基于VR技术的外科护理学手术室仿真实验研究

■吴兰兰

（海南科技职业大学国际护理学院,海南 海口 571126）

《外科护理学》是护理专业的核心课程之一，主要研究和阐述对外科疾病病人整体护理的理论讲解及实训操作技术[1]。本课程是一门实践性很强的应用性学科，学习外科护理学必须遵循理论与实践相结合的原则。外科护理学的实践内容主要以外科手术操作为中心，包括术前准备、术中操作配合、术后康复护理等内容。在传统的实践教学过程中，学生主要是作为听众，以接受知识为主，缺少直接面对患者的操作体验，对知识的掌握出现“盲人摸象”现象。

教学内容是灵魂，现代教学技术是手段，只有将现代教学技术有效地运用到现代教学中，才能提升教学效果，提高教与学的效率。虚拟现实(virtual reality,简称VR)技术作为一种新型现代教学技术，可以利用计算机、传感器技术和图形成像技术生成一种模拟环境，使受教者通过虚拟环境来感受真实的实训操作环境[2]。VR技术在外科护理学手术室实验中的应用，可以模拟真实手术室环境，节约实训室成本和耗材损耗；激发学生学习兴趣和自主学习动力；提升教师教育教学能力和运用现代化技术的能力。整个授课过程在兴趣中进行，在游戏中开展。本文将从项目设计理论策略、项目设计过程、VR虚拟手术室的构建和进行阐述。

一、项目设计理论策略

VR技术是利用计算机技术、多种传感器技术以及各种图形成像软件来组成的一种现代化教育教学技术，为受众对象构建3D虚拟场景[3]，并能让受众对象与虚拟世界中的各种场景产生交互。整个虚拟环境与真实环境高度吻合，真实性强；整个过程在游戏中进行，趣味性强；受众者充分融入虚拟环境，沉浸感强。本课题由本校护理学院、海南医学院附属医院、北京丰源智通科技有限公司、北京镭嘉科技公司组成课题组，旨在研发基于VR技术的外科手术室虚拟实验室。

本课题设计思路如下：（1）搜集教学资料：整理护理专业人才培养方案、外科护理学教学大纲、教师授课教案、PPT课件、相关参考文献等，并深入临床医院外科手术室搜集与实验教学相关的手术视频资料、手术室图片资源等。（2）应用VR相关技术[4]：本研究构建一个从术前外科刷手，到穿手术衣、戴手套，最后由多人协同完成阑尾手术切除的VR手术室虚拟环境构建。需要用到多种VR相关技术和设备来构建VR虚拟沉浸式体验场景，如Unity3D、Kinect光学设备等。（3）成果应用:通过问卷调查、理论考试成绩、技能考核成绩、评判性思维能力测评等方法，对其应用效果进行评价、论证、反思。

本项目设计内容：基于虚拟现实（VR）技术，研究设计并开发虚拟现实手术室以及相关外科护理学手术室实验项目，实现学生通过VR智能体感设备进入设计的虚拟手术室中，身临其境地进行手术操作实验。根据外科护理学手术室实验中外科刷手、穿手术衣、戴手套、消毒铺巾、手术过程中多人协同操作等内容，进行开发设计[5]。

二、外科护理学手术室实验项目设计

外科护理学手术室仿真实验项目主要在虚拟的开放式刷手间、手术室内走廊和外科手术室等3个操作空间完成[6]，设计的手术室实验项目主要有：外科刷手、穿无菌手术衣与戴手套、消毒铺巾、外科手术操作配合等。以消毒铺巾项目为例，具体设计流程如下：

（1）第一部分为演示学习场景。在此场景内把本次实验项目进行要点展示，学生在三维虚拟环境中先进行观看，了解本次实验项目的重点内容和相关知识。

（2）第二部分为提示场景。学生进行外科刷手完毕进入虚拟的外科手术室，操控面板提示“请您进行消毒铺巾操作”。点击文本消失，进入下一个操作场景。

（3）第三部分为虚拟实验用物选择场景。学生根据目前的任务提示选择合适的实验用物，如碘伏棉球、换药碗、卵圆钳、布巾钳、手术治疗巾、手术中单、手术剖腹单等。如果学生在操作过程中间选错用物系统将给予提示。

（4）第四部分为实验操作场景。学生在虚拟的患者身上进行具体实验操作，包括手术切口选择定位、用卵圆钳夹持碘伏棉球对手术区域进行从上向下、由中心到四周、单方向叠瓦状消毒、依次铺手术治疗巾、中单、剖腹单等。在此操作过程中间，系统可根据学生的操作步骤判断其操作是否规范正确。如果有错误操作或者遗漏动作，系统将会给予提示。

（5）第五部分为综合考核评价场景。学生完成操作以后，系统会根据学生的操作情况进行综合评价考核。如果整个操作步骤连续规范，没有明显误差，将提示操作通过。如果操作未通过，系统将列出具体的错误之处，并告知正确答案。提示面板提示是否需要重新进行操作训练，让学生可以反复练习，增加操作的熟练性，直到学生完全掌握该项操作。

三、外科护理学手术室虚拟实训环境构建

外科护理学手术实验室虚拟实训环境的构建包含VR虚拟手术室、VR虚拟模型和VR虚拟沉浸式交互实训环境三个部分的构建。

（一）VR虚拟手术室的构建

外科护理学虚拟手术室虚拟空间主要包括手术室内走廊、开放式刷手间和外科手术室等3个操作空间，主要依据临床手术室实景图片、手术操作录像、教学图片等基础数据创建编写脚本，在空间的描述上主要有空间类型、空间描述、空间大小、是否位移、空间动线、空间动线描述、场景布置、避让物、避让条件、避让要求、禁行区域、可通行区域等方面[5]。尤其是场景布置要点较多，脚本书写详尽，才能通过电脑构建更加逼真的空间环境，让学生有身临其境的感觉，增加角色体验感，提高实际操作练习的效果。

（二）VR虚拟模型构建

学生进入虚拟空间之后，需要在该空间内根据手术室实验项目选择相对应的操作物品，这就是虚拟模型的创建。如外科手术操作配合实验需要的虚拟模型主要有：手术刀、手术剪、手术镊、泡镊桶、止血钳、卵圆钳、布巾钳、组织钳、阑尾钳、手术纱布等。为增强实验的真实感，创建模型脚本主要从物品类型、物品名称、型号、物品数量、物品位置、组合逻辑、时间逻辑、变形、是否连通、是否穿戴等方面进行描写。最后，利用Unity模型技术对物品的外观、大小、色彩和与实物的比例进行纹理映射和渲染，让学生使用起来更具真实感。

（三）VR虚拟沉浸式交互实训环境的构建

基于VR技术的外科护理学手术室仿真实验可以使学生脱离枯燥乏味的技能训练，自主选择角色并体验到角色价值，“以虚补实、虚实结合”，激发其学习的兴趣。主要采用以下相关技术：（1）开发平台采用目前在VR领域主流的开发引擎。通过Unity3D的作用对三维视频、模型、动画等内容进行编辑制作，产出相关的VR内容等等。（2）全景拍摄。这是目前虚拟场景构建成本最低的方式，也是VR视频拍摄方式。利用全景摄像机拍摄影片，经过后期制作后，即可在VR场景中进行观看，制作周期较快。（3）在交互功能的实现方面，采用Kinect这样的光学设备进行动作捕捉、虚拟现实手柄作为动作反馈，然后加入语音交互功能，使沉浸式的交互体验更加自然。

四、结论

基于VR技术的外科护理学手术室仿真实验在我校护理专业2019级学生中应用，并与传统实验室教学进行对比实验，通过对实验结果的收集分析验证，基于VR技术的外科护理学手术室仿真实验将传统的以教师为主导、以教促学的实验教学模式转变为以学生为主体、通过VR技术进行角色体验的沉浸式交互学习模式。当然VR技术构建的虚拟实验室并不能完全代替传统的实验实训室，整个过程的实施，需要在教学大纲和教学内容的指引下，适时运用VR技术。只有将VR技术和传统教学有机结合，形成“临床理论教学＋模型辅助演示＋虚拟现实仿真”的三维立体实验教学体系才能培养出实践能力强，临床思维能力缜密的高素质护理人才。