國內(nèi)護理虛擬實驗室建設(shè)應(yīng)用研究

寧珂雪 李湘華 陳文

摘 要：虛擬現(xiàn)實技術(shù)不僅僅是單一的技術(shù)，而是多種行業(yè)的技術(shù)支撐，它進入到科學(xué)研究的眾多領(lǐng)域，應(yīng)用的前景越來越廣泛。國內(nèi)虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也有很多的嘗試和應(yīng)用。護理虛擬實驗室作為護理學(xué)中新的應(yīng)用，如何構(gòu)建虛擬實驗室，優(yōu)化設(shè)計方案、改善建設(shè)結(jié)構(gòu)、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(nèi)護理虛擬實驗室的開發(fā)建設(shè)入手，探討應(yīng)用中的相關(guān)問題，為以開放大學(xué)護理遠程學(xué)習(xí)者為中心的虛擬實驗室建設(shè)提供理論參考。

關(guān)鍵詞：國內(nèi) 護理 虛擬實驗室 建設(shè)

現(xiàn)代計算機技術(shù)、電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，帶來了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的興起。在護理學(xué)領(lǐng)域虛擬實驗室就是比較先進的實驗教學(xué)和遠程教學(xué)的載體。虛擬實驗室和傳統(tǒng)設(shè)備構(gòu)建的實驗室不同，主要是利用計算機仿真技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建的實驗室。其主要功能是依據(jù)實驗室的教學(xué)需要，在計算機系統(tǒng)中利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來構(gòu)建實驗環(huán)境，讓實驗者在虛擬環(huán)境中應(yīng)用各種實驗的設(shè)備，進行各種實驗操作[1]。國內(nèi)護理學(xué)方面的虛擬實驗室是比較新的建設(shè)理念和開發(fā)項目。本文主要是對國內(nèi)護理虛擬實驗室的應(yīng)用、開發(fā)、建設(shè)進行理論探討。

一、虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于護理學(xué)實驗的優(yōu)勢

護理學(xué)是實踐性要求比較強的學(xué)科，學(xué)生在學(xué)習(xí)護理技能中，需要通過反復(fù)的練習(xí)和臨床實踐，才能適應(yīng)將來的護理工作。學(xué)校在護理學(xué)教學(xué)中，也一直非常重視護理學(xué)的實踐性技能培訓(xùn)工作。但是這些年，護理院校面對學(xué)生數(shù)量增加，實驗室有限、適應(yīng)設(shè)備、儀器數(shù)量難以滿足學(xué)生的技能實踐需要的困難。特別是護理學(xué)中的靜脈輸液、鼻飼法、導(dǎo)尿術(shù)等技術(shù)要求比較高，在訓(xùn)練中需要大量的物資和實踐環(huán)境，這些更增加了學(xué)校的運營成本，也導(dǎo)致很多學(xué)生無法在學(xué)校有效掌握和提高護理的技術(shù)和水平。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種借助計算機技術(shù)、傳感設(shè)備等建設(shè)的模擬環(huán)境空間狀態(tài)的計算機系統(tǒng)，于上世紀80年代末由美國人創(chuàng)新提出[2]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)因為能夠在計算機上創(chuàng)建出用戶直觀感受好、參與度高的交流互動環(huán)境，而受到用戶和設(shè)計者的歡迎。對現(xiàn)實和未來進行全面復(fù)制，用虛擬手法讓人們有真實感受，是這一系統(tǒng)最主要的特點。這也是護理學(xué)實驗室的重要設(shè)計需求，因此基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建虛擬實驗室是一項值得研究的課題。虛擬現(xiàn)實技術(shù)利用計算機整合圖像、聲音、視頻等眾多媒體手段，創(chuàng)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(chǎn)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(xiàn)實技術(shù)簡稱為VR技術(shù)，在技術(shù)上的優(yōu)勢是利用三維成像技術(shù)、虛擬環(huán)境技術(shù)、數(shù)字信息技術(shù)等模擬生成數(shù)字化環(huán)境空間，配合聲音、圖像等手段，以數(shù)字化媒介為載體將設(shè)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(xiàn)實又超越現(xiàn)實時空，既能直觀感受又能參與其中的超現(xiàn)實交互空間。虛擬現(xiàn)實技術(shù)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(xiàn)實實驗室需要的實用功能。

二、護理虛擬現(xiàn)實實驗室相關(guān)技術(shù)介紹

建設(shè)護理虛擬現(xiàn)實實驗室的主要目的是幫助學(xué)生在實驗室，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實的先進技術(shù)，對護理學(xué)需要的相關(guān)技術(shù)技能進行實驗操作和訓(xùn)練。目前國內(nèi)護虛擬現(xiàn)實實驗室主要應(yīng)用的虛擬現(xiàn)實技術(shù)有以下兩種：

1.Kinect體感交互技術(shù)

該技術(shù)是微軟公司于2010年推出的面向游戲機的體感周邊外部設(shè)備的技術(shù)總稱。該技術(shù)主要是由紅外線發(fā)射器、RPC攝像頭等六種設(shè)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(shù)的最大特點是不需要使用者手持任何設(shè)備就能實現(xiàn)人機之間的三維交互。使用者只需要在距離設(shè)備0.8到3米的范圍內(nèi)活動，就可以由設(shè)備自動捕捉到使用者的肢體運行軌跡，實現(xiàn)對人體骨骼節(jié)點的有效跟蹤和動作捕捉、影像變式、聲音輸入等。這些數(shù)據(jù)會輸入到相應(yīng)的設(shè)備中，從而驅(qū)動計算機內(nèi)部的相關(guān)系統(tǒng)進行模擬模型的運行。該技術(shù)的主要特點是擺脫了傳統(tǒng)的鼠標(biāo)鍵盤等硬件設(shè)備的局限，實現(xiàn)對人體復(fù)雜動作的捕捉，有效地降低了虛擬實驗系統(tǒng)的構(gòu)建成本，具有很好的沉浸式、交互式優(yōu)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(nèi)容的綜合互動游戲開發(fā)工具，主要的功能有模型導(dǎo)入、粒子特效、動畫特地奧、地形編輯器、物體屬性設(shè)置、事件觸發(fā)設(shè)置等，能對三維圖形、音頻流、視頻流進行實時混合，實現(xiàn)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(xiàn)實技術(shù)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(chǎn)品的虛擬展示、交互訪問和逼真表現(xiàn)。

三、護理虛擬現(xiàn)實實驗室建設(shè)構(gòu)建應(yīng)用

1.護理虛擬現(xiàn)實實驗室結(jié)構(gòu)

在對護理學(xué)操作技能，集合計算機網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的形式和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特點進行研究后，建設(shè)的護理虛擬現(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)實驗操作者和虛擬現(xiàn)實平臺的有效連接，從而構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)空間中的虛擬現(xiàn)實護理實驗室。其中虛擬中心是整個護理虛擬現(xiàn)實實驗室的核心部位，是在互聯(lián)網(wǎng)紅利用WEB技術(shù)構(gòu)建的可視化、互動式環(huán)境。在這里每個可視化物體都是護理學(xué)的實驗對象。可以進行各種需要的實驗。

2. 構(gòu)建三維虛擬實訓(xùn)環(huán)境

護理虛擬現(xiàn)實實驗室主要是為護理學(xué)的學(xué)生構(gòu)建一個實訓(xùn)的環(huán)境。所以實驗室里首先依據(jù)現(xiàn)病史、教學(xué)資料等構(gòu)建一個虛擬病房。通過采集的動態(tài)和靜態(tài)的圖像作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，構(gòu)建起三維模型后轉(zhuǎn)化為能被Unity3D游戲引擎識別的格式文件。應(yīng)用Unity3D中的腳本編輯器，編寫腳本代碼，讓三維模型轉(zhuǎn)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(shè)備材質(zhì)、病床等現(xiàn)實病房環(huán)境的再現(xiàn)，為操作者呈現(xiàn)最真實的現(xiàn)場效果。之后要對護理學(xué)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(gòu)建。

3.構(gòu)建交互式護理實訓(xùn)環(huán)境

利用微軟的Kinect系統(tǒng)進行開發(fā)，并在Unity3D中進行系統(tǒng)的封裝，實現(xiàn)動態(tài)數(shù)據(jù)庫的連接，對項目進行編譯后從而構(gòu)建護理實驗需要的手勢交互數(shù)據(jù)。在構(gòu)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(gòu)建起與現(xiàn)實向一致的3D虛擬護理實訓(xùn)的體感交互環(huán)境。這其中要利用Kinect實現(xiàn)對操作者的動態(tài)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(zhǔn)確掌握操作者的動作，并對其動作進行判斷。

4.構(gòu)建護理虛擬現(xiàn)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(dāng)操作者選擇出現(xiàn)錯誤或者遺漏的適合，系統(tǒng)會進行提示[3]。在實驗病房的現(xiàn)實場景中，系統(tǒng)界面會在虛擬病房中，要求學(xué)生完成對患者的相關(guān)護理操作。學(xué)生的動作都會實時反饋給系統(tǒng)，系統(tǒng)會判斷學(xué)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(xiàn)錯誤，系統(tǒng)會及時指示錯誤之處。

基于體感交互技術(shù)的虛擬現(xiàn)實實驗室在護理學(xué)的應(yīng)用，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。護理虛擬現(xiàn)實實驗室能高仿真地還原現(xiàn)實病房臨床操作等護理學(xué)實驗的環(huán)境，為學(xué)生創(chuàng)造一個安全可靠、真實的護理學(xué)實驗學(xué)校環(huán)境[4]，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進教學(xué)質(zhì)量的提高，也為開放大學(xué)的護理遠程學(xué)習(xí)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(yī)學(xué)院校教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2012（31）：177-179.

[2]汪航，孫琪.教學(xué)型虛擬實驗室的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)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(chǔ)護理學(xué)虛擬實驗室的開發(fā)與應(yīng)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(xué)虛擬實驗室的建設(shè)與開發(fā)[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(xué)講師，碩士，研究方向：護理教育。