基于角色和智能體的護理基本技術虛擬仿真教學系統設計與應用

龍艷軍 吳敏

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?介紹虛擬仿真技術在護理教學中的應用現狀，通過引入智能控制技術自主設計與開發護理基本技術虛擬仿真教學軟件，利用3ds Max、Unity3d等技術，構建護理虛擬仿真教學情景，模擬典型的臨床工作過程和工作任務，學生以角色扮演的方式參與學習，同時應用行為樹技術，將場景中的非玩家角色賦予智能。實踐表明，該模式可有效地激發學習者的學習興趣和學習參與度，提高教學質量。

[關 ? ?鍵 ? 詞] ?Unity3d;行為樹;護理技術;虛擬仿真

[中圖分類號] ?G712 ? ? ? ? [文獻標志碼] ?A ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號] ?2096-0603（2019）30-0075-03

隨著計算機軟硬件技術的飛速發展，使用計算機模擬現實環境成為可能。同時，隨著控制理論的發展，智能控制技術正逐步取代傳統的控制手段。這些技術的進步解決了早期限制虛擬實驗室發展的技術瓶頸，使虛擬實驗室開始具備了仿真能力，在普通高校的教學領域得到普及，并一躍成為當前國內外研究的熱點。在護理教學領域，學者對虛擬仿真技術應用于教學進行了有益的嘗試，如楊文晴等人[1]將洗胃術的虛擬仿真系統應用于臨床技能實訓教學，對其應用效果進行評價，效果滿意。聶立婷等人[2]開發導尿術虛擬仿真教學項目，并將其應用于護理實驗教學中，通過將實驗組和常規教學組比較，采用虛擬仿真教學能顯著提高導尿術操作成績。廖瑩等人[3]將虛擬仿真技術應用到口腔專科醫院新入職護士崗位培訓中，能提高新入職護士的口腔臨床技術操作配合能力，達到了更快地適應臨床工作的需求。目前虛擬仿真技術應用于護理教學的教學系統雖然能得到教師和學生的歡迎，但也存在流程固化、應用不夠靈活等問題，導致學生學習興趣不足、參與度不強。為此，本研究借助于游戲開發元素，引入行為樹技術，為場景中的角色賦予智能，以期提高學習者的學習興趣和學習參與度。

一、護理虛擬仿真在護理教學中的重要意義

（一）合理分配實訓時間，有效彌補護理技術實踐教學條件的不足

在計算機系統中構建護理基本技術實驗實訓教學平臺，按照醫院真實環境設計護理基本技術實驗實訓，以任務情境設計網絡虛擬、仿真互動基本護理操作工作過程;以案例情景設計提出工作任務、開展工作過程，在虛擬場景中演練護理基本技術，使每個學生都能反復模擬臨床護理崗位工作過程和典型工作任務，獲取與臨床護理實踐一樣的實訓效果，提高學生的實際操作能力，彌補實踐教學條件的不足。

（二）突破時空的限制，可實現反復的、無障礙的情境式教學

根據護理基本技術的教學內容，創設學習情境和以解決問題、完成任務為主的多維互動式教學理念，學生以角色扮演的形式在虛擬的情境中進行探究式學習，使學生處于積極的學習狀態。通過應用該系統，可徹底打破時間和空間的限制，可反復組織多次實踐教學，還可深入到現實世界無法觀察的物體內部進行實驗，從不同角度展示任意時間段實驗進展情況或實習階段的場景。

（三）有利于增強實訓的安全性，節省實驗實訓成本，實現“零”消耗

護理基本技術中的許多操作都需要在真人身上練習，如各種注射法、鼻飼法等操作，由于學生相關知識學習及操作熟練程度不夠，會不同程度造成用物污染或針刺傷，同時耗材產品質量良莠不齊，可能會讓學生存在安全隱患。護理搶救技術中需要借助于高仿真心肺復蘇模擬人及心電監護等急救設備，在這些實驗設備上讓學生反復練習、考試，這些實驗實訓設備價格昂貴、損耗大、成本高，而計算機網絡中的虛擬實驗室的儀器設備、原器件或材料只是“概念”上的損耗，可自動修復或產生，因而它們能無限重復使用，在經濟上幾乎不再需要支出，即可實現“零”消耗，同時避免了實訓污染，減少了“醫用垃圾”。

（四）有利于提高教學效果，實現教育教學資源的共享

傳統的帶教式護理基本技術實驗實訓教學，實驗指導教師不能及時有效地對每個學生進行交流與反饋，難以激發學生潛在的學習動機和興趣，教學效果難以滿足臨床崗位的需要。虛擬實驗實訓教學系統創設了生動、直觀、動態的學習情境，為學生提供了系統的、更為廣闊的學習空間;在護理實訓操作中，實訓路徑的多樣性，融入的聲音、圖片、動畫、視頻等多媒體，激發學生的學習興趣，增強自信力，對提高學生分析問題和解決問題的臨床思維能力有很大的幫助;可以有效實現教育教學資源共享，節省大量實驗設備設施的重復建設，有利于從整體上改善同類專業的辦學條件并提高實踐教學水平。

二、主要相關技術

（一）Unity3d

Unity3d是由Unity Technologies開發的次世代多平臺的交互式引擎，能創建三維視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫等類型的互動內容，Unity3d提供了一個功能非常強大的編輯器，可方便地搭建互動內容，該編輯器可運行在Windows和MacOSX下，一次開發，互動內容可發布內容至多種平臺。Unity3d支持C#、JavaScript和Python三種編程語言，本文使用C#語言進行虛擬仿真教學系統的設計與開發。

（二）行為樹

行為樹（Behavior Tree）[4]是一種樹型的數據結構，任務是行為樹的基本元素，用來描述行為的邏輯。在行為樹中，任務也是節點，通常為順序節點、選擇節點、條件節點、行為節點，每個智能體邏輯用一棵行為樹表示，執行順序是從根結點開始，執行每個智能體邏輯，然后遍歷執行整個行為樹。

通過把行為劃分為多個層級，在較低層級的行為能夠進行組合，成為較高層級的行為，行為樹歸屬于決策系統。通過行為樹，能夠非常容易實現智能體執行預想的行為邏輯，相比其他的決策系統（有限狀態機），由于行為樹的層次分明，容易模塊化和進行復用，在實際應用中行為樹程序一般都是采用非常方便的圖形編輯器來協助開發者簡化編程工作，省時、省力且高效。

在Unity3d中，行為樹程序一般都是以插件的形式存在于Unity3d編輯器中，比較常用的有React、BD（Behavior Designer）等。

三、護理基本技術仿真教學系統的設計

護理仿真教學系統的設計主要包括人物模型、虛擬醫院場景的設計，實現了查肝功能、查血常規、查凝血功能和查血清電解質四個虛擬仿真學習模塊。學習者以角色扮演的方式在虛擬的醫院場景中進行漫游，在虛擬場景中與相應的智能體（虛擬醫生、虛擬病人等）進行交流、對話，對相關儀器、設備進行操作，輔助學習者完成給定有關的學習任務，獲取有關信息與資料，進行知識建構。

（一）人物模型的設計

人物模型主要有角色和智能體兩個部分，角色主要是指虛擬護士，智能體主要是指虛擬醫生、虛擬病人。

人物模型的建模方法是，首先利用3ds Max建模軟件，構建出虛擬護士、虛擬醫生和虛擬病人的模型，然后利用photoshop軟件繪制好護士、醫生、病人模型的貼圖并貼在模型上，構建出護士、醫生和病人的虛擬形象，如圖1中左為虛擬護士的模型，右為虛擬護士的貼圖。

角色和智能體動畫部分的制作是利用3ds Max的bip骨骼功能，通過將模型綁定好bip骨骼，然后就可以移動、旋轉角色的相應部分來進行編輯角色的各種動畫。其中角色動作編輯的工作量較大，如人物的行走、躺下、哭、笑等動作，編輯起來費時費力，而且容易出錯。因此，為了提高動畫制作效率，可借助Kinect動作捕捉設備，將綁定好bip骨骼的模型，導入iClone7環境下對虛擬角色的動作進行編輯，通過Kinect捕捉各種動畫，修改后再導到Unity3d游戲引擎中進行調用，虛擬的護士即為學習者的虛擬化身，智能體即為虛擬醫生、虛擬病人。

（二）虛擬醫院場景、醫學儀器與設備的設計

虛擬醫院、醫學儀器與設備的建模，由于涉及的物件較多，而且有些儀器設備模型比較復雜，建模的工作量很大，沒有專業的建模團隊會嚴重影響開發的進度。在Unity3d的官網提供了一個資源倉庫（Asset Store），包括大量的模型資源，其中就有非常豐富的醫學類模型，如虛擬醫院、虛擬醫療設備等模型，而且價格也比較便宜，因此本項目中使用到的虛擬醫院、虛擬醫療設備的模型采用購買的形式取得，極大地加快了項目的開發進度。

（三）基于行為樹的智能體設計

本系統對智能體的研究，主要是仿真虛擬醫生、虛擬病人，讓智能體能夠接受環境信息并做出相應的動作，能和學習者的虛擬化身交互（虛擬護士）等。在Unity3d開發環境中，Unity3d把虛擬環境中的所有事物抽象為統一游戲對象類型，即GameObject（游戲對象）。通過將每一個事物設定為GameObject的一個實例對象，每一個GameObject可以綁定任意一個Component（組件），因此Unity3d組件式的架構能夠比較容易地滿足虛擬智能體架構的設計需求。

以虛擬病人做凝血功能檢查為例，進行智能體的行為樹設計圖，如圖2所示：

四、護理基本技術虛擬仿真教學系統的應用

我們將開發好的護理技術虛擬仿真教學系統在2018級三年制護理專業所有的班級教學中進行應用，系統將真實的醫院情景虛擬化，通過模擬典型的工作任務和工作過程，學生以角色扮演（虛擬護士）的形式參與其中，學生在虛擬的環境中探究，完成系統設置的一個個任務和練習，同時虛擬病人具有一定的智能性，能夠主動地和角色進行交互，極大地提升了學生的學習興趣和學習參與度，圖3中左圖為虛擬病人與角色（用戶化身）進行交流對話的過程，右圖為學習者（用戶）需要完成的與工作任務相關的內容。

本系統利用Unity3d和行為樹技術構建3D的虛擬仿真醫院情境，為虛擬角色賦予一定的智能，讓學習者在學習的過程中不再孤獨，采用行為樹技術構建智能體，具有較高的智能，使角色與智能體的交互過程中不被預測，有效提升了學習者的學習興趣和學習參與度。本系統智能體的行為樹設計目前還較為簡單，可以根據實際工作中的情景豐富行為樹的內容，讓智能體更加智能，這是本系統今后努力的方向。

參考文獻：

[1]楊文晴，周誼霞.洗胃術智能訓練系統在護理臨床技能實訓中的應用[J].護理研究，2018（10）：3252-3255.

[2]聶立婷，殷秀敏，徐奇，等.導尿術虛擬仿真教學項目的開發及應用[J].護理學雜志，2019（1）：66-70.

[3]廖瑩，文學錦，黎曄，等.虛擬仿真實訓教學模式在口腔專科護士崗前培訓中的應用[J].護理學雜志，2017（3）：81-83.

[4]郝運.行為樹驅動的人工智能決策模式設計與實現[D].沈陽：中國科學院沈陽計算技術研究所，2018.

◎編輯 趙瑞峰