高壓蒸汽滅菌實驗虛擬仿真教學系統的構建

王國田，羊 揚，張 彪，張又超，朱國強，杜 坤

（1.揚州大學a.實驗室與設備管理處；b.獸醫學院；c.生物科學與技術學院，江蘇揚州 225009；2.揚州大學建筑科學與工程學院，江蘇揚州 225127）

0 引言

滅菌技術是高校醫學、生物學、獸醫學等專業人才培養所要求的必備技能。高壓蒸汽滅菌器（以下簡稱“滅菌器”）是手術器械、培養基、敷料、陽性廢棄物等消毒滅菌的最有效的設備，是學生在滅菌實驗中經常使用的工具［1］。然而，由于滅菌器是一種壓力容器，屬于特種設備范疇，在使用過程中會造成高溫、高壓傷人和容器爆炸等事故發生［2］。局限于國家對特種設備的嚴格監管和強制性要求，已影響滅菌實驗教學的順利進行。利用虛擬仿真軟件構建滅菌器及相關滅菌實驗資源，將虛擬現實技術應用到實驗教學中，能夠有效避免事故發生，適應國家強制性要求，化解實體實驗中不可預見的困惑和學習效果低下等問題。

1 滅菌實驗教學中存在的問題

滅菌技術課程的理論教學是系統地講解滅菌機理、滅菌器工作原理等。課程的實驗教學主要是學生通過滅菌器操作加深對滅菌器結構和過程危險性認識；通過物理、化學、生物監測方法對物品裝載、冷空氣排放、飽和蒸汽質量的效果進行驗證分析［3-4］。由于滅菌實驗過程復雜、涉及內容廣泛，實踐性要求較強，在實驗教學中面臨以下問題。

（1）危險性。掌握滅菌技術需要進行重復性操作才能提高，而高壓滅菌器具有高溫高壓危險特性，在頻繁使用時勢必會增大與之接觸的人體可能產生的燙傷、爆炸、污染等事故發生的概率［5-6］。因學生多、設備少，教學過程中難以實現“一對一”指導和師生互動交流，很多學生對滅菌機理領悟不透、操作技能掌握不強，以致事故時有發生，即使要求學生嚴格按流程操作和提高安全防范，但在實際操作中仍然存在安全閥失靈、排氣閥堵塞、密封圈漏汽等各種故障的發生，危險性依然存在。因此，通過重復使用實際設備來提高滅菌技能的難度較大。

（2）不可預見性。因生物學、醫學、獸醫學等多學科專業的滅菌物品涉及病原菌的復蘇、培養、保種、致病菌攻毒保護試驗，感染性廢棄物處理等較多而又復雜的實驗項目［7-8］。滅菌實驗中殘留空氣、飽和蒸汽的形成是學生看不見、摸不著的抽象概念，是不可預見性因素，當學生遇到各種障礙而造成滅菌失敗，特別是滅菌不徹底的陽性廢棄物若隨意拋棄，會對環境構成污染，直接影響人身健康［9］。受不可預見性因素影響，學生對待實驗時，因“怕失敗、怕擔責任”，以至于造成“參與少、受益小”等效率低下的現狀。

（3）強制性。根據《特種設備作業人員監督管理辦法》有關規定，特種設備作業人員須進行專項培訓和考核，取得“特種設備人員作業證”后方可上崗［10］。高校滅菌器使用對象大都為學生，針對“持證上崗”這一強制性條件，高校普遍的做法是委托地方職能部門進行培訓，局限于地方機構的培訓內容和培訓手段單一，很難講清、講透高校實驗室滅菌器安全使用的特點，因此，學生掌握程度是“一知半解”，其結果還是不能真正做到“學以致用”。雖然部分學生通過強制性培訓與考核，取得了作業證，但上崗后仍需高校再次組織針對性復訓，所投入的人力、財力較大。

2 高壓蒸汽滅菌實驗虛擬教學系統設計

2.1 教學單元模塊設計

高壓蒸汽滅菌實驗虛擬仿真教學系統采用模擬真實滅菌實驗環境、設備和實驗操作流程，避免實體實驗時操作高危、耗時等缺陷，采用“四位一體”的方式，將整個理論教學、實驗演示、動手操作過程的教學結合，形成有機整體。

（1）線上課堂及理論測評。通過三維模型動畫、用戶交互界面（UI）以及音頻講解學習課件，包括闡述滅菌機理、滅菌實驗設計、消毒技術規范、病原微生物通用準則等知識，介紹特種設備作業人員證書取得的流程等，學生學習后進行基礎知識測評，檢驗認知熟練程度。

（2）高危儀器全視角接觸。該模塊使學生掌握實驗主要設備（以全自動高壓蒸汽滅菌器TOMY SX-500為例）的工作原理，熟悉實驗設施（試管、夾瓶器、培養皿、培養箱）的輔助作用，體會滅菌物品（敷料包、穿刺包、器械包、培養基、陽性廢棄物）的特點和規范要求，通過安全部件的動畫展示和人機交互方式來體驗高危儀器的危險性。

（3）滅菌實況自動演示。以分段的形式展示固體滅菌和液體滅菌兩種操作模式，其中固體滅菌操作分實驗準備（設備、門密封、水汽管路、電源等項檢查）、設備運行（物品裝載、程序選擇、溫度及時間設置、滅菌運行、物品卸載）和效果驗證（化學監測、生物監測）3個階段11個步驟開展，學生觀摩后可以快速理解實驗內容和注意事項，為虛擬實驗操作做好準備。

（4）模擬場景仿真操作。該模塊是虛擬實驗系統的核心模塊，通過交互使學生深入了解物品裝載、滅菌運行、效果驗證的規范性操作，直觀體驗冷空氣排放、飽和蒸汽形成的過程，加深理解影響滅菌效果的成因。對于不理解的部分還可以反復操作和體驗，同時可以增強實體實驗操作技能，為虛實結合的實驗教學提供可行方法。

2.2 教學平臺設計

教學平臺設計包括實驗系統與教學系統的內容板塊構建，首先是收集滅菌實驗3個階段的各種素材，對于可以直接測量的設備及部件，通過專用工具精確測量得到數據；對于難以直接測量的結構內部，如安全閥、排氣閥等，通過設備廠商獲得圖紙及工藝流程；對于不能測量的形態，如氣體變化、顏色變化等，根據相關視頻、行業標準規范獲得，在資料整理分析的基礎上，模型設計主要過程如下［11-12］：

（1）使用3Ds Max對滅菌設備、輔助設備等要素進行三維建模，利用Vary插件對不銹鋼材質進行渲染，達到逼真效果。

（2）將3Ds Max資源要素導入Unity3D引擎中，通過Unity3D對虛擬現實的內容進行開發，使用C＃編寫相關運行程序，實現系統中設備運行仿真和人機交互；

（3）添加外部控制系統，增加滅菌仿真系統界面UI和控制方式，對系統進行調試和優化，以.FBX格式集成發布，虛擬仿真教學系統構建的主要流程見圖1。

圖1 高壓蒸汽滅菌實驗虛擬仿真教學系統流程圖

3 虛擬教學系統的實現

在模型、界面及交互設計的基礎上，系統實現還要進行貼圖、渲染、動畫制作和系統測試等過程，其關鍵技術如下。

3.1 模型及場景優化

Unity3D能創建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫、虛擬仿真等類型互動內容的多平臺的開發引擎，但是一直以來，在畫面渲染方面達到Vary的效果，直到2018版本中引入了高清渲染管線（High-Definition Render Pipeline，HDRP）概念，其中高清著色器Lit Shader能使用最少的硬件配置，創建更逼真的材質，達到Vary在3D Max中的效果，并且在光照環境下可以自由展現。本系統在場景中使用了PostProcessing（后期特效）來進一步提升畫面的表現力。Post Processing和Timeline、Cinemachine并稱Unity3D動畫制作三劍客。其中，Post Processing插件用于動畫的后期處理，具備抗鋸齒、鏡面反射、霧化、漫反射等功能，見圖2。

圖2 Post Processing渲染前后的對比圖

3.2 三維動畫制作

（1）安全部件演示動作。安全部件包括安全閥、排氣閥、壓力表3種，其中，安全閥由閥座、閥瓣、彈簧3部分組成，是滅菌器自行減壓的保護部件。閥瓣啟閉是受壓縮彈簧的力作用和平衡，升溫前，受外力作用閥瓣處于常閉狀態；升溫后，滅菌室內的蒸汽壓力升高至超出設定的安全壓力值時，彈簧作用，閥瓣開啟，排放蒸汽，防止容器發生爆炸；卸壓后，當滅菌室內的蒸汽壓力低于設定壓力值時，彈簧自動回位，閥瓣閉合，使滅菌室內的壓力始終保持在安全壓力之內［13］。

安全部件演示動畫制作中，對于比較小的動畫，本系統中采用iTween插件進行設計，iTween的核心是數值插值，簡單說就是給iTween兩個數值（開始值，結束值），它會自動生成一些中間值，如開始值-＞中間值-＞中間值….-＞結束值，以達到過程可控，以安全閥為例，其過壓開啟和卸壓閉合主要采用物體之間的位移，其核心代碼為：

其中，變量Pos表示閥瓣可到達的位置，Sec表示到達的時間。

（2）爆炸效果。在Particle System粒子系統中，通過增加粒子的數目及加強粒子間碰撞力度，從而達到模擬壓力增高的效果；通過設置爆炸范圍半徑、給爆炸對象添加剛體模擬爆炸效果。

改變變量有不同效果：其中，Intensity為爆炸強度，R為爆炸半徑，本系統中，爆炸對象被定為：安全閥、放氣閥、壓力表、滅菌室、滅菌器蓋、門把手、蓋鎖機構、控制顯示屏等。

3.3 空氣排放、蒸汽形成及蒸汽穿透現象

（1）空氣排放?？諝馀欧攀且罁亓χ脫Q原理進行模擬，即滅菌室的水被加熱后產生蒸汽，但滅菌室內仍存有空氣，由于空氣的密度大于蒸汽密度，加熱后由上往下移動，蒸汽與之相反。空氣是由無數的細小的gameobject（帶有碰撞體組件）組成，一個gameobject是一個Prefab（預制體），系統初始化的時候形成空氣，偽代碼如下：

其中，AirPoint是空氣點，count是需要生成的空氣點的數目，pos［i］是空氣點i在腔室的位置坐標。減少空氣點的數目，能模擬滅菌室內殘留空氣量。

由于模擬蒸汽的粒子本身帶有碰撞組件，所以和空氣點產生碰撞，空氣從室壁排氣孔排出，從而達到模擬排放冷空氣的效果，使學生直觀看到冷空氣排放的過程，體會冷空氣排放的重要性。

（2）蒸汽形成。Unity中的粒子系統（Particle System）可用于制作特效，例如氣體、水流、爆炸等效果，在本系統中用來模擬滅菌室內飽和蒸汽的形成過程，當水被加熱后，蒸汽從滅菌室底部上升，排出空氣，逐漸形成飽和蒸汽，其中蒸汽采用粒子系統，需要設置持續時間（Duration）、延遲發射時間（Start Delay）、初始速度（Start Speed）、初始顏色（Start Color）、粒子數目（Max Particles）、發射器形狀（Shape）、發射角度（Angle）和粒子材質（Materials）等參數，其中，Shape ＝Hemisphere，采用半球形狀，能更好地模擬蒸汽從底部上升時的狀態，其余參數都可以手動設置，學生可以體驗各種參數對蒸汽形成的影響，比如蒸汽產生時間、產生速度、顏色（便于觀察，真正的蒸汽肉眼無法看見）等，飽和蒸汽是蒸汽中含有最少雜質的氣體，是影響滅菌成敗的主要因素之一。

（3）蒸汽穿透。蒸汽的穿透力受物品裝載方式、方向和位置等因素影響，物品裝載不規范就會在滅菌中形成殘留空氣，影響到滅菌效果［14-16］。

在滅菌物品模型上由外層至里層設置碰撞體Mesh Collider，分別設置不同的閾值，如下所示：

閾值分別為碰撞體上對應的蒸汽點的碰撞數目，如蒸汽點與第1層碰撞體Collider1的碰撞次數達到100，則Collider1失效，此時，蒸汽點與Collider2碰撞，當碰撞次數達到500，則Collider2失效，依次類推，模擬飽和蒸汽的穿透效應。此時如果滅菌室內存在殘留空氣，勢必會影響蒸汽的碰撞次數，從而達到模擬殘留空氣影響蒸汽穿透能力的過程。

3.4 顏色變化的生成

在規定的滅菌條件（蒸汽飽和溫度、持續時間）下，化學、生物指示物會發生顏色變化，如印在化學指示膠帶上的指示顯色劑條紋就會發生分解，并與助色劑發生反應，使顏色從淺色向深色變化，系統根據指示物顏色的變化進行模擬。

利用Itween插件，調用ColorTo函數實現顏色的變化過程，其核心代碼為：

4 虛擬教學系統的應用

4.1 不可見信息預演

不可見信息預演包括安全部件、爆炸效果、空氣排放、蒸汽形成、蒸汽穿透等現象的預演操作。以安全閥預演為例，學生進入系統后，點擊預演目錄“安全閥”，系統就會演示安全閥內部結構、組成、名稱及作用，當點擊安全閥“壓力進度條”（壓力進度條范圍為0～0.25 MPa，0.25 MPa是安全閥最大允許值）并以拖動的形式進行交互時①觀察安全閥內部蒸汽的流動（系統中用紅色表示）；②隨著拖動數值增大，紅色線條在不斷加粗，當壓力進度拖至高于0.25 MPa值時，安全閥過壓開啟，卸壓后安全閥自動閉合（見圖3），使學生直觀看到蒸汽作用時安全閥開啟和閉合保護功能；③當拖動數值超出0.25 MPa時，安全閥沒法打開，處于失效狀態，但滅菌室內壓力在一直增高（觀看到氣體的顏色不斷加粗和加深），導致滅菌器爆炸，爆炸效果通過點擊爆炸范圍半徑R實現，R越大、效果越明顯，表明風險的危害越大。

圖3 安全閥仿真演示圖

4.2 仿真裝置操作

“物品裝載”是仿真裝置操作的主要環節，以問答的形式實現交互，使學生熟練掌握不同物品的裝載方式，避免不當操作直接影響滅菌效果，其操作流程為：點擊系統“歸類”菜單，彈出“固體”“液體”相對應的“輔料包”“器械包”“培養液”等滅菌物品，由學生選擇是“同批次滅菌”“不可同批次滅菌”懸浮窗格，如果學生選擇正確，進入“下一步”進行后續操作，同時系統彈出提示文字，說明正確選項的理由（以防止學生蒙對）；若學生選擇錯誤，則彈出提示，文字為題干菜單的描述，以及隱喻出正確選項的知識點，學生瀏覽后，點擊“重新選擇”，回到界面從頭開始訓練。物品裝載的步驟為：

（1）歸類。包括診療包、輔料包、穿刺包、器械包、培養基、搪瓷金屬盤、碗、盒裝注射器、玻璃瓶、紙袋、紙塑袋、陽性廢棄物、瓶裝培養液。規范標準：材質相同的培養基、培養液、器械、器具和物品歸類到同一批次進行滅菌。

（2）間隙。包與包之間留間隙，利用蒸汽穿透。規范標準：使用專用籃筐轉載待滅菌物品，不能疊放、堆放，每個滅菌包之間間隙≥2cm，并且不得接觸滅菌艙內壁。

（3）位置。大包放上層、小包放下層；難以滅菌的放上層，容易滅菌的放下層；混合物品滅菌時，輔料包放上層、金屬類、器械類即易產生水滴的物品放下層。

（4）方向。器械包、硬式容器應平放；盤、碗、盒的物品應斜放，朝向一致；玻璃瓶等底部無孔的器皿類物品倒立或側放；紙袋、紙塑袋包裝側放；紡織類物品豎放；方向合理有利于蒸汽進入和冷空氣排出。

（5）大小。滅菌包≤30 cm×30 cm×25 cm。

（6）裝載量。最大裝載量＜容積的80%，最小裝載量＞10%；輔料包質量≤5 kg，器械包質量≤7 kg。

（7）設置監測物。包外設滅菌化學指示物，陽性廢棄物包內還應放置生物指示物。

（8）標識。注明物品名稱、包裝者，滅菌編號、物品批次、日期等。

4.3 虛擬滅菌實施

虛擬滅菌實施是解決實體實驗中難以進行重復性操作和危險性問題，著重于安全檢查、物品裝載、關門、滅菌運行等環節的交互。如學生可以通過鼠標左鍵點擊對象（如握住門把手、拾取滅菌籃、取出加熱器隔板等）、右鍵點擊（旋轉場景視角）、鼠標滾輪移動（拉近拉遠視角），結合鍵盤空格鍵（如踩下踏板）、TAB鍵（滅菌室、實驗臺切換視角）、R鍵（擰瓶蓋）實現旋轉、移動、縮放、隱藏、恢復等交互功能。虛擬滅菌實施的流程為：

（1）安全檢查。包括壓力表處“歸零”的位置；滅菌器蓋門密封圈平整無損壞、蓋門安全聯鎖靈活；排氣、排液出口無障礙物；滅菌室內內壁清潔；電源、水源等運行條件符合要求。

（2）加水。向回收瓶加純凈水至回收瓶最低水位位置。

（3）物品裝載（見4.2）。

（4）關上蓋門。手持滅菌器蓋的把手，往下按至蓋門顯示燈滅為止。

（5）滅菌運行。①打開電源開關；② 蓋上門蓋、踩下踏板、按蓋門、松開踏板，當連鎖燈亮時，顯示門蓋密封到位；③參數設置：若滅菌物品為器械包，選擇固體滅菌程序，設置溫度為121℃、滅菌時間為20 min，若滅菌物品是瓶裝培養液，選擇液體滅菌程序，設置溫度為115℃、滅菌時間為30 min；④ 按開始鍵運行（紅燈亮），觀察升溫、升壓、滅菌、降溫、降壓、恒溫、干燥過程狀態；⑤ 滅菌結束。蜂鳴器響、壓力表指示“0”位置。

（6）開蓋卸載。從滅菌器卸載取出的物品，待溫度降至室溫時才可以移動，冷卻時間≥30 min。

（7）信息核對。包括檢查滅菌物品標識、監測物清晰、齊全等（見圖4）。

圖4 虛擬滅菌裝置圖

4.4 滅菌效果驗證

系統設置化學監測（化學指示膠帶）和生物監測（嗜熱芽孢桿菌片）2個監測模塊，監測模塊訓練的目的使學生加深理解物品裝載、冷空氣排放、飽和蒸汽質量等因素對滅菌效果的影響［17-18］，測試物品是否經過滅菌和是否徹底滅菌，也是驗證實驗目的、方法、步驟和結果的方式方法，學生在每一個監測驗證訓練后，體會滅菌實驗正確的操作過程，克服自身的模糊認識、實驗偏差和操作不當等。教師通過系統，結合考核手段對教學過程中學生的認知、行為、動作技能等是否得到了發展和進步進行評價，針對學生訓練中存在的不足之處，發揮教師督促和糾偏的作用。

（1）化學指示膠帶監測。學生點擊該菜單后，系統會彈出“診療包”“輔料包”“器械包”“培養基”等，由學生選擇1個供訓練張貼化學指示膠帶，若方法錯誤，系統彈出提示文字，說明不正確的理由；第2步為“虛擬滅菌實施”步驟（見4.3），虛擬滅菌完成后進入第3步監測階段，系統彈出4個顏色懸浮窗格（浮窗之間有“→”順序指向），學生每點擊1個懸浮窗格，呈現“黃色”“灰色”“黑色”“深黑色”文本框，勾選內容只能選擇其中1個，當顯色過程為“黃色→灰色→黑色→深黑色”時，說明實驗方法和步驟正確，物品滅菌符合條件；若學生選擇錯誤，提示不正確的理由，引導學生重新訓練。

（2）嗜熱芽孢桿菌片監測。嗜熱芽孢桿菌片監測是唯一直接使用生物指示劑對滅菌效果進行評判的方法，它是判斷滅菌物品是否達到無菌水平最可靠、最安全的依據，也是滅菌效果評價的金標準［19］。系統以問答形式實現交互操作，其方法和步驟為：①裝配。取兩個生物試管，內裝嗜熱脂肪桿菌芽孢生物菌片（ATCC7953）和培養基；② 投放。放置于試驗包中心部，并將試驗包隨被滅菌物品一起放在滅菌室內的排汽口上方；③滅菌。設置參數（121℃、60 min），使滅菌物品（陽性廢棄物）運行一個滅菌周期；④夾碎。取出生物試管，專用夾碎工具夾碎試管內的玻璃內膽，讓菌片充分浸在培養液內；⑤培養。將生物試管放進培養箱內進行培養，在培養箱控制面板上設置培養參數（培養箱溫度56℃、培養時間48～72 h）；⑥ 觀察。培養結束后，觀察兩支試管的顏色變化，當兩支試管內培養顏色均不變化，判為滅菌物品的效果合格、有效；若有一支試管培養基由紫色變為黃色，判為滅菌失敗，封存物品，查找出失敗原因，重新滅菌處理（見圖5）。

圖5 嗜熱芽孢桿菌片監測裝置圖

5 結語

現代信息技術與高等學校專業培養相結合是未來發展的方向，通過構建高壓蒸汽滅菌實驗虛擬仿真教學系統，連接、映射、分析、反饋虛擬現實，使學生的認知、行為和情感最大限度地閉環優化和提升，并在應用中取得一定的成效，如我校組織生物學專業300多名學生通過該系統的學習和交互操作后，在參加地方部門“崗前考核”時，一次性通過率達98%，相比之前有明顯提高；同時，學生在實體實驗中自信心充足，改變過去“做不了”“做不好”等實驗項目，學生及教師的滿意度較高。當前，在實用效應的推動下，虛擬教學逐步進入課堂教學已成為現實，然而虛擬仿真教學畢竟有別于課堂教學和實驗教學之外的新型學科，在注重其解決實驗教學難題的同時，還應充分體現“虛實結合，相互補充，能實不虛”的原則，重視育人實踐環節，提升實驗教學水平。