基于ESP 系統急性心肌梗塞仿真實驗的設計與實現

劉 惺， 王慷慨， 王 浩， 漢建忠， 張居華

（中南大學a.基礎醫學院；b.資產與實驗室管理處，長沙410013）

0 引 言

心血管系統實驗在機能學實驗中一直占有重要地位［1］，是醫學生必學內容之一。急性心肌梗塞（acute myocardial infarction，AMI）作為心血管系統疾病中最典型的危重急癥［2］，在本科階段的醫學生難以接觸到。隨著社會老齡化，現代生活節奏的加快，飲食習慣的改變以及社會、心理等因素的影響，我國AMI的發病率也呈現逐年升高的趨勢［3］，我國急性心肌梗死發病數量已經高達201萬/年［4］。AMI成為21世紀醫學研究熱點和亟待解決的難題之一。

AMI屬于臨床事件，在實驗教學中受到建立動物模型困難、手術操作難度大、可重復性差、不可控因素多等條件限制，仿真技術應用于實驗教學成為必要［5］。標準化虛擬仿真病人（Electronic Standardized Patient，ESP）教學將為醫學生基礎理論學習和臨床技能訓練提供一個極好的途徑和手段。

1 ESP系統簡介

基于生理驅動的ESP是一套建立在人體功能學理論基礎之上的數字人系統，是通過整合醫學+物理學+數學+人工智能的綜合技術，實現對人體的器官系統和功能模型進行模擬而開發的一套基于生理驅動的機能學數字人系統。設計思路如圖1所示。

圖1 ESP設計思路圖

2 實驗設計

2.1 整體設計思路

以生命健康全周期的“新醫科”為理念，以當今熱點、難點臨床問題為導向，基于先進的ESP開發平臺，真實模擬AMI的發生、檢查、診斷、機制分析、藥物治療全過程，涵蓋臨床診斷學、解剖學、生理學、病理生理學、藥理學等多個學科，為本科醫學生提供了基礎醫學綜合實驗技能訓練機會。

2.2 設計邏輯關系

ESP案例設計來自反復驗證的經典教學案例，通過標準化病人模塊設計形成操作病例，通過教學設計制定診療措施，通過考核設計制定案例考核，具體設計邏輯如圖2所示。

圖2 實驗設計邏輯關系

2.3 實驗內容設計

2.3.1 知識要點

根據臨床醫學及相關醫學類專業培養目標以及教學大綱要求，項目包含心臟與冠脈循環的結構和功能特點；心動周期與心電圖的變化規律；急性心梗的發生機制與臨床表現，以及急性心梗的臨床診斷和治療策略。

2.3.2 實驗流程設計

根據實驗教學的任務要求來進行流程設計，全程分為基礎部分和臨床部分兩個大模塊，并按照不同模塊的具體教學要求對應不同的特色，具體特點和考核方式如圖3所示。

圖3 實驗流程設計

2.3.3 實驗考核設計

（1）普通考核。以隨堂測試、虛擬實訓的方式考核學生對各知識點的掌握，課后生成診斷病歷和實驗報告，對實驗過程進行綜合評價。

（2）特色評估。以‘橫向對比分析’個性化評價每位學生知識點掌握情況。

3 實驗實現

3.1 實驗過程描述

（1）學生登錄該仿真實驗項目后，可以閱讀急性心肌梗塞定義、分型、Killip分級，以及相關參考文獻。中間主界面展示了實驗的教學目標、數據配置和三大內容模塊。系統主界面如圖4所示。

圖4 系統主界面

（2）點擊“心肌梗塞的亞健康和潛伏期”模塊，進入基礎知識學習。內容包含“冠狀動脈循環結構和功能特點”“心電圖基礎及其臨床意義”，動脈粥樣硬化的形成和進展，“凝血激活和血栓形成的機制”“心肌缺血再灌注損傷的發生機制”以及“心肌梗死的再灌注治療”。該模塊囊括了學生學習理解AMI發生過程的絕大部分重要知識點，如圖5所示。

圖5 “心肌梗塞的亞健康和潛伏期”模塊

（3）臨床研究發現，急性心肌梗死病人會有明顯的血清心肌酶增高現象，受檢者的血清心肌酶譜的變化包括乳酸脫氫酶、谷草轉氨酶、磷酸肌酸激酶、磷酸肌酸激酶同工酶等對患者的生命安全和身體健康有很大的影響［6-9］。急性心肌梗塞標準化病人模型，反映了典型急性心梗病人的臨床特征，包含了“心電監護全數據變化”“標準病人模型”“典型心電圖變化”“血清酶學變化”“超聲心動圖”（見圖6）。

圖6 “急性心肌梗塞標準化病人”模塊

（4）急性心肌梗塞臨床急救虛擬實訓模塊，是學生急救實訓的核心，學生進入模塊后觀察病人病情和狀態，對病人進行診斷、評估和急救。包含了“心電監護”“心梗病人模型”“病史采集”“病情評估”“搶救治療”“病歷生成”各分模塊，如圖7、8所示。

圖7 “急性心肌梗塞臨床急救虛擬實訓”模塊

電子病人將表現出急性心肌梗塞的各項臨床特征，如心前區疼痛，心率失常，血壓下降，血氧飽和度下降等，同時心電監護報警，提示學生要在較短的時間采取正確的急救措施，才能一一解除各項危癥，如：嗎啡鎮痛，電子病人停止疼痛反應；面罩吸氧，病人血氧飽和度上升等［10］。如果處理不當，或者拖延過長，電子病人將會死亡。

圖8 “病情評估”與“搶救治療”界面

（5）點擊“電子病歷”教學模塊。學習病歷的結構和書寫規范，根據學生的病歷采集，體格檢查、實驗室檢查以及急救措施，系統在診療過程中實時記錄病人各項指標生成標準病例。

3.2 實驗考核實現

（1）考核內容。對AMI的臨床表現，血清心肌酶學變化，心電圖各期的變化，對循環、呼吸系統的影響以及AMI形成和缺血再灌注損傷的發病機制［11-12］，學生的問診和診斷能力。根據學生的學習情況，能夠有針對性地考核學生的單項內容的掌握情況和綜合分析能力。

（2）考核方法。以人機對話的模式，學生通過本實驗的網絡考試功能進行知識點隨堂考核。通過學生對電子病人的病歷采集，病情評估，搶救治療進行臨床操作考核［13-14］。教師可以設定特定的考試目標如“問診病史采集”，選擇對應的考試知識點如“意識評估”“疼痛評估”“現病史”“既往史”等，再通過計算機分項打分和綜合來評價學生對知識點的掌握和臨床思維能力。

實驗后通過要求學生完成實驗報告、病歷書寫的方式來考核學生對實驗整體的掌握程度。

（3）考核成績統計。考核完成后，要針對不同學生、不同班次、不同場次進行細致科學的統計，包括柱狀圖、雷達圖等多種圖形，得到具體量化數據。教師可以針對學生個體及群體的學習情況進行個性化統計，實時掌握學生學習狀況及評價教學效果。通過軟件查看學生的操作記錄和成績結果，包括每個學生的總體情況和每套評分系統的詳情，進行更細致的查看，實時展現學生當時的學習情況。

（4）個人學習統計。統計每個學生的歷史自學、考試情況，包括次數、時間、分數、評級、效果、排名等。針對多個學生，進行臨床診療能力橫向對比分析，導出能力分析報告。

4 結 語

本科教育是學生成長成才的關鍵階段，“金課”建設是實現一流本科教育目標的突破口。虛擬仿真“金課”建設正在如火如荼開展，教育部適時提出了由“大而全”的平臺建設轉向“小而精”的項目建設［15］，為虛擬實驗項目的研發提供了政策保障和行動指南。

虛擬仿真能規避線下實驗中眾多高受限的難題，讓學生體驗平時無法接觸或無法完成的實驗項目，從培養學生動手能力來看，仍應遵循“能實不虛”的原則。新項目研發需具備必要性、先進性、互動性3個基本要素，才有可能成為“示范性”。

項目中AMI的發生機制和治療策略，參照現實臨床病例，數據可靠，并保留了開放性模塊接口，可隨著學科研究的進一步發展，適時拓展補充。項目為醫學教育中打通基礎、臨床壁壘，加強兩者聯系，嘗試了新的教學案例，也為虛擬仿真項目的持續建設提供了新的思路。