心電監(jiān)護(hù)儀虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

摘" 要：針對醫(yī)護(hù)類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中存在的難題，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)了心電監(jiān)護(hù)儀虛擬仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)包含設(shè)備認(rèn)識、仿真操作和專項(xiàng)學(xué)習(xí)三個(gè)模塊。文章描述了軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和各模塊的設(shè)計(jì)目標(biāo)、需求與功能，同時(shí)，對場景渲染資源控制、多攝影機(jī)設(shè)置與使用、交互觸發(fā)與UI的實(shí)現(xiàn)、動(dòng)畫的實(shí)現(xiàn)、操作進(jìn)程與邏輯控制等虛擬仿真的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究和特色化設(shè)計(jì)。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，渲染效果好，可有效輔助醫(yī)護(hù)類專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；仿真；心電監(jiān)護(hù)儀

中圖分類號：TP311" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" 文章編號：2096-4706（2024）12-0081-04

Design and Development of a Virtual Simulation System for ECG Monitor

ZHANG Zhixiong1， XIANG Chaoyang2， QIAO Liang2， DUAN Danping2， ZHONG Yu2

（1.Equipment Management Department of Guangdong Provincial Hospital of Chinese Medicine， Guangzhou" 510180， China;

2. Educational Technology and Information Center， Guangdong Food and Drug Vocational College， Guangzhou" 510520， China）

Abstract： A virtual simulation system for ECG monitor has been developed using virtual reality technology to address the challenges in practical teaching of medical and nursing majors. The system consists of three modules： device familiarization， simulation operations， and specialized learning. This paper describes the software system architecture and the design objectives， requirements， and functionalities of each module. Moreover， it conducts the research and specialized design of key virtual simulation technologies such as scene rendering resource control， multi-camera settings and usage， interactive triggering and UI implementation， animation implementation， and operational processes and logic control. The system runs stably and has good rendering effects， which can effectively assist practical teaching in medical and nursing majors.

Keywords： virtual reality; simulation; ECG monitor

0" 引" 言

心電監(jiān)護(hù)儀是醫(yī)院常用的精密醫(yī)學(xué)儀器，能同時(shí)監(jiān)護(hù)病人的心電圖形、呼吸、體溫、血壓、血氧飽和度、脈率等生理參數(shù)，具有心電信息的采集、存儲、智能分析預(yù)警等功能，通過該設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)觀察病情，提供可靠的有價(jià)值的心電活動(dòng)指標(biāo)，對于心電活動(dòng)異常的患者，如急性心肌梗死、各種心律失常等，有著重要使用價(jià)值，是急危重癥護(hù)理課程的重點(diǎn)內(nèi)容。然而，由于設(shè)備成本較高，各醫(yī)護(hù)類院校無法提供大量的設(shè)備供學(xué)生實(shí)踐練習(xí)，對該內(nèi)容操作技能的學(xué)習(xí)造成不利影響，因此，設(shè)計(jì)和開發(fā)心電監(jiān)護(hù)儀虛擬仿真系統(tǒng)，對化解醫(yī)護(hù)類專業(yè)該實(shí)踐教學(xué)難題，提升醫(yī)護(hù)類學(xué)生的職業(yè)能力具有重要意義。

近年來，國內(nèi)外關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在各種領(lǐng)域應(yīng)用的研究很多。文獻(xiàn)[1]基于虛擬現(xiàn)實(shí)的機(jī)電仿真技術(shù)建立虛擬現(xiàn)實(shí)場景，與姿態(tài)捕捉系統(tǒng)、頭戴顯示器等虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備連接，實(shí)現(xiàn)不同視角觀測，模擬隨動(dòng)跟蹤監(jiān)視與實(shí)景漫游。文獻(xiàn)[2]對不同類型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)分析，并以VOVID-19臨床診療為例進(jìn)行設(shè)計(jì)，為醫(yī)療教育培訓(xùn)工作者提供參考。文獻(xiàn)[3]開發(fā)了帶有虛擬現(xiàn)實(shí)特征的車床教學(xué)系統(tǒng)軟件，提出了虛擬車床開發(fā)的一般流程，闡述了矯正圖像的立面分割技術(shù)。文獻(xiàn)[4]將現(xiàn)代工業(yè)化流水線與月餅制作工藝相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)的月餅生產(chǎn)全流程數(shù)字化仿真系統(tǒng)。文獻(xiàn)[5]介紹了使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，搭建一套完整的電力系統(tǒng)培訓(xùn)仿真軟件的方法與手段。文獻(xiàn)[6]介紹了基于Windows的CT、MRT仿真操作系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用，但無法同時(shí)表現(xiàn)顯示器、鍵盤、病人床、機(jī)架及機(jī)架操作鍵盤上各種狀態(tài)燈、數(shù)字儀表和影像的狀態(tài)。文獻(xiàn)[7]基于Unity3D引擎開發(fā)集成海上作業(yè)測試功能以及培訓(xùn)功能的虛擬仿真測試軟件，并通過虛擬交互設(shè)備實(shí)現(xiàn)立體顯示和人機(jī)交互。文獻(xiàn)[8]將表面肌電信號處理技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合，在Android平臺上設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種具有人機(jī)交互功能的便攜式康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)。文獻(xiàn)[9]為使駕駛員能夠識別出航道中存在的危險(xiǎn)隱患，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建航行環(huán)境仿真系統(tǒng)，為船舶安全航行提供了技術(shù)支撐。文獻(xiàn)[10]構(gòu)建礦井工作面礦壓顯現(xiàn)仿真系統(tǒng)，通過場景漫游與交互控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)礦井綜采工作面礦壓顯現(xiàn)操作?？v觀近10年的同類研究，尚未發(fā)現(xiàn)針對心電監(jiān)護(hù)儀的3D虛擬仿真研究，也沒看到基于心電監(jiān)護(hù)儀虛擬仿真系統(tǒng)的教學(xué)應(yīng)用。

文章敘述了本軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，以及各模塊的設(shè)計(jì)目標(biāo)、需求與功能，同時(shí)，對場景渲染資源控制、多攝影機(jī)設(shè)置與使用、交互觸發(fā)與UI的實(shí)現(xiàn)、動(dòng)畫的實(shí)現(xiàn)、操作進(jìn)程與邏輯控制等虛擬仿真的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究和特色化設(shè)計(jì)[11]，該系統(tǒng)將應(yīng)用于醫(yī)護(hù)類相關(guān)專業(yè)的教學(xué)和培訓(xùn)領(lǐng)域。

1" 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1" 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與目標(biāo)

該軟件包含設(shè)備認(rèn)識、設(shè)備操作和專項(xiàng)學(xué)習(xí)3個(gè)模塊，如圖1所示，通過設(shè)備認(rèn)識模塊，可了解電監(jiān)護(hù)儀的結(jié)構(gòu)、常用配置、按鈕和配件的名稱與功能；通過設(shè)備操作模塊，可根據(jù)仿真心電監(jiān)護(hù)儀標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程進(jìn)行仿真操作；通過專項(xiàng)學(xué)習(xí)模塊，可學(xué)習(xí)心電監(jiān)護(hù)儀安放過程中的特別注意事項(xiàng)和電極安放方式，模擬設(shè)備使用過程中常見故障，并學(xué)習(xí)常見故障的排除方法。

1.2" 需求與功能分析

1.2.1" 設(shè)備認(rèn)識模塊

該模塊為入門模塊，在場景中設(shè)置心電監(jiān)護(hù)儀和使用中所需配件的3D模型，屏幕UI設(shè)計(jì)“放大查看”“屏幕顯示”等按鈕，學(xué)習(xí)者拖動(dòng)鼠標(biāo)或手指在屏幕上滑動(dòng)（移動(dòng)終端），可對場景進(jìn)行3D查看；點(diǎn)擊標(biāo)志位，可顯示相關(guān)知識點(diǎn)。通過該模塊，學(xué)習(xí)者可了解心電監(jiān)護(hù)儀的結(jié)構(gòu)和常用配件，熟悉心電監(jiān)護(hù)儀按鈕、接口的名稱、功能和含義，如表1所示。

1.2.2" 設(shè)備操作模塊

通過該模塊，學(xué)習(xí)者可按照標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程進(jìn)行仿真實(shí)踐操作。按照三甲醫(yī)院的布局和工作規(guī)范，模塊設(shè)計(jì)治療室和病房兩個(gè)虛擬場景。虛擬治療室如圖2所示，其設(shè)計(jì)有醫(yī)療用物專用存儲柜、藥用存儲冰箱、物品車、隔離牌、護(hù)士模擬人等設(shè)施，在治療室可模擬完成器械和相關(guān)用物準(zhǔn)備等操作，準(zhǔn)備工作完成后切換至病房場景，虛擬病房設(shè)計(jì)有模塊病人、病床、吊橋、床旁呼叫鈴等設(shè)施，以及當(dāng)前步驟的文字和操作提示點(diǎn)，方便學(xué)習(xí)者在虛擬場景中進(jìn)行心電監(jiān)護(hù)儀安放的仿真操作。

1.2.3nbsp; 專項(xiàng)學(xué)習(xí)模塊

通過該模塊可針對重要知識點(diǎn)進(jìn)行專項(xiàng)學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，在屏幕左上角設(shè)計(jì)“導(dǎo)聯(lián)連接”“故障模擬”“注意事項(xiàng)”3個(gè)按鈕，可分別進(jìn)入相應(yīng)的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練模式。圖3為“導(dǎo)聯(lián)連接”模式，根據(jù)提示的電極名稱選擇正確的導(dǎo)聯(lián)電極，并將所選電極安放至人體正確位置，當(dāng)3次操作錯(cuò)誤，將顯示藍(lán)色旋轉(zhuǎn)光環(huán)提示交互操作位置；在“故障模擬”模式，點(diǎn)擊藍(lán)色旋轉(zhuǎn)光環(huán)，模擬電極和血氧探頭的脫落，根據(jù)心電監(jiān)護(hù)儀屏幕提示，可模擬故障排除；在“注意事項(xiàng)”模式，可學(xué)習(xí)安放導(dǎo)聯(lián)電極、血壓袖帶和血氧飽和度探頭等的相關(guān)注意事項(xiàng)。

2" 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

軟件設(shè)計(jì)考慮兼容PC端、移動(dòng)端和桌面式AR設(shè)備，兼顧場景的逼真度和浸染資源的消耗，虛擬場景里設(shè)有多臺攝像機(jī)，可提升交互性和沉浸感。

2.1" 場景渲染資源控制

常規(guī)情況下，要提升仿真逼真度與操作沉浸感，勢必要增加貼圖量和貼圖精度，但這會導(dǎo)致渲染復(fù)雜度的提升，消耗大量的計(jì)算機(jī)資源，影響程序運(yùn)行的流暢性，因而，當(dāng)提升仿真逼真度時(shí)，場景渲染資源的控制就顯得尤其重要。在本系統(tǒng)虛擬場景的仿真中，采用以下技術(shù)用于解決場景渲染資源的控制問題：

1）適當(dāng)調(diào)整模型貼圖大小，根據(jù)模型在場景里的占比和重要性合理調(diào)整貼圖的大小，在兼顧模型顯示清晰度的前提下，盡可能降低貼圖的像素。

2）合理控制模型的個(gè)數(shù)和總面數(shù)，降低GPU的渲染壓力。

3）簡化碰撞體的形狀和復(fù)雜性，對于部分復(fù)雜度較高的模型，使用簡單模型的碰撞體加以覆蓋，由于簡單模型無須渲染，既不影響美觀也不影響碰撞檢測，從程序的實(shí)際運(yùn)行結(jié)果來看，該方法顯著地提升了程序的運(yùn)行效率，也有效解決了復(fù)雜碰撞檢測時(shí)的“卡死”問題。

4）合理設(shè)置虛擬場景的燈光和陰影，盡可能減少實(shí)時(shí)光源的數(shù)量，在多光源場景，僅選擇一個(gè)光源設(shè)置陰影。

5）對虛擬場景進(jìn)行烘焙。

2.2" 多攝影機(jī)設(shè)置與使用

為充分表現(xiàn)虛擬場景結(jié)構(gòu)與工作狀態(tài)，構(gòu)建良好的人機(jī)交互界面，場景中設(shè)計(jì)了多個(gè)攝影機(jī)位。例如在圖4所示的虛擬病房中，設(shè)計(jì)一臺主攝影機(jī)置于病房前上方，該機(jī)位作為主機(jī)位，也是初始機(jī)位，以第一人稱的角度同時(shí)查看病人、病床、吊橋、心電監(jiān)護(hù)儀和病房相關(guān)附屬設(shè)施。其余兩臺攝影機(jī)分別用于特寫，來表現(xiàn)心電監(jiān)護(hù)儀和監(jiān)護(hù)儀屏幕。此外再設(shè)一臺畫中畫攝影機(jī)，置于屏幕右下角位置，該攝像機(jī)與主攝影機(jī)配合使用，在查看病房全景的同時(shí)，可將監(jiān)護(hù)儀信息放大呈現(xiàn)，即便使用手機(jī)操作也能清晰全面地查看場景的所有信息。

運(yùn)用父子級運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，主攝影機(jī)設(shè)置為當(dāng)操作者拖動(dòng)鼠標(biāo)或手指在屏幕上滑動(dòng)（移動(dòng)終端）時(shí)，實(shí)現(xiàn)盯住目標(biāo)的3D環(huán)繞查看。首先調(diào)節(jié)主攝影機(jī)的Position、Rotation和Field of View參數(shù)值，確保查看目標(biāo)大小及透視效果合適，新建空物體，并將該空物體移至待查看目標(biāo)的中心位置，再將主攝影機(jī)掛到空物體下與空物體建立“父子”關(guān)系，最后將控制旋轉(zhuǎn)的代碼掛到空物體上，即實(shí)現(xiàn)盯住目標(biāo)的3D環(huán)繞查看功能。

2.3" 交互觸發(fā)與UI的實(shí)現(xiàn)

本場景的交互觸發(fā)通過在虛擬場景設(shè)置碰撞體和在屏幕上設(shè)置幕布按鈕兩種方式實(shí)現(xiàn)。

對于前者，在3D虛擬場景里的觸發(fā)位置設(shè)置碰撞體，并將主攝影機(jī)的Tag參數(shù)設(shè)置為MainCamera，并通過如下代碼實(shí)現(xiàn)，當(dāng)鼠標(biāo)左鍵按下時(shí)，只要攝影機(jī)發(fā)出的射線觸碰碰撞體，即將所觸碰的碰撞體名稱傳遞至oname變量。

if（Input.GetMouseButtonDown（0））{

Ray ray = Camera.main.ScreenPointToRay（Input.mousePosition）;

RaycastHithitinfo;

if（Physics.Raycast（ray，outhitinfo））

{oname = hitinfo.collider.gameObject.name;}

}

對于后者，需要添加幕布和按鈕，并在按鈕上掛載以下代碼實(shí)現(xiàn)，當(dāng)觸發(fā)按鈕時(shí)，執(zhí)行事件或傳遞變量。

publicvoidOnClickName（）

{ SceneManager.LoadScene（\"Main\"）;//執(zhí)行事件或傳遞變量 }

2.4" 動(dòng)畫的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)內(nèi)的動(dòng)畫主要包含3D物體的移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)、監(jiān)護(hù)儀屏幕界面的改變、攝影機(jī)鏡頭的切換等。3D物體的移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)主要以兩種方式實(shí)現(xiàn)：

1）在C#代碼的Update里，通過Transform組件控制游戲?qū)ο笤谔摂M場景中的位置、旋轉(zhuǎn)和大小比例。

2）通過Unity動(dòng)畫系統(tǒng)制作3D動(dòng)畫，然后通過代碼調(diào)用和播放。對于監(jiān)護(hù)儀屏幕界面的改變，通過ScreenShow.GetComponentlt;Renderergt;（）.material.mainTexture = Screentexture[No]改變監(jiān)護(hù)儀屏幕的材質(zhì)來實(shí)現(xiàn)。攝影機(jī)鏡頭的切換和物理對象的顯示和消失，則是通過gameObject.SetActive（true）來控制和實(shí)現(xiàn)。

2.5" 操作進(jìn)程與邏輯控制

在仿真操作模塊，學(xué)習(xí)者遵照標(biāo)準(zhǔn)的操作規(guī)程按步驟進(jìn)行仿真操作，要求嚴(yán)格按順序執(zhí)行。為實(shí)現(xiàn)該功能，在虛擬場景里為所有步驟的觸發(fā)點(diǎn)都設(shè)置了相應(yīng)的碰撞體，將第一個(gè)步驟的碰撞體設(shè)為激活狀態(tài)，其余步驟的碰撞體設(shè)為非激活狀態(tài)，并通過以下代碼將當(dāng)前碰撞體激活狀態(tài)關(guān)閉，將下一步驟碰撞體激活狀態(tài)打開，以此來實(shí)現(xiàn)操作步驟按順序執(zhí)行。

if （StepNo ==0 ）{

Touch_Current.gameObject.SetActive（1）;Touch_Next.gameObject.SetActive（true）;

Transform組件控制或動(dòng)畫播放調(diào)用代碼;

}

在專項(xiàng)學(xué)習(xí)模塊的電極安放模式，當(dāng)操作正確時(shí)，呈現(xiàn)成功音效和動(dòng)畫。當(dāng)操作錯(cuò)誤時(shí)有兩種情況：一是出錯(cuò)次數(shù)不超過3次，此時(shí)僅播放出錯(cuò)音效。二是出錯(cuò)次數(shù)超過3次，此時(shí)播放出錯(cuò)音效的同時(shí)提示正確的操作位置，使學(xué)習(xí)者能夠根據(jù)提示進(jìn)行操作，程序設(shè)計(jì)邏輯如圖5所示。

3" 結(jié)" 論

本文將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到心電監(jiān)護(hù)儀的仿真之中，成功地構(gòu)建了心電監(jiān)護(hù)儀虛擬仿真系統(tǒng)，通過對仿真關(guān)鍵技術(shù)的研究及特色化設(shè)計(jì)，提升了仿真的逼真度，增強(qiáng)了操作的沉浸感，有效地控制了渲染資源的消耗。本仿真系統(tǒng)能夠在PC端、移動(dòng)端和桌面式AR終端上穩(wěn)定運(yùn)行，渲染效果好，功能簡潔明了，能夠有效地解決醫(yī)護(hù)類專業(yè)在該環(huán)節(jié)存在的實(shí)踐教學(xué)問題，但由于缺少考核模塊，不利于對學(xué)習(xí)效果進(jìn)行及時(shí)的評價(jià)和反饋，在未來的研究中，將會在原系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，擴(kuò)充考核模塊以及與VR類設(shè)備進(jìn)行對接。

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作者簡介：張志雄（1989.08—），男，漢族，湖北武漢人，助理工程師，本科，研究方向：生物醫(yī)學(xué)工程；通訊作者：項(xiàng)朝陽（1965.04—），男，漢族，廣東廣州人，教授，碩士研究生，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用。