Моделирование процедурных знаний при разработке виртуальных тренажеров-имитаторов для подготовки врачей

Размещено на http://www.allbest.ru//

Моделирование процедурных знаний при разработке виртуальных тренажеров-имитаторов для подготовки врачей

А.В. Колсанов

Рассмотрена семантическая структура сценариев по отработке практических навыков у врачей. Определена связь основных сюжетных линий сценариев с образами ситуаций, характером действий специалиста на данном этапе и их оценкой. На основе данного анализа разработана принципиальная схема компьютерного тренажера-имитатора «Виртуальный хирург», свидетельство о госрегистрации № 2011612659.

Ключевые слова: знания, процедурный подход, таксономии, виртуальный имитатор.

сценарий имитатор виртуальный врач

Информатизация системы образования является объективным процессом развития современного общества. Одним из элементов информатизации учебного процесса в медицине является разработка мультимедийных учебных пособий, средств контроля, а также виртуальных тренажеров, позволяющих обучаемым усваивать последовательность действий в типовых ситуациях при выполнении операций и манипуляций [5]. Такого рода тренажеры позволяют формировать у обучаемых не только чисто теоретическое (декларативное, или «знаю, что…») знание, но и закладывать формирование процедурных (или «знаю, как…») знаний. Поэтому актуальность совершенствования известных и разработки новых инструментов для системы медицинского образования постоянно растет. Однако в современном российском образовании такого рода интерактивные тренажеры отсутствуют [3, 4]. В связи с этим в лаборатории электронных учебных пособий Самарского государственного медицинского университета (СамГМУ) была создана рабочая группа в составе преподавателей - врачей-хирургов, инженеров-программистов, художников и веб-дизайнеров для разработки прототипа такого интерактивного тренажера. Системе было присвоено рабочее название «Виртуальный хирург». В соответствии с заданием такой тренажер должен был обеспечивать две функции: обучения и контроля.

При проектировании системы «Виртуальный хирург» были выделены следующие основные модули:

- графический модуль;

- менеджер сценариев;

- модуль оценки действий;

- система тестового контроля (знание фактов).

Графический модуль является основным элементом пользовательского интерфейса «Виртуального хирурга» и отвечает за визуализацию состояния сцены. Визуализация сцены включает в себя визуализацию состояния объектов и используемого инструментария. Визуализация объектов позволяет испытуемому оценить состояние объекта и принять решение о дальнейшем действии.

Визуализация хирургического инструментария позволяет принимать решения о способе выполнения того или иного действия. При этом можно выделить два вида визуализации: двухмерную и трехмерную. Трехмерная визуализация, в отличие от двухмерной, позволяет свободно менять ракурс осмотра и проводить действия в трехмерном пространстве, однако требует создания трехмерных моделей, что сопряжено с большими затратами на разработку такой системы. Двухмерная визуализация менее требовательна к ресурсам и более проста в реализации, чем трехмерная. Поэтому система «Виртуальный хирург» рассчитана в первую очередь на использование двухмерной визуализации с добавлением трехмерных моделей для задач, предъявляющих особые требования к способу визуализации.

Менеджер сценариев обеспечивает перевод системы в новое состояние в зависимости от действий пользователя. Для этого проводится классификация типичных действий пользователя. При проведении хирургической операции наиболее типичными действиями являются обработка области, проведение линии, а также использование того или иного инструментария в нужной области. Помимо этого можно выделить осмотр и диагностику проблемной области.

Модуль оценки действий базируется на типичных действиях пользователя, вводя отдельную оценку каждого из них. Оценка зависит от следующих факторов:

- набор инструментов на текущем шаге - отсутствие необходимых инструментов добавляет штрафные баллы, а отсутствие избыточных добавляет бонусные баллы, показывая уверенность действий обучаемых;

- количество неверных попыток действия - количество штрафных баллов зависит от степени отклонения от заданного действия;

- полнота и корректность действий на текущем шаге - рассчитывает отклонение фактически выполненного действия от эталонного.

Система тестового контроля знаний служит для проверки знаний о дополнительных фактах и особенностях, связанных с текущим процессом и влияющих на принятие очередного решения о действии. Поэтому «Виртуальный хирург» может проверять корректность не только осуществляемых действий, но и декларативных знаний, служащих базой для принятия решений [1, 2].

Таким образом, работа системы в целом базируется на выявлении особенностей протекания процесса заданного типа и моделировании этапов процесса. Для заданного типа процесса строится эталонная модель, называемая сценарием, которая включает в себя список состояний, а также действия и критерии, необходимые для перевода системы из одного состояния в другое. В процессе построения модели процесса были выделены три типа действия A, основанные на сочетании инструментов I, области приложения G и текущем состоянии объектов {Os}:

1) A1(tG, G) - приложение заданного инструмента в любой точке области G;

2) A2(I, O, Tr) - сдвиг инструмента I или объекта O по заданной траектории Tr;

3) A3(I, O, G) - последовательное приложение инструмента I или объекта O ко всем точкам области G.

Определим сценарий как дерево связанных шагов:

S = <{F1,..., FN}, {L1,..., LM}>,

где S - сценарий;

Fi - шаг сценария;

Lj - связь между шагами сценария.

Шаг сценария зададим как

F = <I, O, A, Qmin, G, Tr, Fnxt, {Falt}>,

где Qmin - минимальная оценка для перехода на следующий шаг Fxnt;

Falt - альтернативный шаг.

На рис. 1 представлен пример сценария процесса.

Таким образом, шаг сценария F определяет инструмент I, которым будет осуществляться воздействие на объекты O сцены шага. На основе типа действия A шага выбирается принцип оценки шага.

1. Оценка действия шага A1 предусматривает наличие области приложения G ?? и инструмента I. Областью в данном случае задаются границы объекта O. Целью в данном случае является оценка способности разграничивать объект приложения и определять инструмент воздействия. На основе полученных параметров оценка рассчитывается как

(tG? G) /\ ?I = Iэ) ? Q = 1,

иначе Q = 0,

где tG - область приложения инструмента I;

Iэ - эталонный инструмент воздействия.

Рис. 1. Пример сценария процесса с тремя точками завершения

2. Оценка действия шага A2 предусматривает наличие траектории Tr, для которой при необходимости могут быть заданы конец и начало. Областью Tr задается либо сдвиг объекта O по нужной траектории, либо изменение объекта инструментом I в этой области. Целью в данном случае является оценка способности провести точное воздействие на объект. На основе полученных параметров оценка рассчитывается как совокупность

Q = Qs + Qf +Qp,

где Qs - оценка попадания в начало линии;

Qf - оценка попадания в конец линии;

Qp - оценка попадания в область линии.

3. Оценка действия шага A3 предусматривает наличие области приложения G ?? и инструмента I. Областью задается часть объекта, на каждую точку которой нужно произвести воздействие. Целью является оценка способности выявить нужную часть объекта и провести воздействие на все точки выделенной области. Оценка рассчитывается как

Q = Q+ + Q-,

где Q+ - оценка точек, попавших в область G;

Q- - оценка точек вне области.

На рис. 2 представлена диаграмма основных классов сценария. Среди классов выделены:

- класс сценария TProcessSсheme, который хранит набор шагов Steps и эталонную модель оценки QClass;

- класс шага сценария TProcessStep, который хранит объект формирования и отображения текущей сцены, а также список возможный действий Actions;

Рис. 2. Диаграмма классов сценария

- абстрактный класс действия TAction, который определяет эталонный шаг NextAction, а также минимальную оценку Qmin, необходимую для достижения этого шага; альтернативные шаги AltAction, инструмент воздействия Tool, область воздействия ActionMask, также метод оценки действия, расширяемый в зависимости от типа производимого действия классами точечного воздействия в области TActionPointRegion, воздействия по тракетории TActionLine и обработки области TActionFullRegion.

В заключение можно отметить, что приведенная методика анализа позволила разработать принципиальную схему компьютерного тренажера-имитатора, названного нами «Виртуальный хирург» (свидетельство о госрегистрации № 2011612659). На его основе были созданы несколько тренажеров-имитаторов по отработке техники ряда операций. Данная разработка в июне 2011 г. была удостоена бронзовой медали на IV Российском форуме «Российским инновациям - российский капитал».

Библиографический список

Калейчик М.М. Квалиметрия: Учеб. пособие. - 5-е изд., стереотипное. - М.: МГИУ, 2007. - 200 с.

Майоров А.Н. Теория и практика создания тестов для системы образования. - М.: Интеллект-центр, 2001. - 296 с.

Рыбина Г.В. Основы построения интеллектуальных систем: Учеб. пособие. - М.: Финансы и статистика; ИНФРА-М, 2010. - 432 с.

Самылкина Н.Н. Современные средства оценивания результатов обучения. - М.: БИНОМ; Лаборатория знаний, 2007. -172 с.

Чемеков В.П. Грейдинг: технология построения системы управления персоналом. - М.: Вершина, 2007. - 208 с.

Размещено на Allbest.ru