基于VR技術的外科護理學手術室仿真實驗研究

■吳蘭蘭

（海南科技職業大學國際護理學院,海南 海口 571126）

《外科護理學》是護理專業的核心課程之一，主要研究和闡述對外科疾病病人整體護理的理論講解及實訓操作技術[1]。本課程是一門實踐性很強的應用性學科，學習外科護理學必須遵循理論與實踐相結合的原則。外科護理學的實踐內容主要以外科手術操作為中心，包括術前準備、術中操作配合、術后康復護理等內容。在傳統的實踐教學過程中，學生主要是作為聽眾，以接受知識為主，缺少直接面對患者的操作體驗，對知識的掌握出現“盲人摸象”現象。

教學內容是靈魂，現代教學技術是手段，只有將現代教學技術有效地運用到現代教學中，才能提升教學效果，提高教與學的效率。虛擬現實(virtual reality,簡稱VR)技術作為一種新型現代教學技術，可以利用計算機、傳感器技術和圖形成像技術生成一種模擬環境，使受教者通過虛擬環境來感受真實的實訓操作環境[2]。VR技術在外科護理學手術室實驗中的應用，可以模擬真實手術室環境，節約實訓室成本和耗材損耗；激發學生學習興趣和自主學習動力；提升教師教育教學能力和運用現代化技術的能力。整個授課過程在興趣中進行，在游戲中開展。本文將從項目設計理論策略、項目設計過程、VR虛擬手術室的構建和進行闡述。

一、項目設計理論策略

VR技術是利用計算機技術、多種傳感器技術以及各種圖形成像軟件來組成的一種現代化教育教學技術，為受眾對象構建3D虛擬場景[3]，并能讓受眾對象與虛擬世界中的各種場景產生交互。整個虛擬環境與真實環境高度吻合，真實性強；整個過程在游戲中進行，趣味性強；受眾者充分融入虛擬環境，沉浸感強。本課題由本校護理學院、海南醫學院附屬醫院、北京豐源智通科技有限公司、北京鐳嘉科技公司組成課題組，旨在研發基于VR技術的外科手術室虛擬實驗室。

本課題設計思路如下：（1）搜集教學資料：整理護理專業人才培養方案、外科護理學教學大綱、教師授課教案、PPT課件、相關參考文獻等，并深入臨床醫院外科手術室搜集與實驗教學相關的手術視頻資料、手術室圖片資源等。（2）應用VR相關技術[4]：本研究構建一個從術前外科刷手，到穿手術衣、戴手套，最后由多人協同完成闌尾手術切除的VR手術室虛擬環境構建。需要用到多種VR相關技術和設備來構建VR虛擬沉浸式體驗場景，如Unity3D、Kinect光學設備等。（3）成果應用:通過問卷調查、理論考試成績、技能考核成績、評判性思維能力測評等方法，對其應用效果進行評價、論證、反思。

本項目設計內容：基于虛擬現實（VR）技術，研究設計并開發虛擬現實手術室以及相關外科護理學手術室實驗項目，實現學生通過VR智能體感設備進入設計的虛擬手術室中，身臨其境地進行手術操作實驗。根據外科護理學手術室實驗中外科刷手、穿手術衣、戴手套、消毒鋪巾、手術過程中多人協同操作等內容，進行開發設計[5]。

二、外科護理學手術室實驗項目設計

外科護理學手術室仿真實驗項目主要在虛擬的開放式刷手間、手術室內走廊和外科手術室等3個操作空間完成[6]，設計的手術室實驗項目主要有：外科刷手、穿無菌手術衣與戴手套、消毒鋪巾、外科手術操作配合等。以消毒鋪巾項目為例，具體設計流程如下：

（1）第一部分為演示學習場景。在此場景內把本次實驗項目進行要點展示，學生在三維虛擬環境中先進行觀看，了解本次實驗項目的重點內容和相關知識。

（2）第二部分為提示場景。學生進行外科刷手完畢進入虛擬的外科手術室，操控面板提示“請您進行消毒鋪巾操作”。點擊文本消失，進入下一個操作場景。

（3）第三部分為虛擬實驗用物選擇場景。學生根據目前的任務提示選擇合適的實驗用物，如碘伏棉球、換藥碗、卵圓鉗、布巾鉗、手術治療巾、手術中單、手術剖腹單等。如果學生在操作過程中間選錯用物系統將給予提示。

（4）第四部分為實驗操作場景。學生在虛擬的患者身上進行具體實驗操作，包括手術切口選擇定位、用卵圓鉗夾持碘伏棉球對手術區域進行從上向下、由中心到四周、單方向疊瓦狀消毒、依次鋪手術治療巾、中單、剖腹單等。在此操作過程中間，系統可根據學生的操作步驟判斷其操作是否規范正確。如果有錯誤操作或者遺漏動作，系統將會給予提示。

（5）第五部分為綜合考核評價場景。學生完成操作以后，系統會根據學生的操作情況進行綜合評價考核。如果整個操作步驟連續規范，沒有明顯誤差，將提示操作通過。如果操作未通過，系統將列出具體的錯誤之處，并告知正確答案。提示面板提示是否需要重新進行操作訓練，讓學生可以反復練習，增加操作的熟練性，直到學生完全掌握該項操作。

三、外科護理學手術室虛擬實訓環境構建

外科護理學手術實驗室虛擬實訓環境的構建包含VR虛擬手術室、VR虛擬模型和VR虛擬沉浸式交互實訓環境三個部分的構建。

（一）VR虛擬手術室的構建

外科護理學虛擬手術室虛擬空間主要包括手術室內走廊、開放式刷手間和外科手術室等3個操作空間，主要依據臨床手術室實景圖片、手術操作錄像、教學圖片等基礎數據創建編寫腳本，在空間的描述上主要有空間類型、空間描述、空間大小、是否位移、空間動線、空間動線描述、場景布置、避讓物、避讓條件、避讓要求、禁行區域、可通行區域等方面[5]。尤其是場景布置要點較多，腳本書寫詳盡，才能通過電腦構建更加逼真的空間環境，讓學生有身臨其境的感覺，增加角色體驗感，提高實際操作練習的效果。

（二）VR虛擬模型構建

學生進入虛擬空間之后，需要在該空間內根據手術室實驗項目選擇相對應的操作物品，這就是虛擬模型的創建。如外科手術操作配合實驗需要的虛擬模型主要有：手術刀、手術剪、手術鑷、泡鑷桶、止血鉗、卵圓鉗、布巾鉗、組織鉗、闌尾鉗、手術紗布等。為增強實驗的真實感，創建模型腳本主要從物品類型、物品名稱、型號、物品數量、物品位置、組合邏輯、時間邏輯、變形、是否連通、是否穿戴等方面進行描寫。最后，利用Unity模型技術對物品的外觀、大小、色彩和與實物的比例進行紋理映射和渲染，讓學生使用起來更具真實感。

（三）VR虛擬沉浸式交互實訓環境的構建

基于VR技術的外科護理學手術室仿真實驗可以使學生脫離枯燥乏味的技能訓練，自主選擇角色并體驗到角色價值，“以虛補實、虛實結合”，激發其學習的興趣。主要采用以下相關技術：（1）開發平臺采用目前在VR領域主流的開發引擎。通過Unity3D的作用對三維視頻、模型、動畫等內容進行編輯制作，產出相關的VR內容等等。（2）全景拍攝。這是目前虛擬場景構建成本最低的方式，也是VR視頻拍攝方式。利用全景攝像機拍攝影片，經過后期制作后，即可在VR場景中進行觀看，制作周期較快。（3）在交互功能的實現方面，采用Kinect這樣的光學設備進行動作捕捉、虛擬現實手柄作為動作反饋，然后加入語音交互功能，使沉浸式的交互體驗更加自然。

四、結論

基于VR技術的外科護理學手術室仿真實驗在我校護理專業2019級學生中應用，并與傳統實驗室教學進行對比實驗，通過對實驗結果的收集分析驗證，基于VR技術的外科護理學手術室仿真實驗將傳統的以教師為主導、以教促學的實驗教學模式轉變為以學生為主體、通過VR技術進行角色體驗的沉浸式交互學習模式。當然VR技術構建的虛擬實驗室并不能完全代替傳統的實驗實訓室，整個過程的實施，需要在教學大綱和教學內容的指引下，適時運用VR技術。只有將VR技術和傳統教學有機結合，形成“臨床理論教學＋模型輔助演示＋虛擬現實仿真”的三維立體實驗教學體系才能培養出實踐能力強，臨床思維能力縝密的高素質護理人才。