超聲心動圖輔助教學(xué)系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用

張青陵，朱向明，李國杰

皖南醫(yī)學(xué)院弋磯山醫(yī)院超聲醫(yī)學(xué)科，安徽 蕪湖 241001

·技術(shù)與教育·

超聲心動圖輔助教學(xué)系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用

張青陵，朱向明，李國杰

皖南醫(yī)學(xué)院弋磯山醫(yī)院超聲醫(yī)學(xué)科，安徽 蕪湖 241001

根據(jù)超聲心動圖學(xué)的教學(xué)特點，應(yīng)用Adobe Flash CS5為開發(fā)工具，以權(quán)威性專業(yè)協(xié)會組織最新頒布的指南或建議為藍本，設(shè)計開發(fā)集圖、文、動畫、視頻為一體的交互式超聲心動圖輔助教學(xué)系統(tǒng)。經(jīng)實踐表明，該系統(tǒng)能夠提高超聲心動圖教學(xué)的質(zhì)量和效果，具有較高的推廣應(yīng)用價值。

超聲心動圖描記術(shù);醫(yī)學(xué)教育;計算機輔助;Flash

超聲心動圖是以實踐和理論為基礎(chǔ)的醫(yī)學(xué)技術(shù)學(xué)科。傳統(tǒng)的超聲心動圖教學(xué)由于其內(nèi)容抽象、形式單調(diào)，難以達到滿意的教學(xué)效果。如何提高醫(yī)學(xué)影像學(xué)專業(yè)學(xué)生以及超聲心動圖工作者的學(xué)習(xí)興趣，改進教學(xué)質(zhì)量和提高教學(xué)效果，是醫(yī)學(xué)影像學(xué)教育值得探索和研究的問題。該研究利用計算機多媒體技術(shù)，通過圖像、聲音、文字、動畫等形式建立輔助教學(xué)系統(tǒng)，為超聲心動圖教學(xué)提供豐富生動的多媒體素材。

1 材料與方法

1.1 研究材料

開發(fā)工具以美國Adobe公司Adobe Flash CS5為主，輔以其他圖像制作軟件。教學(xué)內(nèi)容以美國心臟協(xié)會、美國超聲心動圖協(xié)會和歐洲超聲心動圖協(xié)會等權(quán)威性專業(yè)協(xié)會組織最新發(fā)布的診斷指南或建議［1-5］為藍本。應(yīng)用計算機選擇1 GHz以上的Intel Core 2 Duo CPU、1 G以上內(nèi)存、16位以上顯示模式、80 GB以上硬盤、32倍速以上DVD-ROM驅(qū)動器，操作系統(tǒng)選用簡體中文或英文WindowsXP/7等。

1.2 研究方法

1.2.1 軟件設(shè)計 根據(jù)超聲心動圖教學(xué)的特點，按照模塊化設(shè)計方法，將系統(tǒng)設(shè)計為五個主功能模塊:①基礎(chǔ)知識模塊。包括超聲學(xué)基本原理、正常標準切面及各種病變圖解等;②多普勒應(yīng)用模塊。包括多普勒血流顯像、多普勒效應(yīng)、簡化的伯努力方程、連續(xù)方程等;③等級評分模塊。包括室壁運動評分、瓣膜病變評分、左室舒張功能評級等;④心臟負荷及聲學(xué)造影模塊。包括負荷給藥量及造影劑給藥量的流程、計算方法、負荷和造影結(jié)果的評價等;⑤心臟標準化定量模塊。包括形體指數(shù)、腔徑指數(shù)、心腔定量分析的計算方法等(軟件總體結(jié)構(gòu)如圖1所示)。

1.2.2 程序設(shè)計及編程 該軟件的設(shè)計適用對象主要是醫(yī)學(xué)臨床或影像專業(yè)的專科生、本科生、進修生及住院醫(yī)師，以內(nèi)容翔實、簡單易用為第一原則。在界面設(shè)計中重點設(shè)計簡潔、合理的人機交互界面，以簡明、美觀、高效為原則;將超聲心動圖常用的原理和假說以示意圖和演示動畫的形式進行編碼。設(shè)計了關(guān)于超聲心動圖正確測量方法的教學(xué)演示，進一步通過編程實現(xiàn)虛擬超聲診斷真實診療環(huán)境，模擬超聲心動圖的操作和診斷過程，并可由操作者親身實踐，從而訓(xùn)練學(xué)習(xí)者的臨床診斷思維。

圖1 軟件總體設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

1.2.3 多媒體制作 按系統(tǒng)進行分類，將教學(xué)內(nèi)容嵌于對應(yīng)的模塊，采用類似電腦游戲的設(shè)計和創(chuàng)意，使觀察直觀、易于理解。如基礎(chǔ)圖譜模塊下的標準切面，包含各種典型切面及每種切面的探查演示，通過鼠標點擊相應(yīng)模塊激發(fā)該項功能。

1.2.4 軟件的測試及維護 系統(tǒng)完成后，在醫(yī)院以及高校使用。在使用過程中，針對系統(tǒng)所存在的不足和缺陷，對系統(tǒng)進行修改和完善。

2 結(jié)果

2.1 輔助超聲心動圖標準切面、測量計算、標化處理的認知與理解

系統(tǒng)提供詳細的超聲心動圖標準切面、測量示意圖、多普勒計算公式和血流動力學(xué)應(yīng)用原理的教學(xué)演示動畫。如:心腔測量的標準切面示意圖、連續(xù)方程原理的動畫演示等，有助于使用者學(xué)習(xí)和了解各種超聲心動圖標準切面的操作要領(lǐng)，認識和熟悉切面中可觀察到的各種解剖結(jié)構(gòu)。同時，系統(tǒng)將測量計算等繁瑣理論教學(xué)轉(zhuǎn)換成簡單、快捷的操作界面來完成，人工輸入測量數(shù)據(jù)由系統(tǒng)自動計算并進行數(shù)據(jù)的標準化處理和分析(如圖2所示)。

2.2 輔助超聲心動圖診斷的認知和理解

系統(tǒng)收集了大量經(jīng)病理或手術(shù)證實的各種常見先天性及后天性心臟病的超聲心動圖圖像資料，提供多種心臟病的病理解剖及分型的圖解、病理生理及血流動力學(xué)動畫、典型病例圖譜、心臟模擬雜音等，還提供有真情實感的靜態(tài)和動態(tài)畫面，有利于對抽象理論的認識(如圖3所示)。

圖2 左心室標準測量切面示意圖

圖3 動脈導(dǎo)管未閉血流動力學(xué)演示動畫

2.3 輔助超聲負荷和超聲造影的認知和理解

通過圖形和圖像模擬實驗教學(xué)，幫助掌握負荷超聲心動圖和心臟超聲造影的流程，了解“負荷給藥量”、“造影劑給藥量”、“目標心率”、“運動耐力METs＆VO2”及“Duke運動平板試驗”等，讓學(xué)習(xí)者如同身臨其境，避免了以往教學(xué)中以患者作為教學(xué)對象的弊端(如圖4所示)。

圖4 運動平板負荷超聲心動圖評分與危險分層

2.4 輔助室壁運動評分及瓣膜病變評分的認知和理解

系統(tǒng)以示意圖形式展示心室壁的節(jié)段劃分，根據(jù)室壁運動的觀察結(jié)果，自動對室壁運動進行評分、計算室壁運動指數(shù)，并以不同的顏色來顯示室壁各節(jié)段的運動狀態(tài)(如圖5所示)。系統(tǒng)還可以根據(jù)瓣膜病變的超聲觀察結(jié)果，自動完成二尖瓣等瓣膜病變的評分及自動預(yù)警分析。

圖5 室壁運動評分及示意圖

2009年，超聲心動圖輔助教學(xué)系統(tǒng)獲國家版權(quán)局計算機軟件著作權(quán)(軟著登字第0187575號，登記號2009SR060576)。2011年該軟件輔助教學(xué)系統(tǒng)獲安徽省教育廳教學(xué)軟件類成果二等獎。

3 討論

超聲心動圖作為一項影像學(xué)常規(guī)檢查技術(shù)在心臟疾病診斷、治療以及預(yù)防等方面均發(fā)揮著重要作用。對超聲心動圖圖像的認知與理解在很大程度上依賴于操作者的技術(shù)和經(jīng)驗，而規(guī)范統(tǒng)一的圖像獲取、測量和分析方法有助于提高超聲心動圖診斷的準確性和通用性［6］。雖然目前國內(nèi)超聲心動圖的教學(xué)資源多以權(quán)威性專業(yè)協(xié)會組織最新發(fā)布的指南或建議為撰寫藍本，各種專業(yè)課本教材不勝枚舉，然而，在教學(xué)實踐工作中，缺乏一種具備交互式功能的教學(xué)媒介，能夠?qū)⑵矫娉橄蟮慕虒W(xué)內(nèi)容變得立體而生動，能夠?qū)⒖谑谛膫鞯慕虒W(xué)組織形式變成主動探究親身體驗，能夠?qū)⑴R床真實場景實例化，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探知欲，真正做到面向臨床，達到培養(yǎng)實用型超聲心動圖診斷人才的目的。實際上，國內(nèi)外對超聲心動圖圖像獲取、測量和分析方法規(guī)范化和標準化的呼吁和研究工作一直沒有停止［7-8］，然而相關(guān)的輔助教學(xué)軟件研制與開發(fā)工作卻未見深入。隨著計算機和信息技術(shù)的快速發(fā)展，計算機在教育領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛而深入，極大地促進了教育事業(yè)的發(fā)展，也為醫(yī)學(xué)教學(xué)的改革和發(fā)展提供了可供借鑒的經(jīng)驗和實現(xiàn)的條件，從而引起醫(yī)學(xué)教育的傳統(tǒng)觀念和教學(xué)模式發(fā)生了前所未有的變革。

基于上述認識，我們研制開發(fā)了超聲心動圖輔助教學(xué)系統(tǒng)，其主要功能可實現(xiàn):①對超聲醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)知識的認知與理解。對超聲醫(yī)學(xué)的認識和理解是超聲心動圖教學(xué)的重點。超聲醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)章節(jié)由于涵蓋范圍廣，知識點涉及物理學(xué)、聲學(xué)、數(shù)學(xué)等多門學(xué)科，方式、公式繁雜且相互交叉，學(xué)習(xí)難度較大。該軟件通過精心制作的的圖例和動畫演示，圖文并茂，有助于提高教學(xué)效果;②對超聲心動圖標準切面的認知與理解。軟件通過虛擬真實臨床環(huán)境，以人機對話方式實現(xiàn)對心臟超聲的模擬操作，有助于使用者學(xué)習(xí)和了解各種超聲心動圖標準切面的操作要領(lǐng)，認識和熟悉切面中可觀察到的各種解剖結(jié)構(gòu)，從而使得其對理論知識的領(lǐng)悟有了感性認識的基礎(chǔ);③對超聲心動圖正確測量方法的演示和教學(xué)。由于各種原因和條件的限制，國內(nèi)各個地區(qū)和醫(yī)院超聲心動圖工作當中存在著圖像獲取與測量方法不統(tǒng)一的情況，一定程度上降低了超聲心動圖報告在院際之間的可讀性和可參照性。鑒于此，該軟件依據(jù)最新的指南和標準設(shè)計了關(guān)于超聲心動圖正確測量方法的教學(xué)演示，并可由操作者親身體驗，其對國內(nèi)超聲心動圖的規(guī)范化教學(xué)工作是一個有力的促進;④對多普勒計算公式應(yīng)用原理的圖例示意和動畫演示。多普勒技術(shù)作為超聲心動圖的技術(shù)靈魂，其中大量的計算公式均涉及相關(guān)的血流動力學(xué)物理原理和假設(shè)，該系統(tǒng)提供的示意圖和動畫演示將使得不同程度的從業(yè)人員，尤其是初學(xué)者對這些原理和假說的來龍去脈有一個深入淺出的認識。同時，其具備的自動分析判斷計算結(jié)果也能夠減輕超聲心動圖醫(yī)師的記憶負擔，提高工作和學(xué)習(xí)效率;⑤對各種常見先天性及后天性心臟病的實例教學(xué)。軟件收集了大量經(jīng)病理或手術(shù)證實的各種常見先天性及后天性心臟病的病例資料，通過虛擬醫(yī)院真實診療環(huán)境，模擬超聲心動圖的操作和診斷過程，從而訓(xùn)練學(xué)習(xí)者的臨床診斷思維。軟件借鑒模擬經(jīng)營類電腦游戲的設(shè)計和創(chuàng)意，寓教于樂，從而使得學(xué)習(xí)過程變得不再枯燥乏味，而是充滿了學(xué)習(xí)樂趣。

［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，F(xiàn)oster 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，F(xiàn)lachskampf 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］張青陵，朱向明.超聲心動圖定量評價心臟構(gòu)型的現(xiàn)狀與進展［J］.中國介入影像與治療雜志，2009，6(5):469-472

［8］張青陵，朱向明，李國杰，等.超聲心動圖輔助診斷系統(tǒng)的研究開發(fā)［J］.中華生物醫(yī)學(xué)工程雜志，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年安徽省衛(wèi)生廳醫(yī)學(xué)科研青年基金課題(09B102)

2012-03-01

張青陵(1981-)，男，安徽池州人，助教，碩士，主要研究方向:超聲心動圖學(xué)、醫(yī)學(xué)信息學(xué)。

朱向明(1964-)，男，安徽蕪湖人，教授，博士，主要研究方向:超聲心動圖學(xué)、醫(yī)學(xué)信息學(xué)。

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