增强现实（AR）在心电图教学中的应用

海军军医大学第二附属医院心血管内科 陈 挺 李明妍 贺治青*

一、增强现实（AR）在心内科心电图教学中应用的背景

（一）心内科心电图教学的痛点

目前，一方面由于心脏实际运动状态的隐蔽性，心脏电路传导及心肌细胞电路传导的抽象性；另一方面，我们获取相关心电图讯号的组织数据是更为抽象的，心电图数据要对应到具体的心脏运动和心脏电路传导及心肌细胞电路的抽象传导效果，是需要非常长的学习时间和极强的空间、抽象、逻辑想象能力的，两者的矛盾极大增加了学员学习和教师授课难度。AR结合心电图的教学，能将心脏三维空间和各个导联用直观的方式展示，方便学生进行理解。

（二）增强现实在心内科心电图教学中的优势

通过利用AR技术来制作课件，提升直观度，降低学生理解难度，降低学习门槛。增强现实（Augmented Reality）技术是一种将虚拟信息与真实世界巧妙融合的技术，广泛运用了多媒体、三维建模、实时跟踪及注册、智能交互、传感等多种技术手段，将计算机生成的文字、图像、三维模型、音乐、视频等虚拟信息模拟仿真后，应用到真实世界中，两种信息互为补充，从而实现对真实世界的“增强”。因此，我们选择这项技术来营造拟真的心脏跳动和电讯号传导过程，让学员可以直观看到这一过程，并对照空间中直观的肢体导联、胸导联电位，让学员可以理解心电图原理和查看心电图反馈效果。

二、对象和方法

（一）研究对象

选取2018年1月—2020年12月在海军军医大学第二附属医院心脏电生理心律失常射频培训基地的50名进修及学习电生理射频学员作为研究对象。将50名实习学生随机分为两组，即AR射频教学组及传统教学组，每组学生各25人。其中，AR心电图教学组中，男生13人，女生12人，年龄为30—36岁，平均年龄为（33.20±0.48）岁；传统教学组中，男生12人，女生13人，年龄30—35岁，平均年龄为（22.30±0.69）岁。两组学生在性别、年龄及平时成绩方面比较，差异无统计学意义（p＞0.05），具有可比性。所有受试者均理解研究内容且同意参与该项研究。

（二）研究方法

对照组使用传统教学方案。对照组的学生采用传统的多媒体教学模式：首先理论教学阶段，推荐教材《临床诊断学》（万学红、陈红主编，人民卫生出版社出版，第3版）、《诊断学》（万学红、卢雪峰主编，人民卫生出版社出版，第9版）；其次，通过解剖图谱和心脏教学模型以及操作视频，进行心脏解剖学知识以及操作知识的系统介绍；最后，通过教具结合3D模型，进行实际操作教学和操作知识巩固。

实验组使用增强现实（AR）心电图的教学方案。常规理论教学后，使用增强现实（AR）心脏内科心电图的教学方案代替传统教学内容。两组授课的教师人员相对固定，临床经验丰富，教学水平无明显差异。心脏内科心电图教学方案，通过数据重构建立模型，美术制作贴图，从而合成心脏模型，并在U3D系统内制作成完整的可供AR演示的模型。通过后期制作工具，利用演示模型进行AR演示，制作课件视频。（1）利用AR眼镜混合实境，通过手势操纵模型进行直观讲解，讲述心脏模型的真实解剖结构和心脏电路的运行方式。（2）将现实中讲解画面和AR眼镜中的虚拟模型混合输出成一路直播流，制作成教学视频。（3）教学视频中添加心电图示意和相关内容介绍

增强现实（AR）心电图教学课件实施步骤如下。

1.构建AR 3D心脏模型

录入CT扫描数据、冠状窦电极所在位置、探测导管扫描数据，程序比对以上主要数据，通过纠错去重算法，创建最符合测量数据的患者心脏的3D模型，该模型可以通过数据手动录入模块进行修正（非必须），将通过所述AR头戴显示设备显示出来，包含心脏外部、内部各个房室的模型，使用者可以用过AR操作系统来切换查看，360°旋转。同时我们还会在该3D模型内，结合教学需要，在心脏3D模型上进行标记。

通过制作美术贴图，结合到心脏模型中，生成完整的心脏模型。并为模型建立运动骨骼，根据收集的数据，建立拟真的心脏运动动作。

2.构建心脏模型模拟运动和电讯号示意

通过三维动画，在心脏模型中标记窦房结、房室结和心脏电路的示意图。

3.融入对应心电图讲解示意图

讲师通过AR眼镜，手势操纵3D模型，一边讲解内容，一边旋转展示心脏，打开心脏随讲解内容展示心脏内部结构，展示心脏模型中标记的窦房结、房室结和心脏电路的示意图，讲述他们同心电图讯号的关联。然后通过AR直播技术，将导师讲解内容和AR3D模型混成一路输出，生成讲解视频课件原始稿。

通过后期编辑，加入心脏和心电图电位之间的空间关系，方便学员直观感受两者之间的联系，加入心电图讲解示意图，结合模型中的心脏电路传导及心肌细胞电路传导，讲解两者之间的直观关系，结合病例帮助学员理解，生成最终的讲解课件。

通过这套课件，可以直观显示原先不能直接实时看到的心脏内部情况和治疗进展情况，结合心电图数据，能让学员更直观精准地理解心电图；极大缩短了学习时间，同时记录学员的各种操作，方便导师从旁指点修正。

（三）评估方法

评估由理论笔试试卷打分完成，包含理论基础知识、生理解剖、病例分析，共一百分，由模拟操作分数、教师打分组成。两组考试试卷内容一致，教学课时相同，统一组织实习生在完成教学任务后参加闭卷考试，评分标准相同。

三、结果

两组学生均已完全完成教学，同等条件参与考试。最终平均分数：传统教学组为82.3分，AR教学组为85.2分。

通过问卷调查，AR教学组中所有学员，均表示对AR教学有兴趣，使用AR教学更容易帮助自身学习；传统教学组的学员，在体验AR教学后，通过问卷调查，也全体表示AR教学更容易接受。

其中，按考试部分考核内容细化评分，分数按照（最终分数/该部分实际分数）×100统计，方便比对。

传统教学组：笔试（理论）87分，笔试（解剖结构）77.4分，笔试（病例分析）81分。AR教学组：笔试（理论）86.8分，笔试（解剖结构）84.8分，笔试（病例分析）83.4分。

四、讨论

随着心血管新兴的诊治进展，很多新的解剖名词也应运而生，既往解剖知识已经不能满足目前心血管诊治进展的要求，所以我们对心脏的解剖学知识不能停留在既往系统解剖学的层面，应通过AR 3D模型，直观地为学员建立正确的心脏空间观。

我们通过这一技术路径制作的课件，一来消除了师生之间的事实交流障碍，让师生信息快速一致顺畅交流，确保教学质量；二来化抽象为直观，更便于学员理解，降低学员学习难度，提升学员学习效果；三来极大缩短了学员达到熟练掌握技能的学习时间，也方便导师考查学员学习效果，确保教学质量的同时提升了学员培训的时效性，有利于确保学员有更高的学习质量，更快地投入临床工作。

而且伴随社会进步，AR技术医学应用愈发广泛，我们只需要利用现有技术制作心脏模型，并制作课件进行教学讲解，只有制作课件的学术性工作问题，并不存在技术上的门槛，因而完全可行。

综上所述，心电图是心内科诊断和治疗的重要依据，也是心内科教学的重点和难点，而增强现实（AR）心内科心电图教学，正是面对这一重点需求，将难点迎刃而解的教学手段。该方法与传统理论教学互补互利，扬长避短，相互参照，从根本上提升了学生在临床学习中的学习效率，变被动接受知识为主动吸取知识，同时有利于增进学生对心脏解剖结构的理解和认识，提高学生运用临床理论知识解答实际问题的能力，有效激发学生学习的积极性、主动性、创造性，加深学生对抽象知识的理解，进而增强教学效果，促进学生综合素质的提高。同时，增强现实技术的趣味性、拟真感受，也让学生充满主动学习的兴趣和探求的好奇心，提高了学习动力，有利于培养合格的医生，是一种直观、有效的心电图教学方法，值得在心内科心电图教学中应用。