國內護理虛擬實驗室建設應用研究

寧珂雪 李湘華 陳文

摘 要：虛擬現實技術不僅僅是單一的技術，而是多種行業的技術支撐，它進入到科學研究的眾多領域，應用的前景越來越廣泛。國內虛擬現實技術在醫學領域也有很多的嘗試和應用。護理虛擬實驗室作為護理學中新的應用，如何構建虛擬實驗室，優化設計方案、改善建設結構、增強研究能力等，都是需要深入研究和探討的方向。本文主要從國內護理虛擬實驗室的開發建設入手，探討應用中的相關問題，為以開放大學護理遠程學習者為中心的虛擬實驗室建設提供理論參考。

關鍵詞：國內 護理 虛擬實驗室 建設

現代計算機技術、電子信息技術的快速發展，帶來了虛擬現實技術的興起。在護理學領域虛擬實驗室就是比較先進的實驗教學和遠程教學的載體。虛擬實驗室和傳統設備構建的實驗室不同，主要是利用計算機仿真技術和互聯網技術構建的實驗室。其主要功能是依據實驗室的教學需要，在計算機系統中利用虛擬現實技術來構建實驗環境，讓實驗者在虛擬環境中應用各種實驗的設備，進行各種實驗操作[1]。國內護理學方面的虛擬實驗室是比較新的建設理念和開發項目。本文主要是對國內護理虛擬實驗室的應用、開發、建設進行理論探討。

一、虛擬現實技術應用于護理學實驗的優勢

護理學是實踐性要求比較強的學科，學生在學習護理技能中，需要通過反復的練習和臨床實踐，才能適應將來的護理工作。學校在護理學教學中，也一直非常重視護理學的實踐性技能培訓工作。但是這些年，護理院校面對學生數量增加，實驗室有限、適應設備、儀器數量難以滿足學生的技能實踐需要的困難。特別是護理學中的靜脈輸液、鼻飼法、導尿術等技術要求比較高，在訓練中需要大量的物資和實踐環境，這些更增加了學校的運營成本，也導致很多學生無法在學校有效掌握和提高護理的技術和水平。

虛擬現實技術是一種借助計算機技術、傳感設備等建設的模擬環境空間狀態的計算機系統，于上世紀80年代末由美國人創新提出[2]。虛擬現實技術因為能夠在計算機上創建出用戶直觀感受好、參與度高的交流互動環境，而受到用戶和設計者的歡迎。對現實和未來進行全面復制，用虛擬手法讓人們有真實感受，是這一系統最主要的特點。這也是護理學實驗室的重要設計需求，因此基于虛擬現實技術構建虛擬實驗室是一項值得研究的課題。虛擬現實技術利用計算機整合圖像、聲音、視頻等眾多媒體手段，創造出具有交互性、真實感的新型信息展示平臺，讓用戶通過聽覺、視覺、觸覺產生身臨其境的真實感受，從而獲得更好的溝通交流效果。虛擬現實技術簡稱為VR技術，在技術上的優勢是利用三維成像技術、虛擬環境技術、數字信息技術等模擬生成數字化環境空間，配合聲音、圖像等手段，以數字化媒介為載體將設計理念更好地傳達給用戶。通過采用實時交互的三維界面，為用戶營造出一種既相似于現實又超越現實時空，既能直觀感受又能參與其中的超現實交互空間。虛擬現實技術這種強大的人機交互信息展示、實時空間效果展示的功能，正是護理虛擬現實實驗室需要的實用功能。

二、護理虛擬現實實驗室相關技術介紹

建設護理虛擬現實實驗室的主要目的是幫助學生在實驗室，應用虛擬現實的先進技術，對護理學需要的相關技術技能進行實驗操作和訓練。目前國內護虛擬現實實驗室主要應用的虛擬現實技術有以下兩種：

1.Kinect體感交互技術

該技術是微軟公司于2010年推出的面向游戲機的體感周邊外部設備的技術總稱。該技術主要是由紅外線發射器、RPC攝像頭等六種設備組成，能夠有效識別操作者的動作骨骼變化、臉部和聲音的識別。該技術的最大特點是不需要使用者手持任何設備就能實現人機之間的三維交互。使用者只需要在距離設備0.8到3米的范圍內活動，就可以由設備自動捕捉到使用者的肢體運行軌跡，實現對人體骨骼節點的有效跟蹤和動作捕捉、影像變式、聲音輸入等。這些數據會輸入到相應的設備中，從而驅動計算機內部的相關系統進行模擬模型的運行。該技術的主要特點是擺脫了傳統的鼠標鍵盤等硬件設備的局限，實現對人體復雜動作的捕捉，有效地降低了虛擬實驗系統的構建成本，具有很好的沉浸式、交互式優勢。

2.Unity3D游戲引擎

該游戲引擎是一個能讓使用者輕松建立三維視頻有效、實時三維動畫、建筑可視化等內容的綜合互動游戲開發工具，主要的功能有模型導入、粒子特效、動畫特地奧、地形編輯器、物體屬性設置、事件觸發設置等，能對三維圖形、音頻流、視頻流進行實時混合，實現對畫面的高級渲染，并支持用戶的定制功能。目前該游戲引擎是虛擬現實技術中比較具有性價比的一種，具有良好的可擴展空間，能有效滿足使用者對產品的虛擬展示、交互訪問和逼真表現。

三、護理虛擬現實實驗室建設構建應用

1.護理虛擬現實實驗室結構

在對護理學操作技能，集合計算機網絡實現的形式和虛擬現實技術的特點進行研究后，建設的護理虛擬現實實驗室主要由虛擬中心、交流互動中心、資料管理中心和系統管理中心4個子模塊組成。這些模塊通過相互的功能連接，實現實驗操作者和虛擬現實平臺的有效連接，從而構成網絡空間中的虛擬現實護理實驗室。其中虛擬中心是整個護理虛擬現實實驗室的核心部位，是在互聯網紅利用WEB技術構建的可視化、互動式環境。在這里每個可視化物體都是護理學的實驗對象?？梢赃M行各種需要的實驗。

2. 構建三維虛擬實訓環境

護理虛擬現實實驗室主要是為護理學的學生構建一個實訓的環境。所以實驗室里首先依據現病史、教學資料等構建一個虛擬病房。通過采集的動態和靜態的圖像作為基礎數據，構建起三維模型后轉化為能被Unity3D游戲引擎識別的格式文件。應用Unity3D中的腳本編輯器，編寫腳本代碼，讓三維模型轉化為可以進行編輯的虛擬對象。并在Unity3D中完成對病房場景中的光照、設備材質、病床等現實病房環境的再現，為操作者呈現最真實的現場效果。之后要對護理學實驗需要的操作用品進行虛擬。如注射操作中的治療盤、藥物、注射器、面前、消毒劑、利器盒等等。這些護理操作物品的模型都需要利用Unity3D進行模型構建。

3.構建交互式護理實訓環境

利用微軟的Kinect系統進行開發，并在Unity3D中進行系統的封裝，實現動態數據庫的連接，對項目進行編譯后從而構建護理實驗需要的手勢交互數據。在構建中利用Kinect采集操作用戶的輸入信息，完成動作識別和交互信息的處理，從而構建起與現實向一致的3D虛擬護理實訓的體感交互環境。這其中要利用Kinect實現對操作者的動態手勢的識別，主要包括放開、握拳、縮放、平移和握拳等手勢，從而能準確掌握操作者的動作，并對其動作進行判斷。

4.構建護理虛擬現實場景

在該場景中主要是讓操作者能選擇實驗用的物品，如治療盤、膠布、酒精、止血鉗、彎盤等，當操作者選擇出現錯誤或者遺漏的適合，系統會進行提示[3]。在實驗病房的現實場景中，系統界面會在虛擬病房中，要求學生完成對患者的相關護理操作。學生的動作都會實時反饋給系統，系統會判斷學生的操作是否正確、符合流程要求，選取的注射等部位是否正確。如果出現錯誤，系統會及時指示錯誤之處。

基于體感交互技術的虛擬現實實驗室在護理學的應用，具有非常廣闊的應用前景。護理虛擬現實實驗室能高仿真地還原現實病房臨床操作等護理學實驗的環境，為學生創造一個安全可靠、真實的護理學實驗學校環境[4]，有利于激發學生的學習興趣，促進教學質量的提高，也為開放大學的護理遠程學習者提供了遠程實驗的可能。

參考文獻

[1]崔英善，黃曉鸝，朱俊東，沈宏，曹福凱.虛擬實驗室在醫學院校教學中的應用研究[J].科技創新導報，2012（31）：177-179.

[2]汪航，孫琪.教學型虛擬實驗室的應用研究[J].現代遠距離教育，2010（04）：39-41.

[3]鄧仁麗，段佳忠，梁園園，付巧，鄭喜蘭，付其剛.基礎護理學虛擬實驗室的開發與應用[J].中華護理教育，2011，6（03）：106-108.

[4]鄧仁麗，梁園園，付巧，鄭喜蘭，付其剛.護理學虛擬實驗室的建設與開發[J].護理研究，2008（31）：2902-2903.

作者簡介

寧珂雪（1984—），漢族，四川瀘州人，四川廣播電視大學講師，碩士，研究方向：護理教育。