确、简洁、一致性的原则，交互界面包括登录界面和主界面。登录界面以蓝色为主，学生可以直接输入账号、密码和验证码登录到实验主界面。主界面以白色、黄色、蓝色为主色调，有助于学生更清晰直观地看到设置参数等详细信息。三维交互界面包括直观文字表述界面和动画界面，设计“是”“否”“确定”等提示操作；三维交互界面的功能主要有语音提示、返回首页、全屏、帮助、实验时间和剩余时间等。

2 虚拟仿真实验实施

儿科临床常见疾病中西医结合诊治思维训练虚拟仿真实验采用B/S网络架构。实验平台由Web浏览器、数据库服务器、仿真软件和仿真服务器构成，如图1所示。

图1：实验平台构建

2.1 选择工具软件

主要软件：选用Windows平台应用程序的开发工具包Visual Studio，三维建模软件3D Max，三维引擎软件Unity3D，提供美观简易的操作的界面，便于集成第三方服务。在前期三维制作过程中，本系统主要使用3DMax和maya进行模型的搭建以及模型人物动画的制作。软件的优势在于图形渲染效率高、速度快、画面逼真、场景真实感强，为项目的实现提供了技术保障，保证项目品质达到单场景模型总面数900000面，贴图分辨率1920*1080，动作反馈时间小于1秒，显示刷新率高于30Hz（fps），正常分辨率1920*1080。

辅助软件：图像处理软件Photoshop，三维动画软件Maya，三维建模软件3D Max，C#语言，数据库MySQL。

2.2 虚拟仿真过程实施

2.2.1 参数设置实施

本模块借助Unity3D软件进行开发，具体参数包括七个：①病历资料参数：患儿一般情况，现病史，其他病史，体格检查；②虚拟模型参数：根据病例设定建立相应年龄模型，各项体格检查示范和指标（含舌诊图片、听诊声音等）；③诊断参数：中医病名、证型诊断，西医病名诊断，鉴别诊断；④辅助检查参数：各种辅助检查以及检查目的；⑤西医治疗参数：疾病教育，治疗方案，具体药物、剂量及用药途径；⑥中医治疗参数：方剂，中药；⑦成绩参数：各项分值设定，可按年级、专业要求设置成绩分配比例。按照以下实施步骤进行：①确定界面的功用，设计数据传输和界面布局；②创建实体库包，导入具体参数；③借用业务层的处理类和处理方法处理请求，根据结果返回响应［4］。

2.2.2 建模、模型动画与场景搭建

三维场景建模工具是运用3DMax软件。首先设计儿科门诊诊室就诊场景的整体布局，构建室内就诊实验环境，然后进行模型的布线并建立出医生和患儿初步模型，接着给建模出的医生和患儿赋上材质和贴图。在整体的人物模型制作完成后，将模型导入到maya或者再利用3DMax对模型进行骨骼的绑定，然后根据设计好的动画内容逐帧的进行动画的制作。最后将医生和患儿模型以及动画的FBX资源包导入Unity 3D场景来设计就诊顺序，给场景布置光效，然后进行整体场景以及模型的渲染，从而完成整个场景的设计。

2.2.3 虚拟仿真实施

虚拟仿真实验以两种模式呈现：学习模式和考核模式。借助动画模拟演示功能，按照仿真服务器传输过来的计算结果，虚拟仿真疾病诊疗过程，具体实施过程如图2所示。

图2：实施过程

2.2.4 三维交互界面

实验界面为固定镜头下以第三人称视角在室内就诊实验环境中进行观察，在设计过程中，充分利用unity 3D自带的可视化工具和 UGUI组件。界面的显示内容是由摄像机的视角范围决定的，根据不同场景下镜头的需要，镜头拉近拉远达到远距离的预览以及近距离的观察的效果。三维交互界面的功能还包括工具物品的拖拽选择、模型人物高亮位置的选择、文字输入、语音提示、返回实验首页、全屏、帮助等。

2.3 网络发布

交互设置在VRP中完成后，将VRP对象导出为vrpie格式，该格式支持网络发布。Windows平台接收GUI二级界面发布的虚拟仿真系统，然后虚拟仿真系统被嵌入到校园网上的虚拟仿真实验中心平台，链接地址为 http://zhenjiu.hnucm.rofall.net/virexp/xrfy。学生打开IE或Firefox、GoogleChrome浏览器即可进入虚拟实验室，应用该系统进行实验实训与自主学习，无时无刻地做实验得到沉浸式体验。

3 结语

虚拟仿真教学的实施对提高学生综合设计与创新能力，提高教师队伍教学能力、拓展实践领域、丰富教学内容等有很大的帮助［6］。利用新兴虚拟仿真实验技术构建虚拟教学平台，以优化实验教学体系，共享实验教学资源，变革实验教学手段。倡导以学生为主体的创新性实验改革，调动学生的主动性、积极性和创造性，激发学生的创新思维和创新意识，逐渐掌握思考问题、解决问题的方法，提高其创新能力和实践能力［7］。学生在对模拟病例进行虚拟临床诊疗的过程中，掌握儿科病史采集、病史信息判断分析、如何选择辅助检查，疾病诊断、治疗的技能，通过每个模块的学习和训练、教师讲解点评、学生之间的讨论，能够熟悉临床诊疗过程，启迪临床思维，获得间接的临床经验，适应后续真实的临床环境，更好地发现自己在临床实践上的差距和弥补这种差距，最终得到临床思维的锻炼和临床能力的提升。