中医脉诊3D虚拟仿真训练系统构建及应用 *

徐 鸽 王立娟 徐 莹 张瑞义 邹 璐 吴耀辉 李福凤※

（1.上海中医药大学教学实验中心，上海 201203；2.上海中医药大学中医四诊数字化研究室，上海 201203）

培养具有良好职业素质、较强实践操作能力、能够独立进行诊断治疗、富有创新精神的医学人才，是高等医学院校教学工作的重要目标［1］。中医诊断学是中医学基础课程与临床科目之间的桥梁学科，实践性强，是理论与实际密切结合的一门学科，旨在培养学生的中医四诊技能和辨证思维能力。近年来招生规模扩大，患者维权意识增强，不愿配合示教，典型病例缺少，学生反复往返医院时间和人力成本较高，使传统的以患者为中心的临床实践教学模式面临巨大挑战［2］。信息技术的快速发展激发了教学形式的变革［3］。近年来虚拟现实技术在中医药高等教育领域得到了广泛应用［4-7］，收到了良好的教学效果。上海中医药大学教学实验中心也积极探索搭建中医虚拟仿真实验智慧学习平台，其中中医教学团队尝试将虚拟现实技术应用在中医实训课程教学中，已研究开发出中医临床思维训练系统、针灸临证思维及针刺效应训练系统等。中医脉诊是学习过程中最难把握的诊察方法［8］，内涵抽象，学习者仅凭教师讲授及个人对教材文字的理解，很难在短时间内领会其精髓，故难以达到预期的教学效果［9］。虚拟仿真实验具有形象直观、可重复操作、实验效率高、附加功能完善等特点［10］，可帮助学生理解晦涩难懂的脉诊理论及训练学生脉诊操作。下面对基于Unity 3D 软件的脉诊虚拟仿真训练系统的构建进行探讨。

1 中医脉诊3D虚拟仿真训练系统的内容

中医诊断学实训课程包含针对中医诊法技能和辨证思维训练的实践教学，也包括促进学生对中医概念内涵和相关诊法生理病理基础理解、开拓科研思路、培养创新精神和能力的实验教学。实验教学的虚拟仿真与实践教学有区别，实践教学侧重于方法的掌握，而实验教学侧重于原理讲解［11］。因此，从实验教学与实践教学两个方面构建脉诊虚拟仿真系统。

1.1 实验教学虚拟仿真实验教学是指在教师指导下，学生在稳定的实验环境中通过自身努力完成教学目标的过程，比理论教学更具有直观性、实践性、综合性与创新性等特点［12］。实验教学部分主要包括基础模块和拓展模块。

1.1.1 基础模块 脉象形成机制及脉象八要素模块脉诊是中医重要的诊病方法，传统的中医脉诊全靠医生手指灵敏的触觉来体会其脉象的浮、沉、迟、数、虚、实等，脉诊教学没有直观量化的图形和指标，仅通过教师的讲解和演示，学生难以理解临床各种脉象的特点。本模块的实验目的在于让学生由浅入深、直观量化地理解脉象八要素的内涵，体会并掌握常见脉象的主要指感特征及其临床意义，熟悉脉象形成机制，夯实中医脉诊理论知识。

本模块虚拟仿真设计主体内容是“脉象形成机制”和“脉象八要素”单元。“脉象形成机制”单元采用三维虚拟动画及人机交互演示脉象形成机制，重点突出心脏收缩产生的沿动脉管传播的前进波与外周反射回来的反射波叠加形成脉搏波（见图1），并体现气血、脉管和五脏的作用。“脉象八要素”单元，采用前臂解剖3D 模型呈现不同脉象信号的力学和组织形态学差异，以三维视频动画高度还原在真实世界难以观察到的不同脉象要素如寸口部血流动力学和组织学变化，同时配合音频、字幕以及传统脉图图示解读（见图2）。点击“脉位”“至数”“脉长”“脉宽”“脉力”“均匀度”“流利度”“紧张度”八要素按钮，可观看不同指法操作下体现各脉象要素的三维动画变化视频，有助于学生直观形象地理解脉象八要素的内涵。为了加强脉诊实验学习与临床实际工作的衔接，理论与实践并重，增加“常见脉象特征的临床意义”学习内容，解释脉象代表的临床意义、生理病理状态等，引导学生将脉象特征与临床实践相结合。

图1 中医脉诊3D虚拟仿真训练系统脉象形成机制学习界面

图2 中医脉诊3D虚拟仿真训练系统脉象八要素学习界面

1.1.2 拓展模块 脉象信号采集与分析训练传统脉诊主要依赖于临床医师的主观判断和个人经验，且受到环境等因素的影响，难以做到客观与规范。为了提高中医临床诊断和辨证的准确性和便捷性，亟需开展中医四诊客观化研究，中医四诊客观化智能设备的研制是实现中医四诊客观化的重要途径。自80年代初，上海中医药大学就开展了中医脉诊规范化、数字化研究，自主研发了系列智能脉象仪，其中ZM-Ⅲ型智能脉象仪、脉象模型手在中医实验教学中广泛应用。基于脉诊的研究成果，运用3D建模和虚拟现实技术，能可视化地呈现脉象仪的组成、工作原理与脉图采集分析过程和技术。该模块是针对对中医四诊客观化科研工作有兴趣的学生设计的拓展模块，旨在培养学生的创新思维和实践能力，服务于培养创新型、研究型人才的教学目标。

该模块具体内容包括脉象仪工作原理单元、脉象信号采集和分析单元。脉象仪工作原理单元运用3D 建模，高度仿真了脉象仪的关键部件，可视化地呈现脉象发生器组件及工作流程。实验时学生可点击识别各部件并通过人机交互完成脉象器的组装，在系统的指引下进行脉象信号传递，可更好地理解脉象传感器和脉象采集放大器的原理（见图3）。在脉象信号采集分析模块，学生可通过鼠标拖拽连接虚拟换能器和脉象仪，启动脉象采集分析软件系统，选择虚拟患者，进行脉象采集（见图4），并在系统引导下进行基线漂移处理、噪声消除、分割周期，并选择不同的脉图分析方法对脉图进行特征提取和分析。通过本模块内容训练，可启发学生中医脉诊现代化及中医工程学创新的研究思路，为参加科研创新项目、“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛及全国“互联网+”大学生创新创业大赛等比赛提供参考。

图3 中医脉诊3D虚拟仿真训练系统脉象发生器组件及原理演示界面

图4 中医脉诊3D虚拟仿真训练系统脉象采集与分析界面

1.2 实践教学虚拟仿真 切脉方法训练实践教学是根据认识的本质与规律、实践的特点和作用以及教学的目的和要求开展的教育教学实践活动，是理论联系实际、培养学生掌握科学方法和提高动手能力的重要平台［13］。本版块构建采用3D脉诊虚拟仿真训练平台和真实世界中脉象模拟装置或相互切脉结合的方式，帮助学生掌握正确的诊脉方法和脉象判断技能。

虚拟仿真脉诊实践教学主要内容是切脉方法训练（见图5），该模块目的是帮助学生通过3D 脉诊虚拟仿真训练平台和脉象模拟装置掌握基本的切脉方法和脉象判断技能。切脉方法主要内容包含脉诊体位和诊脉指法，主要以音频结合3D动画演示展现。例如脉诊体位运用虚拟仿真等技术三维立体、全景式呈现诊室及虚拟患者体位、虚拟医生诊脉动作，并依次用图标演示出操作要点，比如手臂放平与心脏在同一水平位，切脉手指与腕部皮肤呈45°角等；诊脉指法又详细分为定位、布指、运指，以“运指”部分为例，依次在3D模型手上演示举法、寻法、单按、总按等指法，同时配合音频、字幕解读。在使用过程中，学生通过点击鼠标依次观看切脉步骤，需选择出屏幕上出现的关于“技术要点”的正确操作选项方可继续，学生还可以自由选择不同指法反复观察操作细节。接下来学生可以借助脉象模型手训练切脉操作流程，并进一步体会各种脉象的指下感觉，并作出判断。本部分是在课堂真人切脉操作训练基础上的辅助强化，虚拟仿真平台3D效果全景展示比真人操作或真人视频展示更能全方位突出诊脉不同指法的细节与区别，便于学生掌握；脉象模型手则能展示更多在正常人身上难以见到的异常典型脉象。为保证教学内容的完整性和系统性，避免单纯兴趣中心、脱离临床实际，本部分还设计了脉诊人文关怀相关内容，例如以动画视频、文字、图画页面设置人文关怀场景，进行医德医风的引导，渗透课程思政方面的内容。

1.3 考核功能考核在整个教学工作中起着指挥棒和标尺的作用［14］。为了使学生能够及时了解自己对操作关键点的掌握程度，提高学生对实验操作技术的学习兴趣，中医脉诊3D虚拟仿真训练系统还设置了线上考核模块，采用二维与三维相结合的呈现方式。知识型题目采用二维方式呈现，或文字、或图片。实践型题目采用三维视频方式呈现，例如播放一段3D切脉操作视频，设置问题“以下切脉操作有何错误”；播放桡动脉前臂解剖模型在切脉操作下脉象信号变化的三维视频，设置问题“请问图中显示的是什么脉象的特征”等。采用线上实时考核计分，通过虚拟实验教学平台，教师能够对学生完成的虚拟实验情况进行检查、督促，同样学生也可以在线完成实验和考核题目的递交，检查自身的学习训练效果并查看个人实验成绩和教师的评语，与教师进行网上交流。

2 优势与应用

2.1 情景化和人文化3D 脉诊虚拟仿真训练系统利用先进的计算机技术充分实现人机交互，使学生的眼、耳、手等多种感官都参与到学习过程中，情景化的学习环境使抽象的教学环境人性化，枯燥的脉诊理论形象化，学生真正参与进来，成为实践的主体而不是旁观者。这加深了学生对于脉诊指感特征的认识，使其易于掌握理论知识、提高脉诊技能。为了弥补虚拟平台训练缺乏与真实患者面对面有温度的交流的不足，系统设置的人文关怀场景，可对学生的医德医风进行引导，培养学生的人文关怀意识，更好地联系实际、指导临床。

2.2 创新性和挑战性脉象采集与分析实验模块是基于团队自主开发脉诊实验装置的研究开发出的项目，是科研反哺教学的有益尝试，为学生提供了多学科交叉的虚拟创新实验训练机会。通过实验学生可了解现有的脉诊现代化研究方法和现状，启发科研创新思路，也可以在此基础上进行自主创新实验，将来自学生的新思路、新方法经论证后加入系统。这种教学互动方式可有效激发学生深度参与、深度学习的积极性，充分体现教学活动的创新性和挑战性。

2.3 应用反馈脉诊3D 虚拟仿真系统在教学中的应用已有2 年，利用问卷调查收集100 名学生的反馈意见，100%（100/100）的学生认为本系统涵盖的脉诊知识点较全面；超过90%的学生认为本系统切脉方法训练与真实情境下针对患者的示教演示仿真度较高；95%（95/100）的学生认为系统对脉象八要素的阐释方式比较准确、形象；超过80%的学生认为该训练系统对开展脉诊操作规范化实训、理解脉象八要素的内涵及指感特征非常有帮助；超过90%的学生认为本系统对学生养成自主学习的习惯非常有帮助。同时部分学生希望能有更加先进、涵盖临床脉象种类更加广泛的脉象模拟或复现装置能够用于教学，这也是具有重要教学临床价值和前景的研究方向。

3 结语

中医虚拟仿真训练系统可促进学生自主学习，学生可以随时通过网络登录虚拟仿真实验教学实验平台反复操作，符合互联网时代大学生的学习习惯。同时克服了中医诊断技能实践见习临床病例资源缺乏、学生动手机会少的问题，弥补了传统医学教育的不足，提高了中医学实训和实验教学的质量和效率。中医脉诊3D虚拟仿真实验平台的构建是虚拟仿真技术应用于中医诊断技能实践课程的尝试和探索，取得了学生的好评和较好的效果，对培养具有实践能力和创新精神的医学高素质应用型人才发挥了积极作用。脉诊作为中医诊断技能的重要内容，对其虚拟仿真系统构建的探索有利于促进融课堂教学、学生自主训练和科研创新为一体的中医虚拟仿真实践教学体系的建立。