高压蒸汽灭菌实验虚拟仿真教学系统的构建

王国田，羊 扬，张 彪，张又超，朱国强，杜 坤

（1.扬州大学a.实验室与设备管理处；b.兽医学院；c.生物科学与技术学院，江苏扬州 225009；2.扬州大学建筑科学与工程学院，江苏扬州 225127）

0 引言

灭菌技术是高校医学、生物学、兽医学等专业人才培养所要求的必备技能。高压蒸汽灭菌器（以下简称“灭菌器”）是手术器械、培养基、敷料、阳性废弃物等消毒灭菌的最有效的设备，是学生在灭菌实验中经常使用的工具［1］。然而，由于灭菌器是一种压力容器，属于特种设备范畴，在使用过程中会造成高温、高压伤人和容器爆炸等事故发生［2］。局限于国家对特种设备的严格监管和强制性要求，已影响灭菌实验教学的顺利进行。利用虚拟仿真软件构建灭菌器及相关灭菌实验资源，将虚拟现实技术应用到实验教学中，能够有效避免事故发生，适应国家强制性要求，化解实体实验中不可预见的困惑和学习效果低下等问题。

1 灭菌实验教学中存在的问题

灭菌技术课程的理论教学是系统地讲解灭菌机理、灭菌器工作原理等。课程的实验教学主要是学生通过灭菌器操作加深对灭菌器结构和过程危险性认识；通过物理、化学、生物监测方法对物品装载、冷空气排放、饱和蒸汽质量的效果进行验证分析［3-4］。由于灭菌实验过程复杂、涉及内容广泛，实践性要求较强，在实验教学中面临以下问题。

（1）危险性。掌握灭菌技术需要进行重复性操作才能提高，而高压灭菌器具有高温高压危险特性，在频繁使用时势必会增大与之接触的人体可能产生的烫伤、爆炸、污染等事故发生的概率［5-6］。因学生多、设备少，教学过程中难以实现“一对一”指导和师生互动交流，很多学生对灭菌机理领悟不透、操作技能掌握不强，以致事故时有发生，即使要求学生严格按流程操作和提高安全防范，但在实际操作中仍然存在安全阀失灵、排气阀堵塞、密封圈漏汽等各种故障的发生，危险性依然存在。因此，通过重复使用实际设备来提高灭菌技能的难度较大。

（2）不可预见性。因生物学、医学、兽医学等多学科专业的灭菌物品涉及病原菌的复苏、培养、保种、致病菌攻毒保护试验，感染性废弃物处理等较多而又复杂的实验项目［7-8］。灭菌实验中残留空气、饱和蒸汽的形成是学生看不见、摸不着的抽象概念，是不可预见性因素，当学生遇到各种障碍而造成灭菌失败，特别是灭菌不彻底的阳性废弃物若随意抛弃，会对环境构成污染，直接影响人身健康［9］。受不可预见性因素影响，学生对待实验时，因“怕失败、怕担责任”，以至于造成“参与少、受益小”等效率低下的现状。

（3）强制性。根据《特种设备作业人员监督管理办法》有关规定，特种设备作业人员须进行专项培训和考核，取得“特种设备人员作业证”后方可上岗［10］。高校灭菌器使用对象大都为学生，针对“持证上岗”这一强制性条件，高校普遍的做法是委托地方职能部门进行培训，局限于地方机构的培训内容和培训手段单一，很难讲清、讲透高校实验室灭菌器安全使用的特点，因此，学生掌握程度是“一知半解”，其结果还是不能真正做到“学以致用”。虽然部分学生通过强制性培训与考核，取得了作业证，但上岗后仍需高校再次组织针对性复训，所投入的人力、财力较大。

2 高压蒸汽灭菌实验虚拟教学系统设计

2.1 教学单元模块设计

高压蒸汽灭菌实验虚拟仿真教学系统采用模拟真实灭菌实验环境、设备和实验操作流程，避免实体实验时操作高危、耗时等缺陷，采用“四位一体”的方式，将整个理论教学、实验演示、动手操作过程的教学结合，形成有机整体。

（1）线上课堂及理论测评。通过三维模型动画、用户交互界面（UI）以及音频讲解学习课件，包括阐述灭菌机理、灭菌实验设计、消毒技术规范、病原微生物通用准则等知识，介绍特种设备作业人员证书取得的流程等，学生学习后进行基础知识测评，检验认知熟练程度。

（2）高危仪器全视角接触。该模块使学生掌握实验主要设备（以全自动高压蒸汽灭菌器TOMY SX-500为例）的工作原理，熟悉实验设施（试管、夹瓶器、培养皿、培养箱）的辅助作用，体会灭菌物品（敷料包、穿刺包、器械包、培养基、阳性废弃物）的特点和规范要求，通过安全部件的动画展示和人机交互方式来体验高危仪器的危险性。

（3）灭菌实况自动演示。以分段的形式展示固体灭菌和液体灭菌两种操作模式，其中固体灭菌操作分实验准备（设备、门密封、水汽管路、电源等项检查）、设备运行（物品装载、程序选择、温度及时间设置、灭菌运行、物品卸载）和效果验证（化学监测、生物监测）3个阶段11个步骤开展，学生观摩后可以快速理解实验内容和注意事项，为虚拟实验操作做好准备。

（4）模拟场景仿真操作。该模块是虚拟实验系统的核心模块，通过交互使学生深入了解物品装载、灭菌运行、效果验证的规范性操作，直观体验冷空气排放、饱和蒸汽形成的过程，加深理解影响灭菌效果的成因。对于不理解的部分还可以反复操作和体验，同时可以增强实体实验操作技能，为虚实结合的实验教学提供可行方法。

2.2 教学平台设计

教学平台设计包括实验系统与教学系统的内容板块构建，首先是收集灭菌实验3个阶段的各种素材，对于可以直接测量的设备及部件，通过专用工具精确测量得到数据；对于难以直接测量的结构内部，如安全阀、排气阀等，通过设备厂商获得图纸及工艺流程；对于不能测量的形态，如气体变化、颜色变化等，根据相关视频、行业标准规范获得，在资料整理分析的基础上，模型设计主要过程如下［11-12］：

（1）使用3Ds Max对灭菌设备、辅助设备等要素进行三维建模，利用Vary插件对不锈钢材质进行渲染，达到逼真效果。

（2）将3Ds Max资源要素导入Unity3D引擎中，通过Unity3D对虚拟现实的内容进行开发，使用C＃编写相关运行程序，实现系统中设备运行仿真和人机交互；

（3）添加外部控制系统，增加灭菌仿真系统界面UI和控制方式，对系统进行调试和优化，以.FBX格式集成发布，虚拟仿真教学系统构建的主要流程见图1。

图1 高压蒸汽灭菌实验虚拟仿真教学系统流程图

3 虚拟教学系统的实现

在模型、界面及交互设计的基础上，系统实现还要进行贴图、渲染、动画制作和系统测试等过程，其关键技术如下。

3.1 模型及场景优化

Unity3D能创建诸如三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画、虚拟仿真等类型互动内容的多平台的开发引擎，但是一直以来，在画面渲染方面达到Vary的效果，直到2018版本中引入了高清渲染管线（High-Definition Render Pipeline，HDRP）概念，其中高清着色器Lit Shader能使用最少的硬件配置，创建更逼真的材质，达到Vary在3D Max中的效果，并且在光照环境下可以自由展现。本系统在场景中使用了PostProcessing（后期特效）来进一步提升画面的表现力。Post Processing和Timeline、Cinemachine并称Unity3D动画制作三剑客。其中，Post Processing插件用于动画的后期处理，具备抗锯齿、镜面反射、雾化、漫反射等功能，见图2。

图2 Post Processing渲染前后的对比图

3.2 三维动画制作

（1）安全部件演示动作。安全部件包括安全阀、排气阀、压力表3种，其中，安全阀由阀座、阀瓣、弹簧3部分组成，是灭菌器自行减压的保护部件。阀瓣启闭是受压缩弹簧的力作用和平衡，升温前，受外力作用阀瓣处于常闭状态；升温后，灭菌室内的蒸汽压力升高至超出设定的安全压力值时，弹簧作用，阀瓣开启，排放蒸汽，防止容器发生爆炸；卸压后，当灭菌室内的蒸汽压力低于设定压力值时，弹簧自动回位，阀瓣闭合，使灭菌室内的压力始终保持在安全压力之内［13］。

安全部件演示动画制作中，对于比较小的动画，本系统中采用iTween插件进行设计，iTween的核心是数值插值，简单说就是给iTween两个数值（开始值，结束值），它会自动生成一些中间值，如开始值-＞中间值-＞中间值….-＞结束值，以达到过程可控，以安全阀为例，其过压开启和卸压闭合主要采用物体之间的位移，其核心代码为：

其中，变量Pos表示阀瓣可到达的位置，Sec表示到达的时间。

（2）爆炸效果。在Particle System粒子系统中，通过增加粒子的数目及加强粒子间碰撞力度，从而达到模拟压力增高的效果；通过设置爆炸范围半径、给爆炸对象添加刚体模拟爆炸效果。

改变变量有不同效果：其中，Intensity为爆炸强度，R为爆炸半径，本系统中，爆炸对象被定为：安全阀、放气阀、压力表、灭菌室、灭菌器盖、门把手、盖锁机构、控制显示屏等。

3.3 空气排放、蒸汽形成及蒸汽穿透现象

（1）空气排放。空气排放是依据重力置换原理进行模拟，即灭菌室的水被加热后产生蒸汽，但灭菌室内仍存有空气，由于空气的密度大于蒸汽密度，加热后由上往下移动，蒸汽与之相反。空气是由无数的细小的gameobject（带有碰撞体组件）组成，一个gameobject是一个Prefab（预制体），系统初始化的时候形成空气，伪代码如下：

其中，AirPoint是空气点，count是需要生成的空气点的数目，pos［i］是空气点i在腔室的位置坐标。减少空气点的数目，能模拟灭菌室内残留空气量。

由于模拟蒸汽的粒子本身带有碰撞组件，所以和空气点产生碰撞，空气从室壁排气孔排出，从而达到模拟排放冷空气的效果，使学生直观看到冷空气排放的过程，体会冷空气排放的重要性。

（2）蒸汽形成。Unity中的粒子系统（Particle System）可用于制作特效，例如气体、水流、爆炸等效果，在本系统中用来模拟灭菌室内饱和蒸汽的形成过程，当水被加热后，蒸汽从灭菌室底部上升，排出空气，逐渐形成饱和蒸汽，其中蒸汽采用粒子系统，需要设置持续时间（Duration）、延迟发射时间（Start Delay）、初始速度（Start Speed）、初始颜色（Start Color）、粒子数目（Max Particles）、发射器形状（Shape）、发射角度（Angle）和粒子材质（Materials）等参数，其中，Shape ＝Hemisphere，采用半球形状，能更好地模拟蒸汽从底部上升时的状态，其余参数都可以手动设置，学生可以体验各种参数对蒸汽形成的影响，比如蒸汽产生时间、产生速度、颜色（便于观察，真正的蒸汽肉眼无法看见）等，饱和蒸汽是蒸汽中含有最少杂质的气体，是影响灭菌成败的主要因素之一。

（3）蒸汽穿透。蒸汽的穿透力受物品装载方式、方向和位置等因素影响，物品装载不规范就会在灭菌中形成残留空气，影响到灭菌效果［14-16］。

在灭菌物品模型上由外层至里层设置碰撞体Mesh Collider，分别设置不同的阈值，如下所示：

阈值分别为碰撞体上对应的蒸汽点的碰撞数目，如蒸汽点与第1层碰撞体Collider1的碰撞次数达到100，则Collider1失效，此时，蒸汽点与Collider2碰撞，当碰撞次数达到500，则Collider2失效，依次类推，模拟饱和蒸汽的穿透效应。此时如果灭菌室内存在残留空气，势必会影响蒸汽的碰撞次数，从而达到模拟残留空气影响蒸汽穿透能力的过程。

3.4 颜色变化的生成

在规定的灭菌条件（蒸汽饱和温度、持续时间）下，化学、生物指示物会发生颜色变化，如印在化学指示胶带上的指示显色剂条纹就会发生分解，并与助色剂发生反应，使颜色从浅色向深色变化，系统根据指示物颜色的变化进行模拟。

利用Itween插件，调用ColorTo函数实现颜色的变化过程，其核心代码为：

4 虚拟教学系统的应用

4.1 不可见信息预演

不可见信息预演包括安全部件、爆炸效果、空气排放、蒸汽形成、蒸汽穿透等现象的预演操作。以安全阀预演为例，学生进入系统后，点击预演目录“安全阀”，系统就会演示安全阀内部结构、组成、名称及作用，当点击安全阀“压力进度条”（压力进度条范围为0～0.25 MPa，0.25 MPa是安全阀最大允许值）并以拖动的形式进行交互时①观察安全阀内部蒸汽的流动（系统中用红色表示）；②随着拖动数值增大，红色线条在不断加粗，当压力进度拖至高于0.25 MPa值时，安全阀过压开启，卸压后安全阀自动闭合（见图3），使学生直观看到蒸汽作用时安全阀开启和闭合保护功能；③当拖动数值超出0.25 MPa时，安全阀没法打开，处于失效状态，但灭菌室内压力在一直增高（观看到气体的颜色不断加粗和加深），导致灭菌器爆炸，爆炸效果通过点击爆炸范围半径R实现，R越大、效果越明显，表明风险的危害越大。

图3 安全阀仿真演示图

4.2 仿真装置操作

“物品装载”是仿真装置操作的主要环节，以问答的形式实现交互，使学生熟练掌握不同物品的装载方式，避免不当操作直接影响灭菌效果，其操作流程为：点击系统“归类”菜单，弹出“固体”“液体”相对应的“辅料包”“器械包”“培养液”等灭菌物品，由学生选择是“同批次灭菌”“不可同批次灭菌”悬浮窗格，如果学生选择正确，进入“下一步”进行后续操作，同时系统弹出提示文字，说明正确选项的理由（以防止学生蒙对）；若学生选择错误，则弹出提示，文字为题干菜单的描述，以及隐喻出正确选项的知识点，学生浏览后，点击“重新选择”，回到界面从头开始训练。物品装载的步骤为：

（1）归类。包括诊疗包、辅料包、穿刺包、器械包、培养基、搪瓷金属盘、碗、盒装注射器、玻璃瓶、纸袋、纸塑袋、阳性废弃物、瓶装培养液。规范标准：材质相同的培养基、培养液、器械、器具和物品归类到同一批次进行灭菌。

（2）间隙。包与包之间留间隙，利用蒸汽穿透。规范标准：使用专用篮筐转载待灭菌物品，不能叠放、堆放，每个灭菌包之间间隙≥2cm，并且不得接触灭菌舱内壁。

（3）位置。大包放上层、小包放下层；难以灭菌的放上层，容易灭菌的放下层；混合物品灭菌时，辅料包放上层、金属类、器械类即易产生水滴的物品放下层。

（4）方向。器械包、硬式容器应平放；盘、碗、盒的物品应斜放，朝向一致；玻璃瓶等底部无孔的器皿类物品倒立或侧放；纸袋、纸塑袋包装侧放；纺织类物品竖放；方向合理有利于蒸汽进入和冷空气排出。

（5）大小。灭菌包≤30 cm×30 cm×25 cm。

（6）装载量。最大装载量＜容积的80%，最小装载量＞10%；辅料包质量≤5 kg，器械包质量≤7 kg。

（7）设置监测物。包外设灭菌化学指示物，阳性废弃物包内还应放置生物指示物。

（8）标识。注明物品名称、包装者，灭菌编号、物品批次、日期等。

4.3 虚拟灭菌实施

虚拟灭菌实施是解决实体实验中难以进行重复性操作和危险性问题，着重于安全检查、物品装载、关门、灭菌运行等环节的交互。如学生可以通过鼠标左键点击对象（如握住门把手、拾取灭菌篮、取出加热器隔板等）、右键点击（旋转场景视角）、鼠标滚轮移动（拉近拉远视角），结合键盘空格键（如踩下踏板）、TAB键（灭菌室、实验台切换视角）、R键（拧瓶盖）实现旋转、移动、缩放、隐藏、恢复等交互功能。虚拟灭菌实施的流程为：

（1）安全检查。包括压力表处“归零”的位置；灭菌器盖门密封圈平整无损坏、盖门安全联锁灵活；排气、排液出口无障碍物；灭菌室内内壁清洁；电源、水源等运行条件符合要求。

（2）加水。向回收瓶加纯净水至回收瓶最低水位位置。

（3）物品装载（见4.2）。

（4）关上盖门。手持灭菌器盖的把手，往下按至盖门显示灯灭为止。

（5）灭菌运行。①打开电源开关；② 盖上门盖、踩下踏板、按盖门、松开踏板，当连锁灯亮时，显示门盖密封到位；③参数设置：若灭菌物品为器械包，选择固体灭菌程序，设置温度为121℃、灭菌时间为20 min，若灭菌物品是瓶装培养液，选择液体灭菌程序，设置温度为115℃、灭菌时间为30 min；④ 按开始键运行（红灯亮），观察升温、升压、灭菌、降温、降压、恒温、干燥过程状态；⑤ 灭菌结束。蜂鸣器响、压力表指示“0”位置。

（6）开盖卸载。从灭菌器卸载取出的物品，待温度降至室温时才可以移动，冷却时间≥30 min。

（7）信息核对。包括检查灭菌物品标识、监测物清晰、齐全等（见图4）。

图4 虚拟灭菌装置图

4.4 灭菌效果验证

系统设置化学监测（化学指示胶带）和生物监测（嗜热芽孢杆菌片）2个监测模块，监测模块训练的目的使学生加深理解物品装载、冷空气排放、饱和蒸汽质量等因素对灭菌效果的影响［17-18］，测试物品是否经过灭菌和是否彻底灭菌，也是验证实验目的、方法、步骤和结果的方式方法，学生在每一个监测验证训练后，体会灭菌实验正确的操作过程，克服自身的模糊认识、实验偏差和操作不当等。教师通过系统，结合考核手段对教学过程中学生的认知、行为、动作技能等是否得到了发展和进步进行评价，针对学生训练中存在的不足之处，发挥教师督促和纠偏的作用。

（1）化学指示胶带监测。学生点击该菜单后，系统会弹出“诊疗包”“辅料包”“器械包”“培养基”等，由学生选择1个供训练张贴化学指示胶带，若方法错误，系统弹出提示文字，说明不正确的理由；第2步为“虚拟灭菌实施”步骤（见4.3），虚拟灭菌完成后进入第3步监测阶段，系统弹出4个颜色悬浮窗格（浮窗之间有“→”顺序指向），学生每点击1个悬浮窗格，呈现“黄色”“灰色”“黑色”“深黑色”文本框，勾选内容只能选择其中1个，当显色过程为“黄色→灰色→黑色→深黑色”时，说明实验方法和步骤正确，物品灭菌符合条件；若学生选择错误，提示不正确的理由，引导学生重新训练。

（2）嗜热芽孢杆菌片监测。嗜热芽孢杆菌片监测是唯一直接使用生物指示剂对灭菌效果进行评判的方法，它是判断灭菌物品是否达到无菌水平最可靠、最安全的依据，也是灭菌效果评价的金标准［19］。系统以问答形式实现交互操作，其方法和步骤为：①装配。取两个生物试管，内装嗜热脂肪杆菌芽孢生物菌片（ATCC7953）和培养基；② 投放。放置于试验包中心部，并将试验包随被灭菌物品一起放在灭菌室内的排汽口上方；③灭菌。设置参数（121℃、60 min），使灭菌物品（阳性废弃物）运行一个灭菌周期；④夹碎。取出生物试管，专用夹碎工具夹碎试管内的玻璃内胆，让菌片充分浸在培养液内；⑤培养。将生物试管放进培养箱内进行培养，在培养箱控制面板上设置培养参数（培养箱温度56℃、培养时间48～72 h）；⑥ 观察。培养结束后，观察两支试管的颜色变化，当两支试管内培养颜色均不变化，判为灭菌物品的效果合格、有效；若有一支试管培养基由紫色变为黄色，判为灭菌失败，封存物品，查找出失败原因，重新灭菌处理（见图5）。

图5 嗜热芽孢杆菌片监测装置图

5 结语

现代信息技术与高等学校专业培养相结合是未来发展的方向，通过构建高压蒸汽灭菌实验虚拟仿真教学系统，连接、映射、分析、反馈虚拟现实，使学生的认知、行为和情感最大限度地闭环优化和提升，并在应用中取得一定的成效，如我校组织生物学专业300多名学生通过该系统的学习和交互操作后，在参加地方部门“岗前考核”时，一次性通过率达98%，相比之前有明显提高；同时，学生在实体实验中自信心充足，改变过去“做不了”“做不好”等实验项目，学生及教师的满意度较高。当前，在实用效应的推动下，虚拟教学逐步进入课堂教学已成为现实，然而虚拟仿真教学毕竟有别于课堂教学和实验教学之外的新型学科，在注重其解决实验教学难题的同时，还应充分体现“虚实结合，相互补充，能实不虚”的原则，重视育人实践环节，提升实验教学水平。