知识点数量： 5 （个）

实验原理1：知识转化为技能需要技能训练，医学是一门实践科学。特别是产科需要很强的动手能力。然而介于患者维权意识不断增强，而产科的接生等操作又存在隐私保护问题，故单纯的床旁教学及操作培训对于低年资医师来讲动手机会偏少，无法进行反复的临床练习，而在仿真虚拟人身上就能完成阴道分娩的模拟过程，并使低年资医生获得反复练习的机会。

实验原理2：墨菲定律——如果有两种或两种以上的方式去做某件事情，而其中一种选择方式将导致灾难，则必定有人会做出这种选择。当不良事件存在发生的可能时，则不管这种可能性有多小，事件一定会发生。

实验原理3：海恩法则——是德国飞机涡轮机的发明者帕布斯·海恩提出的一个在航空界关于飞行安全的法则，多被用于企业的生产管理，特别是安全管理中。“海恩法则”对企业来说是一种警示，它说明任何一起事故都是有原因的，并且是有征兆的；它同时说明安全生产是可以控制的，安全事故是可以避免的；它也给了企业管理者生产安全管理的一种方法，即发现并控制征兆。法则强调两点：一是事故的发生是量的积累的结果；二是再好的技术，再完美的规章，在实际操作层面，也无法取代人自身的素质和责任心。

实验原理4：To error is human. IOM 1999的文件。认为人都是会犯错的，需要建立一整套制度和流程来规范人的行为，避免犯错。同时，人们在紧张状态下做出的决策往往是非理性的、不准确的。临床决策是一个复杂的过程，特别是在危机发生的紧急状况下，决策者精神高度紧张的状态下，根据个人的能力做出的决策往往是非理性的、不准确的。而且，这种危机状况并不常见，如严重产后出血的发生率为1%，羊水栓塞为1/8000，子痫为1/2000。如何积累相关的危机处理经验是我们目前面临的挑战。

实验原理5:产科的不良事件的发生率非常高，不良事件是一连串事件综合的结果。预防不良事件的发生在与对危机事件进行过程管理，发现操作错误，及时予以纠正，建立危机管理的预案，并定期演练。在演练中尽可能的保证操作正确，消除各种危险因素，达到更加安全的目的。因此，需要在正常环境下，集合团队的智慧，制定规范的流程，并不断演练，到达熟练的程度。一旦出现危机，就能很好应对。开展模拟团队训练，以培训员工为突发情况做好准备，在患者发生危重情况时更有效地合作和交流，也可提高在此类紧急情况下熟练运用所需的处理方案和提高患者的生存率。

以顺产接生及子痫为例，列举病例中存在的知识点：

一、顺产接生知识点数量：（18个）

1）分娩机制

2）上台助产时机的判断

3）分娩器械准备及使用方法

4）穿戴无菌手套、手术衣，树立无菌意识

5）会阴侧切术的评估及指征

6）会阴侧切术的操作

7）阴部神经阻滞麻醉及局部浸润麻醉的操作方法

8）会阴消毒、铺巾

9）接产步骤及姿势

10）新生儿常规护理

11）新生儿APGAR评分及标准

12）新生儿复苏

13）产后出血量的估计方法（几种方法）

14）会阴侧切伤口的缝合方法

15）会阴裂伤的处理

16）医患沟通技巧

17）医学人文关怀

18）产后注意事项及延迟断脐概念

与传统在真实患者上的教学模式相比，利用产科仿真虚拟人具有以下明显优势：

1）.模拟人阴道分娩的模拟过程细致而逼真，使学生身历其境、提高学习兴趣，成功地解决传统教学的刻板、教条的困境，从而提高学生的学习积极性；

2）.为每一位住院医师均可提供平等的动手机会，标准化教学，保证学生受训的机会，切实提高培养质量。

3）.创造可反复多次进行训练、操作的安全环境，构建从理论到临床实践的桥梁；

4）.减少在真实患者身上进行教学操作训练的情况，保护患者隐私，提高临床安全性，减少医患纠纷隐患。

二．子痫急救知识点数量：（18个）

1）重度子痫前期的诊断

2）产后出血的诊断

3）胎心监护、四步触诊

4）硫酸镁的使用方法及注意事项

5）重度子痫前期终止妊娠的时机

6）重度子痫前期分娩方式的选择

7）外科洗手

8）消毒、铺巾

9）穿戴无菌手套、手术衣，树立无菌意识

10）剖宫产技术

11）新生儿APGAR评分及标准

12）新生儿复苏

13）出血量的估测（几种方法）

14）产后注意事项

15）产后出血的处理

16）医患沟通技巧

17）医学人文关怀

18）团队协作配合

与传统教学模式相比，利用产科仿真虚拟产科急救及新生儿处理的实验教学具有以下明显优势：

1）.急救现场的模拟，使学生身历其境，成功地解决传统教学的刻板、教条的困境，从而提高学生的学习积极性；

2）.创造可反复训练、操作的安全环境，在保证患者安全的前提下，构建从理论到临床实践的桥梁；

3）.标准化教学，保证学生受训的机会，切实提高培养质量。

以产科操作技能“顺产接生”为例，构建利用仿真虚拟人的教学模式，具体的实验教学方法如下：

一、教学目的：

1）.熟悉对孕妇会阴条件的评估，掌握会阴侧切术的指征；

2）.熟悉上台接产的时机；

3）.掌握分娩机制

4）.掌握顺产接生操作中接产的步骤、规范及要点；

4）.掌握新生儿的常规护理及新生儿复苏的技巧；

5）.掌握会阴侧切及产道裂伤的缝合技巧；

6）.熟悉产道探查术的操作方法；

7）.掌握产后出血量的估计方法。

二、实施过程：

1）.课前预习及回顾既往知识。

2）.通过课堂授课及视频展示。

3）.在仿真模拟人上现场演示顺产过程及接生操作。

4）.学生分组练习巩固操作。

5）.授课教师进行现场考核，学生完成调查问卷反馈。

三、课程具体过程：

（一）课前预习

课前指定学生预习顺产接生学习的教材、文字材料、诊疗规范、无菌操作注意事项等，同时回顾既往学习中需掌握的分娩机制。

（二）课程实施

1）.通过课堂PPT授课的形式进行接生步骤及其注意事项，同时展示视频资料及3D多媒体影像进行进一步讲解，便于学生理解，将分娩机制与临床操作进行理论结合。

2）.在仿真模拟人上现场演示顺产过程及接生操作。

3) .学生分组练习消毒、铺巾、接生操作等，进一步巩固所学知识，反复训练接生步骤及流程，教师进行现场指导并及时纠正错误动作，完善并规范临床操作。

4）.授课教师逐一进行现场考核评分，学生完成调查问卷反馈

（三）课程评价

评价方式：学生自评、授课教师考核、临床上级医师评价。

（1）学生自评：学生对自己在课堂中获得知识及技能的评价，对课程有益程度的评价，对自身临床操作能力提升的评分，对自身不足之处评价，亦可提出解决改进策略，并可向老师提出疑问。

（2）授课教师考核：授课教师当场对该学生的操作进行评分，对学生的课堂表现、积极性、掌握情况、操作完成度进行综合评估，对学生疑问做出详实的阐述，同时对学生模拟表现进行引导式、交互式评价，启发学生思考，构建学生临床思维。

（3）上级医师评价：上级医师在课程之后对参加过课程的学生进行评估，比较其与未上课前的操作水平差异，可对学生能力的不足之处进行阐述，对课程的必要性和改进方面提出建议。

（四）调查问卷的反馈

向学生进行调查问卷，旨在评价教学效果，主要对教学方式、方法的合理性、科学性及教师的教学水平进行调查，对不足之处采取措施进行改进。

四、教学效果

期待通过仿真虚拟人平台下的顺产接生培训，达到临床操作技能的提升，令学生在真实环境中进行操作时更有信心，并提升临床安全性。

以产科急症"子痫"为例，构建虚拟子痫病人，具体的实验教学方法如下：

一、教学目的：

1）.掌握子痫的问诊要点；

2）.熟悉体格检查内容和规范的操作方法；

3）.掌握相关实验室检查的选择、结果判定和临床意义；

4）.掌握子痫的基本治疗思路；

5）.掌握临床基本操作和子痫急救技能的内容和操作规范；

6）.熟悉与患者家属谈话的技巧；

7）.掌握各级医师的急救分工。

二、实施过程：

1）.课前预习

2）.课程实施：随着病情演变，设置3个临床场景

A.虚拟临床场景1（产科急诊室）

B.虚拟临床场景2（产科手术室）

C.虚拟临床场景3（重症监护室）

3）.课程回放点评

4）.调查问卷反馈

三、课程具体过程：

（一）课前预习

课前，指定子痫疾病学习的教材、诊疗规范、临床指南，提供子痫急救演练视频。

（二）课程实施

1.虚拟临床场景1（产科急诊室）

1）采用人机交互，学生通过电脑操作，掌握子痫患者的问诊要点（虚拟操作）。

2）采用人机交互，熟悉体格检查的内容和方法（虚拟操作）。

3）采用人机交互，学生通过电脑操作，掌握相关实验室检查的选择、结果判断。

4）诊断与鉴别诊断（基本的临床思维），VR虚拟平台中模拟人突然出现子痫抽搐（虚拟操作），立即启动子痫抢救流程。

----该病人考虑为重度子痫前期引起的子痫，VR平台出现上级医师、麻醉科医师、助产士等多人协同操作选项，多人同时进行相应用药（如硫酸镁、安定、佩尔、甘露醇等使用）及处理选项（如拉床栏，开口器，麻醉科医师插管、麻醉镇静、术前准备等），对患者进行抢救及处理，并将患者转入手术室拟终止妊娠（VR平台切换至手术室场景）。

2.虚拟临床场景2（产科手术室）

1）持续胎心监护（虚拟操作）、心电图机的使用（虚拟操作）、麻醉科医师、上级医师到场，留置导尿管（虚拟操作），三方核查，拟行剖宫产术终止妊娠；

2）教师（上级医师）指导并参与剖宫产术；

3）新生儿的APGAR评分、窒息处理（虚拟操作）；

4）术后观察指标：生命体征、宫底高度、阴道出血量（虚拟操作）（出血量的几种估测方法），该患者出现产后大出血（指征）；再次家属谈话，告知患者家属需要转入重症ICU继续诊疗（VR场景切换至ICU）。

3.虚拟临床场景3（重症监护室）

1）进入ICU后，患者持续阴道流血量增加（虚拟操作），立即申请用血、实验室检查；颈静脉置管（虚拟操作），输血、补液、补充凝血因子（虚拟操作），观察生命体征及尿量。

2）治疗6小时后患者阴道流血停止（虚拟操作），生命体征平稳，硫酸镁维持静滴。

（三）课程回放点评

对3个模拟场景的一一点评：在模拟场景之间，使用视频录播反馈系统，对上一个模拟场景的操作表现进行评价。

评价方式：学生自评和老师点评。学生自评是学生对自己的不足之处进行评价，提出解决改进策略，并可想老师提出疑问。老师点评是对学生的疑问做出详实的阐述，同时对学生模拟表现进行进行引导式、交互式评价，启发学生思考，构建学生临床思维。

（四）调查问卷的反馈

向学生进行调查问卷。旨在评价教学效果，主要对教学方式、方法的合理性、科学性及教师的教学水平进行调查，对不足之处采取措施进行改进。

五、教学效果

达到临床子痫救治能力的提升

五、VR课程建设要点

（一）建立子痫典型病例库，具体包括：

a)产科急救各角色的设定：包括主要技能和任务的说明

b)产科急救病例的相关基础知识

c)产科抢救流程中的各角色各个量化操作标准

d)产科抢救中各类病症的表现及相应的操作策略

e)基于不当操作和特殊情形的病例不良反馈和预警情形

f)基于不当操作的反馈策略

典型病例介绍：子痫前期

案例：子痫是一种相对处理比较简单的病例，可以作为初级培训学员的基础培训进行。一般这一病例要求患者多卧床休息，保证充分的睡眠，左侧卧位。保证摄入充足的蛋白质和热量。必要时可睡前口服地西泮(安定)2.5~5mg。血压≥160／110mmHg的重度高血压孕妇应降压治疗；血压≥140／90mmHg的非重度高血压患者可使用降压治疗。对于轻度妊高征患者，应加强孕期检查，密切观察病情变化，以防发展为重症。

治疗原则：

解痉 硫酸镁

镇静 安定、冬眠合剂

降压 舒张压大等于110mmHg或平均动脉压 ≥140mmHg

扩容 在解痉的基础上进行（注意生命体征和 尿量，防止肺水肿和心衰）

利尿 仅用于全身性水肿、急性心衰、肺水肿、 脑水肿、血容量过高且伴有潜在肺水肿者。

（二）虚拟现实系统场景的建立

产科急救演练的虚拟现实系统必须包括高仿真的现实场景。本部分的主要开发工作包括：建立产科急救场景的三维模型，添加音效灯光等实时渲染，最后通过接口设计、系统集成搭建虚拟现实系统平台，逼真地模拟技能训练场景和各类手术情形，让学员在身临其境的虚拟环境中协作学习,共同完成学习任务,逐渐掌握操作技能。具体开发内容包含如下几个内容：

a) 使用3DSMax或Maya等软件建立三维场景系统：利用三维建模软件制作的模型与纹理等，通过系统的有机组织建立的一个三维场景，具体包括产科急救环境(如:实训场所的结构、大小、环境、布局等)、实训设备（手术台）、实训角色、病例的3D建模。

b) 使用软件按照真实环境布置模拟设置整个场景：首先根据系统的应用设置场景的视角，其次是环境灯光与效果、音效、特殊效果（烟雾)等。

c) 创建虚拟场景：基于Unity3D引擎，使用OpenGL、Direct3D以及自有的APIs map技术用于可交互的虚拟场景创建和实时的三维动画制作软件上，定义多个场景，进行场景的可视化编辑和动态预览，建立包括包含了：1）用户替身的数据库，负责用户身份认证信息管理、操作管理（技能和状态信息的更新）；2）仿真场景—实物、背景等的视景建模数据库。

d) 集成接口设计：主要负责系统与外部设备之间的通信，包括三维模型接口，网络通信接口，数据库接口以及外设硬件接口设计等等，通过系统集成搭建完成。

e) 开发CAVE成像模块：利用全景显示技术，将投影画面搭建成立方体，在四方体的外围分别放置5台广角投影仪，使得用户能够完全被画面所包围，配套头盔式显示器，能够给使用它的用户带来很强烈的沉浸感，而且支持多人协同操作。

（三）动态手势追踪识别算法的支持

由于需要对整个急救训练过程中训练人员的手部动作的位置信息进行捕捉，将手部动作信息实时更新到虚拟系统的人物模型当中，并且对训练人员的手术过程中手部动作进行评价，需要设计出准确性较高的动态手势追踪识别算法来实现本项目的目标。可以通过以下方法实现：

a) Leap Motion是一种检测和跟踪手指的设备。该设备在一个与手较近的环境中操作，精度高，跟踪帧速率高。Leap Motion控制器可追踪全部10只手指，精度高达1/100毫米。Leap传感器根据内置的两个摄像头从不同角度捕捉的画面，重建出手掌在真实世界三维空间的运动信息。Leap Motion视野是集中在设备上方的一个倒置的金字塔。Leap Motion检测的有效范围是约25毫米至600毫米（1英寸到2英尺）。

在Unity3d开发软件中可以直接使用Leap Motion模块。Leap Motion在Unity3d中直接提供了第一视角手部模型重建的解决方案。如果想同时实现第三视角的手部模型，可以在Unity3d场景中直接获取Leap Motion虚拟手的运动参数比如位置和转动参数，然后将所获取参数进行坐标转换赋值到人物模型的手部。最后将人物模型的手部与整体用反向动力学连接起来，做到通过手部位移与转角来计算手臂的姿势。通过Leap Motion来实现手部模型重建有2点好处：1）Leap Motion对于手的识别速度快，精度高；2）Leap Motion能识别手在空间内更丰富的位置信息，能够识别出手在Leap Motion视野范围内的相对位移。

图2：Leap Motion在Unity3d场景的虚拟手（左）；Unity3d人物模型的手部（右）

b)基于深度学习的手势识别算法:基于ssd mobilenet这个在目标检测方面非常成功的卷积神经网络，在Egohands数据集上重新训练它的最后全连接层，使得在每张图片上非常稳定地找到手的区域。对于关节区域的检测，可以将该问题转化成关键点的检测，主要有Stereo Hand Pose Tracking Benchmark这个数据集，并且利用Convolutional Pose Machine的思想，构建一个时序卷积网络，通过每一个动作阶段的卷积网络来提取局部关键特征，并根据不同时间（动作阶段）上的图片得到关键特征之间的空间关系，从而使检测区域更加准确。当模型在上面的数据集上训练后，可以准确检测出每只手上21个关节点的区域。对于数据维度的转换，可以定义如下框架：先获取在图片坐标系下的归一化坐标，然后根据相机视角转换矩阵计算出在真实坐标系下的三维坐标。

算法主要步骤如下：

1.通过摄像头拍摄手部动作：

2.利用机器学习算法捕捉、分割、获得手部数据

3.将数据导入Unity3D，使虚拟现实中手部与现实中手部同步移动

（四）虚拟现实系统培训的支持

培训数据智能评价和专家评估指导，结合产科权威专家的知识与经验，根据各受训人员的案例开发专家评判规则与匹配策略，最终智能、客观地评判学员的成绩。该部分作为整个平台的数据管理系统，培训数据智能评价和专家评估指导子系统的开发将包括以下内容：

1.通过在系统运行期间对培训数据的存储和分析，管理学员训练信息和材料，科学地、专业地跟踪、衡量、评测学员学习的过程和结果；

2.结合产科权威专家的知识与经验，根据各受训人员的案例开发专家评判规则与匹配策略；

3.最终智能、客观地评判学员的成绩，根据评判结果和匹配策略给出技能规范和提升建议。

为完成培训系统的评价和评估指导的主要功能，这一系统将依靠系统基本信息和知识库子系统，通过完全自主开发，实现以下主要内容：

a)学员信息：包括学员序号、学员绩效评价和相关的训练情况。

b)评判规则：包括专家系统(训练策略)和各种具体应用规则。

c)训练跟踪记录：学员在训练的过程中所采取的方案策略，训练效果等都可以及时跟踪反馈下来，以供专家系统进行评判。

d)匹配策略：主要包括有序和无序匹配。所谓有序比较是指除了具体操作比较外还需评判操作间的秩序，以检验学员问的协作度，无序比较指只要评判具体操作即可，无需判断相关操作间的先后顺序。

（五） 多人协同产科急救虚拟现实培训演练的支持

以产科急救培训所需的课件、电子化训练材料等进行选项化处理，以树形结构选择模式录入的上述相关知识库系统和针对各个培训过程按照学员手册提供的训练策略和训练方法，包括：

1)角色操作和功能定位

主治医生：静推、静滴、用药、持刀、发号施令、并发症处理等

助产士：平卧给氧等一般处置、按压助产，手术准备等

麻醉师：执行医嘱、输血补液、心肺复苏、感染预防等

观察联系人：观察记录体征、执行医嘱、联系家属、化验间等

2)生命体征数据库

产前孕检病史数据：年龄、产次、分娩孕周、既往史等、腹围、宫缩等

产时基本体征：血压、心率、呼吸频率、胎心率等

术时化验指标：悬浮红细胞数、血浆容量、血常规等

产后指标：PT／纤维蛋白酶等凝血功能、外表损失、转诊、死亡情况

3)量化评价体系

结构评估：流程合理、完善组织领导等

过程评估：各环节用时、患者危急系数、核心错误数等

结果评估：急救成功与否、转诊、综合评估等

（1）实验方法描述：

本实验项目构建虚拟的重度子痫前期子痫发作的病人，将相关的教学重点和难点融入临床场景（产科急诊室、产科手术室、ICU病房），根据患者病情的演变，设置不同的教学环节，涵盖问诊、体格检查、辅助检查、诊断、治疗和急救等内容。学生通过反复的虚拟操作，全面、深刻的认识和理解重度子痫的救治过程并培养相关的临床思维，达到现实教学中无法达到的教学效果。

采用VR情景呈现，逼真的模拟临床工作场景，以重度子痫前期子痫发作的诊治原则、急救流程和危重监护为主要内容，对重度子痫前期子痫的症状和体征、病情的演变和发展做了精心的教学设计，将临床技能的虚拟教学内容融入到软件中，并结合产科仿真模拟人结合标准化病人，让学生在系统的临床思维训练中完成技能的核心知识点训练和考核，弥补现实教学中的不足。

（2）学生交互性操作步骤说明：

1.标准化病人问诊、体格检查（虚实结合）

虚拟仿真VR平台待分娩孕妇结合标准化病人进行考核，设计丰富的临床情景对话，根据学生的提问继续实时回答。标准化病人是国际通用的医学教学手段，利用标准化病人培养和考核学生的生命体征监测：血压、体温、呼吸、心率、氧饱和度等；

2.听胎心，胎心监护仪的使用；心、肺听诊：强调对肺部听诊的掌握；

3.子痫发生时的基本处理及操作（虚拟）

4.子痫发生时的用药

5.超声检查（虚拟）

利用高级医学模型、模拟系统、器械、设备和信息技术，创建虚拟产房环境，最大限度地还原医疗情景，通过模拟案例、模拟情景演习的课程设计，使学生学习妇产科学的临床技能操作。

超声影像学实验模拟临床工作的实际情况，突破以往教材未蓝本、按系统和疾病编排、验证性实验为主的传统教学思路，改为具体病例为出发点，以病例的影像学图像，以丰富清晰的图片、动画围绕病例图像展开教学。教学内容包括检查方法、正常影像解剖、常见病变及并发症。

6.切皮、进腹（虚拟）

7.新生儿处理（虚拟）

8.关腹、缝皮（虚拟）

对于6-8项的手部动作，使用彩色摄像机对学员在手术中的手部动作进行全程的实时的录像，利用动态手势捕捉算法实时获取手部骨骼点的坐标数据，并将其映射到虚拟现实的场景任务模型当中，实现学员手部动作的实时动作捕捉功能。

从虚拟到现实，从基础到临床，从模拟训练、仿真病人培训到最后真实病人一体化。

（3）学生操作评价：

基于专家知识库的数据分析以及动态手势动作算法的HMM-DTW评价算法，基于大数据的知识经验数据，来分别评价学生总体手术流程以及手术过程中手部的细节动作，从而对学生的训练情况给予科学的评价。学生通过评价反馈的结果来提升自己的操作水平。每次训练的结果将更新到学员个人数据库的表项中。

（1）是否记录每步实验结果：■是

（2）实验结果与结论要求：■实验报告■心得体会其他

（3）其他

其他描述：

要求学生能够掌握重症子痫前期的相关知识，急症子痫发作时的处理方法，掌握新生儿窒息等突发情况的应对处理措施，提高临床急症实战的能力，并在虚拟仿真实验教学项目学习中提高综合成绩。