基于Unity 3D的病人病情虛擬仿真診斷模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：隨著科技的持續(xù)發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。VR技術(shù)給醫(yī)生和患者帶來(lái)了前所未有的體驗(yàn)，可以幫助醫(yī)生進(jìn)行病人病情診斷。文中基于Unity 3D技術(shù)創(chuàng)建了一個(gè)逼真的醫(yī)療診斷虛擬環(huán)境，醫(yī)生可以在該虛擬環(huán)境中模擬診斷病人的病情，從而在正式給出診斷結(jié)論前能夠更細(xì)致地了解病人的病情，進(jìn)而做出更準(zhǔn)確的診斷。該系統(tǒng)的應(yīng)用將有助于提高醫(yī)生醫(yī)療服務(wù)的質(zhì)量和效率，降低醫(yī)院的醫(yī)療成本，同時(shí)也能為患者提供更好的就診體驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）；Unity 3D技術(shù)；醫(yī)療診斷；虛擬醫(yī)療環(huán)境；虛擬診室；沉浸式學(xué)習(xí)

中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）07-0-03

0 引 言

隨著科技的持續(xù)發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，并且擁有廣闊的應(yīng)用前景。為了提高醫(yī)生醫(yī)療服務(wù)的質(zhì)量和效率，降低醫(yī)院的醫(yī)療成本，本文基于Unity 3D技術(shù)構(gòu)建了病人病情虛擬仿真診斷模擬系統(tǒng)，借助計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)建了逼真的虛擬醫(yī)療環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)醫(yī)療建筑、實(shí)地地形和周圍環(huán)境的虛擬化和數(shù)字化[1]。該系統(tǒng)不僅為用戶賦予了強(qiáng)大的交互性和沉浸感，而且可以全方位地觀察、操作和訪問(wèn)虛擬醫(yī)療中的實(shí)體，甚至可以進(jìn)入部分建筑物內(nèi)部觀察。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以其獨(dú)特的存在感、交互性、自主性和想象性，在醫(yī)療領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，為醫(yī)院樹立了現(xiàn)代化、技術(shù)化的形象，推動(dòng)了醫(yī)院知名度的提升和管理水平的發(fā)展。

1 研究?jī)?nèi)容

基于Unity 3D的病人病情虛擬仿真診斷模擬與監(jiān)控漫游系統(tǒng)，是一種通過(guò)Unity 3D這款強(qiáng)大的3D可視化引擎開發(fā)的醫(yī)療輔助工具。該系統(tǒng)主要用于模擬病人的病情變化，幫助醫(yī)生或醫(yī)護(hù)人員更好地了解病人的狀況并進(jìn)行相應(yīng)的診斷。同時(shí)，它還具有監(jiān)控功能，可以實(shí)時(shí)觀察醫(yī)院情況，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理任何可能存在的問(wèn)題。除了診斷和治療功能外，這個(gè)系統(tǒng)還有一個(gè)重要的特點(diǎn)就是它的漫游功能。通過(guò)這個(gè)功能，患者可以像在真實(shí)環(huán)境中一樣，自由地移動(dòng)和觀察，可以幫助患者找到需要的診室，避免迷路[2]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

結(jié)合漫游需求和診斷訓(xùn)練的要求，系統(tǒng)的開發(fā)與建設(shè)總體以新醫(yī)科特色、新診療理念、新技術(shù)前沿為導(dǎo)向，將平臺(tái)劃分為場(chǎng)景漫游、設(shè)備認(rèn)知、理論知識(shí)和操作模擬四大功能模塊。其基本功能實(shí)現(xiàn)如圖1所示。

（1）場(chǎng)景漫游模塊：該模塊使用戶獲得了在虛擬醫(yī)療環(huán)境中自由移動(dòng)的體驗(yàn)，以便高效尋找診室、衛(wèi)生間等目標(biāo)區(qū)域，并可觀察、熟悉醫(yī)療設(shè)備[3]。此模塊亦可為實(shí)習(xí)醫(yī)護(hù)人員提供一個(gè)沉浸式的學(xué)習(xí)環(huán)境，使他們能夠更好地了解醫(yī)院的布局和設(shè)備位置，以提高工作效率和應(yīng)對(duì)突發(fā)情況的能力。

用戶可以通過(guò)使用虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，如頭戴式顯示器和手柄控制器，進(jìn)入虛擬醫(yī)療環(huán)境。在這個(gè)虛擬環(huán)境中，用戶通過(guò)手柄控制器移動(dòng)角色，即可實(shí)現(xiàn)自由漫游。用戶可以沿著走廊行走，進(jìn)入不同的診室，觀察各種醫(yī)療設(shè)備的布置和功能。這種沉浸式的體驗(yàn)?zāi)軌蚴贯t(yī)護(hù)人員更加直觀地了解醫(yī)院環(huán)境，提高他們的空間感知能力和應(yīng)變能力。通過(guò)場(chǎng)景漫游模塊，醫(yī)護(hù)人員可以在安全的環(huán)境中進(jìn)行實(shí)踐探索，積累豐富經(jīng)驗(yàn)，為日常工作中應(yīng)對(duì)突發(fā)情況做好準(zhǔn)備。

（2）設(shè)備認(rèn)知模塊：該模塊旨在幫助醫(yī)護(hù)人員學(xué)習(xí)和了解各種醫(yī)療設(shè)備的功能、用途以及操作方法，從而增強(qiáng)他們對(duì)設(shè)備的熟悉度和應(yīng)用能力?，F(xiàn)代醫(yī)療設(shè)備種類繁多，功能復(fù)雜，對(duì)醫(yī)護(hù)人員的操作技能和認(rèn)知水平也有了更高的要求。因此，通過(guò)設(shè)備認(rèn)知模塊的學(xué)習(xí)是非常有必要的。

在設(shè)備認(rèn)知模塊中，用戶可以學(xué)習(xí)各種醫(yī)療設(shè)備的基本知識(shí)，包括設(shè)備的名稱、功能、使用方法以及維護(hù)保養(yǎng)等方面的內(nèi)容。通過(guò)交互式的學(xué)習(xí)方式，用戶可以通過(guò)文字、圖像、視頻等多種形式了解設(shè)備的相關(guān)信息，并進(jìn)行模擬操作和實(shí)踐練習(xí)。譬如，用戶可以快速熟知各種醫(yī)療影像設(shè)備的原理和操作方法，了解X射線機(jī)、CT掃描儀、MRI設(shè)備的工作原理和使用技巧，以及各種監(jiān)護(hù)儀器的使用方法和注意事項(xiàng)，包括心電監(jiān)護(hù)儀、血壓監(jiān)測(cè)儀、呼吸機(jī)等。通過(guò)對(duì)這些內(nèi)容的學(xué)習(xí)，醫(yī)護(hù)人員可以更好地應(yīng)對(duì)臨床工作中的各種情況，提高對(duì)患者的監(jiān)護(hù)和治療水平。設(shè)備認(rèn)知模塊為醫(yī)護(hù)人員提供了一個(gè)系統(tǒng)化的學(xué)習(xí)平臺(tái)，能夠幫助他們更好地掌握和運(yùn)用醫(yī)療設(shè)備，提高工作效率和診療質(zhì)量，為患者提供更加優(yōu)質(zhì)的醫(yī)療服務(wù)。同時(shí)，患者也可以通過(guò)此模塊了解醫(yī)療設(shè)備的使用方法和操作要點(diǎn)，增強(qiáng)對(duì)治療過(guò)程的理解和配合，從而更好地參與治療過(guò)程，提高治療效果和與醫(yī)患溝通的質(zhì)量。

（3）理論知識(shí)模塊：該模塊在醫(yī)護(hù)人員提升專業(yè)水平和知識(shí)儲(chǔ)備方面扮演著重要角色。其價(jià)值不僅僅在于提高醫(yī)護(hù)人員個(gè)人的學(xué)習(xí)能力，更在于向患者進(jìn)行醫(yī)學(xué)知識(shí)的科普和教育。通過(guò)這個(gè)模塊，醫(yī)護(hù)人員得以獲取醫(yī)學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)平臺(tái)，包括診斷標(biāo)準(zhǔn)、病理生理知識(shí)、醫(yī)學(xué)影像學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域，從而加深對(duì)疾病的理解，提高臨床診療能力。

在理論知識(shí)模塊中，用戶可以根據(jù)個(gè)人興趣和學(xué)習(xí)需求選擇相關(guān)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域或具體課題進(jìn)行學(xué)習(xí)。系統(tǒng)提供了豐富多樣的學(xué)習(xí)資源，包括文字資料、圖表、案例分析、視頻課程等形式。醫(yī)護(hù)人員能夠依據(jù)自身學(xué)習(xí)進(jìn)度和偏好，進(jìn)行個(gè)性化的學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)效率。舉例來(lái)說(shuō)，醫(yī)護(hù)人員可以學(xué)習(xí)常見(jiàn)疾病的診斷標(biāo)準(zhǔn)和治療方案，深入了解疾病的病理生理機(jī)制和臨床表現(xiàn)特點(diǎn)。同時(shí)，他們還可以學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)影像學(xué)的基本知識(shí)，包括X射線、CT、MRI等影像檢查的原理和解讀方法。通過(guò)理論知識(shí)模塊的學(xué)習(xí)，醫(yī)護(hù)人員能夠提高對(duì)疾病的認(rèn)識(shí)和診斷能力，為患者提供更加精準(zhǔn)和有效的治療方案。

（4）操作模擬模塊：醫(yī)護(hù)人員使用此模塊可以模擬醫(yī)療操作場(chǎng)景，如手術(shù)操作、急救處理等。此模塊的設(shè)計(jì)旨在讓醫(yī)護(hù)人員在安全的虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)踐操作，增強(qiáng)其對(duì)各種醫(yī)療情況的處理能力，從而提高其應(yīng)急處理能力和技能水平。

在操作模擬模塊中，醫(yī)護(hù)人員可以選擇不同的醫(yī)療場(chǎng)景進(jìn)行模擬操作。系統(tǒng)會(huì)提供各種臨床案例，涵蓋了常見(jiàn)的醫(yī)療情況和急救場(chǎng)景。用戶可以根據(jù)自己的需求和學(xué)習(xí)目標(biāo)，選擇適合的模擬場(chǎng)景進(jìn)行訓(xùn)練。模擬操作包括手術(shù)操作、病情評(píng)估、藥物給藥、器械使用等多個(gè)方面，能夠幫助醫(yī)護(hù)人員全面掌握醫(yī)療操作技能。對(duì)于這樣的實(shí)戰(zhàn)演練，醫(yī)護(hù)人員可以進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練，并從中積累經(jīng)驗(yàn)，熟練掌握各種操作技能。這種實(shí)踐性的學(xué)習(xí)方式不僅能有效提高醫(yī)護(hù)人員的應(yīng)急處理能力和工作效率，還能為日常臨床工作提供更加可靠的支持。

2.2 硬件模塊的設(shè)計(jì)與選型

在設(shè)計(jì)和選擇硬件模塊時(shí)，需要考慮用戶體驗(yàn)、功能需求以及技術(shù)支持等多個(gè)方面。常見(jiàn)的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備包括頭戴式顯示器（VR Headsets）和手柄控制器等。頭戴式顯示器簡(jiǎn)稱VR頭顯或VR眼鏡，旨在提供沉浸式的虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)。這種顯示器通常由高分辨率的屏幕、傳感器、透鏡和調(diào)整帶組成。用戶可以通過(guò)戴上這種設(shè)備，并將其覆蓋在眼睛前方，體驗(yàn)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境。頭戴式顯示器的工作原理是通過(guò)顯示器顯示圖像，并通過(guò)透鏡將圖像投影到用戶的眼睛上，從而產(chǎn)生立體感。傳感器會(huì)感知用戶的頭部運(yùn)動(dòng)，并相應(yīng)地調(diào)整顯示圖像，使用戶感覺(jué)自己處于一個(gè)虛擬的三維環(huán)境中[4]。耳機(jī)系統(tǒng)則提供了環(huán)繞聲音，增強(qiáng)了沉浸感。這種設(shè)備通常用于游戲、教育、醫(yī)療和培訓(xùn)等虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用程序領(lǐng)域。本文選取HP Reverb G2型號(hào)的頭戴式顯示器作為硬件。

2.3 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)階段，Unity 3D是一個(gè)理想的選擇，因?yàn)樗且豢罟δ軓?qiáng)大的跨平臺(tái)游戲開發(fā)引擎，同時(shí)也適用于虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）應(yīng)用程序的開發(fā)[5]。本文使用Unity 3D進(jìn)行場(chǎng)景建模。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的開端需導(dǎo)入各種醫(yī)療設(shè)備的3D模型，如X射線機(jī)、CT掃描儀、心電監(jiān)護(hù)儀等。確保這些設(shè)備的模型與實(shí)際設(shè)備盡可能相似，以提供更真實(shí)的體驗(yàn)。接下來(lái)，利用Unity 3D內(nèi)置的物理引擎，模擬醫(yī)療設(shè)備和物體之間的物理交互，如碰撞、運(yùn)動(dòng)等，增強(qiáng)虛擬環(huán)境的真實(shí)感。此外，設(shè)計(jì)清晰簡(jiǎn)潔的用戶界面，包括菜單、操作指南等，是非常必要的[6]。

3 實(shí)現(xiàn)步驟

在Unity 3D中創(chuàng)建一個(gè)病人病情的虛擬仿真診斷模擬系統(tǒng)[7]，具體步驟如下：

（1）使用Unity 3D創(chuàng)建一個(gè)場(chǎng)景，包含病人模型、病情環(huán)境、診斷工具等元素；

（2）導(dǎo)入病人的模型和與病情相關(guān)的材質(zhì)、紋理；

（3）使用腳本控制病人模型的行為表現(xiàn)，例如病情變化、病情模擬等動(dòng)態(tài)過(guò)程；

（4）集成Unity的物理系統(tǒng)，模擬病情可能引發(fā)的物理效果，如物體的跌落、人與人之間碰撞等；

（5）利用Unity的動(dòng)畫系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)病人的病情動(dòng)畫；

（6）添加診斷工具，如X射線機(jī)、B超設(shè)備、血常規(guī)分析儀等，用戶可通過(guò)這些工具來(lái)診斷病情；

（7）設(shè)置診斷結(jié)果，可以以文本顯示、模型狀態(tài)變化等方式將診斷結(jié)果反饋給病人。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的核心代碼如下：

// 病情變化控制腳本

public class DiseaseController ： MonoBehaviour

{

public GameObject patientModel; //病人模型

public Animation patientAnimation; //病人動(dòng)畫

// 病情變化函數(shù)

public void ChangeDiseaseState（）

{

// 病情變化邏輯，例如通過(guò)改變模型的某些部分，或者播放特定的動(dòng)畫片段

patientAnimation.Play（\"DiseaseStateAnimation\"）;

}

}

// 診斷工具腳本

public class DiagnosticTool ： MonoBehaviour

{

public void PerformDiagnosis（）

{

// 執(zhí)行診斷，可能涉及到讀取病人模型的狀態(tài)，或者與診斷結(jié)果相關(guān)的操作

// 輸出診斷結(jié)果

Debug.Log（\"診斷結(jié)果：病人患有某種病情\"）;

}

}

其中DiseaseController用于控制病情變化，Diagnostic Tool用于診斷。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)病情模擬的具體需求，設(shè)計(jì)具體的病情變化邏輯和診斷算法。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于Unity 3D的病人病情虛擬仿真診斷模擬與監(jiān)控漫游系統(tǒng)，該系統(tǒng)的應(yīng)用體現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)療健康領(lǐng)域的巨大潛力[8-10]。該系統(tǒng)不僅為醫(yī)生和醫(yī)學(xué)生提供了無(wú)風(fēng)險(xiǎn)、可重復(fù)的病情診斷和治療訓(xùn)練環(huán)境，同時(shí)也為患者病情的評(píng)估開辟了新的可能性。借助高度仿真的三維模型和交互式界面，用戶可以更加直觀地理解疾病機(jī)制，進(jìn)而提高診斷的準(zhǔn)確性。此外，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能使醫(yī)生可以隨時(shí)了解患者的狀況，以便及時(shí)調(diào)整治療方案。雖然這一想法已取得了顯著進(jìn)展，但仍有許多挑戰(zhàn)。例如，提高仿真精度，增強(qiáng)系統(tǒng)的互動(dòng)性和用戶體驗(yàn)，以及確保數(shù)據(jù)的安全性與隱私性，都是未來(lái)研究和發(fā)展中的關(guān)鍵點(diǎn)。

展望未來(lái)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新，可以預(yù)見(jiàn)這類系統(tǒng)在臨床實(shí)踐中將扮演越來(lái)越重要的角色，會(huì)極大地促進(jìn)醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量的提升和醫(yī)療資源的高效利用。因此，繼續(xù)投入研發(fā)，不斷完善和優(yōu)化此類系統(tǒng)，對(duì)于推動(dòng)醫(yī)療行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

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收稿日期：2024-04-01 修回日期：2024-05-06

基金項(xiàng)目：江蘇省高等學(xué)校基礎(chǔ)科學(xué)（自然科學(xué)）研究項(xiàng)目（22KJ D520011）

作者簡(jiǎn)介：馬振宇（2005—），男，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

曾尉軒（2004—），男，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

趙書涵（2004—），女，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

周 薇（1975—），女，碩士，副教授，研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)加密與分析。