增強現(xiàn)實（AR）在心電圖教學中的應(yīng)用

海軍軍醫(yī)大學第二附屬醫(yī)院心血管內(nèi)科 陳 挺 李明妍 賀治青*

一、增強現(xiàn)實（AR）在心內(nèi)科心電圖教學中應(yīng)用的背景

（一）心內(nèi)科心電圖教學的痛點

目前，一方面由于心臟實際運動狀態(tài)的隱蔽性，心臟電路傳導及心肌細胞電路傳導的抽象性；另一方面，我們獲取相關(guān)心電圖訊號的組織數(shù)據(jù)是更為抽象的，心電圖數(shù)據(jù)要對應(yīng)到具體的心臟運動和心臟電路傳導及心肌細胞電路的抽象傳導效果，是需要非常長的學習時間和極強的空間、抽象、邏輯想象能力的，兩者的矛盾極大增加了學員學習和教師授課難度。AR結(jié)合心電圖的教學，能將心臟三維空間和各個導聯(lián)用直觀的方式展示，方便學生進行理解。

（二）增強現(xiàn)實在心內(nèi)科心電圖教學中的優(yōu)勢

通過利用AR技術(shù)來制作課件，提升直觀度，降低學生理解難度，降低學習門檻。增強現(xiàn)實（Augmented Reality）技術(shù)是一種將虛擬信息與真實世界巧妙融合的技術(shù)，廣泛運用了多媒體、三維建模、實時跟蹤及注冊、智能交互、傳感等多種技術(shù)手段，將計算機生成的文字、圖像、三維模型、音樂、視頻等虛擬信息模擬仿真后，應(yīng)用到真實世界中，兩種信息互為補充，從而實現(xiàn)對真實世界的“增強”。因此，我們選擇這項技術(shù)來營造擬真的心臟跳動和電訊號傳導過程，讓學員可以直觀看到這一過程，并對照空間中直觀的肢體導聯(lián)、胸導聯(lián)電位，讓學員可以理解心電圖原理和查看心電圖反饋效果。

二、對象和方法

（一）研究對象

選取2018年1月—2020年12月在海軍軍醫(yī)大學第二附屬醫(yī)院心臟電生理心律失常射頻培訓基地的50名進修及學習電生理射頻學員作為研究對象。將50名實習學生隨機分為兩組，即AR射頻教學組及傳統(tǒng)教學組，每組學生各25人。其中，AR心電圖教學組中，男生13人，女生12人，年齡為30—36歲，平均年齡為（33.20±0.48）歲；傳統(tǒng)教學組中，男生12人，女生13人，年齡30—35歲，平均年齡為（22.30±0.69）歲。兩組學生在性別、年齡及平時成績方面比較，差異無統(tǒng)計學意義（p＞0.05），具有可比性。所有受試者均理解研究內(nèi)容且同意參與該項研究。

（二）研究方法

對照組使用傳統(tǒng)教學方案。對照組的學生采用傳統(tǒng)的多媒體教學模式：首先理論教學階段，推薦教材《臨床診斷學》（萬學紅、陳紅主編，人民衛(wèi)生出版社出版，第3版）、《診斷學》（萬學紅、盧雪峰主編，人民衛(wèi)生出版社出版，第9版）；其次，通過解剖圖譜和心臟教學模型以及操作視頻，進行心臟解剖學知識以及操作知識的系統(tǒng)介紹；最后，通過教具結(jié)合3D模型，進行實際操作教學和操作知識鞏固。

實驗組使用增強現(xiàn)實（AR）心電圖的教學方案。常規(guī)理論教學后，使用增強現(xiàn)實（AR）心臟內(nèi)科心電圖的教學方案代替?zhèn)鹘y(tǒng)教學內(nèi)容。兩組授課的教師人員相對固定，臨床經(jīng)驗豐富，教學水平無明顯差異。心臟內(nèi)科心電圖教學方案，通過數(shù)據(jù)重構(gòu)建立模型，美術(shù)制作貼圖，從而合成心臟模型，并在U3D系統(tǒng)內(nèi)制作成完整的可供AR演示的模型。通過后期制作工具，利用演示模型進行AR演示，制作課件視頻。（1）利用AR眼鏡混合實境，通過手勢操縱模型進行直觀講解，講述心臟模型的真實解剖結(jié)構(gòu)和心臟電路的運行方式。（2）將現(xiàn)實中講解畫面和AR眼鏡中的虛擬模型混合輸出成一路直播流，制作成教學視頻。（3）教學視頻中添加心電圖示意和相關(guān)內(nèi)容介紹

增強現(xiàn)實（AR）心電圖教學課件實施步驟如下。

1.構(gòu)建AR 3D心臟模型

錄入CT掃描數(shù)據(jù)、冠狀竇電極所在位置、探測導管掃描數(shù)據(jù)，程序比對以上主要數(shù)據(jù)，通過糾錯去重算法，創(chuàng)建最符合測量數(shù)據(jù)的患者心臟的3D模型，該模型可以通過數(shù)據(jù)手動錄入模塊進行修正（非必須），將通過所述AR頭戴顯示設(shè)備顯示出來，包含心臟外部、內(nèi)部各個房室的模型，使用者可以用過AR操作系統(tǒng)來切換查看，360°旋轉(zhuǎn)。同時我們還會在該3D模型內(nèi)，結(jié)合教學需要，在心臟3D模型上進行標記。

通過制作美術(shù)貼圖，結(jié)合到心臟模型中，生成完整的心臟模型。并為模型建立運動骨骼，根據(jù)收集的數(shù)據(jù)，建立擬真的心臟運動動作。

2.構(gòu)建心臟模型模擬運動和電訊號示意

通過三維動畫，在心臟模型中標記竇房結(jié)、房室結(jié)和心臟電路的示意圖。

3.融入對應(yīng)心電圖講解示意圖

講師通過AR眼鏡，手勢操縱3D模型，一邊講解內(nèi)容，一邊旋轉(zhuǎn)展示心臟，打開心臟隨講解內(nèi)容展示心臟內(nèi)部結(jié)構(gòu)，展示心臟模型中標記的竇房結(jié)、房室結(jié)和心臟電路的示意圖，講述他們同心電圖訊號的關(guān)聯(lián)。然后通過AR直播技術(shù)，將導師講解內(nèi)容和AR3D模型混成一路輸出，生成講解視頻課件原始稿。

通過后期編輯，加入心臟和心電圖電位之間的空間關(guān)系，方便學員直觀感受兩者之間的聯(lián)系，加入心電圖講解示意圖，結(jié)合模型中的心臟電路傳導及心肌細胞電路傳導，講解兩者之間的直觀關(guān)系，結(jié)合病例幫助學員理解，生成最終的講解課件。

通過這套課件，可以直觀顯示原先不能直接實時看到的心臟內(nèi)部情況和治療進展情況，結(jié)合心電圖數(shù)據(jù)，能讓學員更直觀精準地理解心電圖；極大縮短了學習時間，同時記錄學員的各種操作，方便導師從旁指點修正。

（三）評估方法

評估由理論筆試試卷打分完成，包含理論基礎(chǔ)知識、生理解剖、病例分析，共一百分，由模擬操作分數(shù)、教師打分組成。兩組考試試卷內(nèi)容一致，教學課時相同，統(tǒng)一組織實習生在完成教學任務(wù)后參加閉卷考試，評分標準相同。

三、結(jié)果

兩組學生均已完全完成教學，同等條件參與考試。最終平均分數(shù)：傳統(tǒng)教學組為82.3分，AR教學組為85.2分。

通過問卷調(diào)查，AR教學組中所有學員，均表示對AR教學有興趣，使用AR教學更容易幫助自身學習；傳統(tǒng)教學組的學員，在體驗AR教學后，通過問卷調(diào)查，也全體表示AR教學更容易接受。

其中，按考試部分考核內(nèi)容細化評分，分數(shù)按照（最終分數(shù)/該部分實際分數(shù)）×100統(tǒng)計，方便比對。

傳統(tǒng)教學組：筆試（理論）87分，筆試（解剖結(jié)構(gòu)）77.4分，筆試（病例分析）81分。AR教學組：筆試（理論）86.8分，筆試（解剖結(jié)構(gòu)）84.8分，筆試（病例分析）83.4分。

四、討論

隨著心血管新興的診治進展，很多新的解剖名詞也應(yīng)運而生，既往解剖知識已經(jīng)不能滿足目前心血管診治進展的要求，所以我們對心臟的解剖學知識不能停留在既往系統(tǒng)解剖學的層面，應(yīng)通過AR 3D模型，直觀地為學員建立正確的心臟空間觀。

我們通過這一技術(shù)路徑制作的課件，一來消除了師生之間的事實交流障礙，讓師生信息快速一致順暢交流，確保教學質(zhì)量；二來化抽象為直觀，更便于學員理解，降低學員學習難度，提升學員學習效果；三來極大縮短了學員達到熟練掌握技能的學習時間，也方便導師考查學員學習效果，確保教學質(zhì)量的同時提升了學員培訓的時效性，有利于確保學員有更高的學習質(zhì)量，更快地投入臨床工作。

而且伴隨社會進步，AR技術(shù)醫(yī)學應(yīng)用愈發(fā)廣泛，我們只需要利用現(xiàn)有技術(shù)制作心臟模型，并制作課件進行教學講解，只有制作課件的學術(shù)性工作問題，并不存在技術(shù)上的門檻，因而完全可行。

綜上所述，心電圖是心內(nèi)科診斷和治療的重要依據(jù)，也是心內(nèi)科教學的重點和難點，而增強現(xiàn)實（AR）心內(nèi)科心電圖教學，正是面對這一重點需求，將難點迎刃而解的教學手段。該方法與傳統(tǒng)理論教學互補互利，揚長避短，相互參照，從根本上提升了學生在臨床學習中的學習效率，變被動接受知識為主動吸取知識，同時有利于增進學生對心臟解剖結(jié)構(gòu)的理解和認識，提高學生運用臨床理論知識解答實際問題的能力，有效激發(fā)學生學習的積極性、主動性、創(chuàng)造性，加深學生對抽象知識的理解，進而增強教學效果，促進學生綜合素質(zhì)的提高。同時，增強現(xiàn)實技術(shù)的趣味性、擬真感受，也讓學生充滿主動學習的興趣和探求的好奇心，提高了學習動力，有利于培養(yǎng)合格的醫(yī)生，是一種直觀、有效的心電圖教學方法，值得在心內(nèi)科心電圖教學中應(yīng)用。