心电监护仪虚拟仿真系统的设计与开发

2024-12-31张志雄项朝阳乔樑段丹萍钟瑜

现代信息科技 2024年12期

摘" 要：针对医护类专业实践教学中存在的难题，基于虚拟现实技术开发了心电监护仪虚拟仿真系统，系统包含设备认识、仿真操作和专项学习三个模块。文章描述了软件系统结构和各模块的设计目标、需求与功能，同时，对场景渲染资源控制、多摄影机设置与使用、交互触发与UI的实现、动画的实现、操作进程与逻辑控制等虚拟仿真的关键技术进行研究和特色化设计。系统运行稳定，渲染效果好，可有效辅助医护类专业的实践教学。

关键词：虚拟现实；仿真；心电监护仪

中图分类号：TP311" 文献标识码：A" 文章编号：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

心电监护仪是医院常用的精密医学仪器，能同时监护病人的心电图形、呼吸、体温、血压、血氧饱和度、脉率等生理参数，具有心电信息的采集、存储、智能分析预警等功能，通过该设备，可实现动态观察病情，提供可靠的有价值的心电活动指标，对于心电活动异常的患者，如急性心肌梗死、各种心律失常等，有着重要使用价值，是急危重症护理课程的重点内容。然而，由于设备成本较高，各医护类院校无法提供大量的设备供学生实践练习，对该内容操作技能的学习造成不利影响，因此，设计和开发心电监护仪虚拟仿真系统，对化解医护类专业该实践教学难题，提升医护类学生的职业能力具有重要意义。

近年来，国内外关于虚拟现实技术在各种领域应用的研究很多。文献[1]基于虚拟现实的机电仿真技术建立虚拟现实场景，与姿态捕捉系统、头戴显示器等虚拟现实设备连接，实现不同视角观测，模拟随动跟踪监视与实景漫游。文献[2]对不同类型虚拟现实系统在医学教育中的应用进行系统分析，并以VOVID-19临床诊疗为例进行设计，为医疗教育培训工作者提供参考。文献[3]开发了带有虚拟现实特征的车床教学系统软件，提出了虚拟车床开发的一般流程，阐述了矫正图像的立面分割技术。文献[4]将现代工业化流水线与月饼制作工艺相结合，设计了一种基于虚拟现实的月饼生产全流程数字化仿真系统。文献[5]介绍了使用虚拟现实技术，搭建一套完整的电力系统培训仿真软件的方法与手段。文献[6]介绍了基于Windows的CT、MRT仿真操作系统的研发和应用，但无法同时表现显示器、键盘、病人床、机架及机架操作键盘上各种状态灯、数字仪表和影像的状态。文献[7]基于Unity3D引擎开发集成海上作业测试功能以及培训功能的虚拟仿真测试软件，并通过虚拟交互设备实现立体显示和人机交互。文献[8]将表面肌电信号处理技术与虚拟现实技术结合，在Android平台上设计并实现了一种具有人机交互功能的便携式康复训练系统。文献[9]为使驾驶员能够识别出航道中存在的危险隐患，利用虚拟现实技术构建航行环境仿真系统，为船舶安全航行提供了技术支撑。文献[10]构建矿井工作面矿压显现仿真系统，通过场景漫游与交互控制技术实现矿井综采工作面矿压显现操作。纵观近10年的同类研究，尚未发现针对心电监护仪的3D虚拟仿真研究，也没看到基于心电监护仪虚拟仿真系统的教学应用。

文章叙述了本软件系统的结构，以及各模块的设计目标、需求与功能，同时，对场景渲染资源控制、多摄影机设置与使用、交互触发与UI的实现、动画的实现、操作进程与逻辑控制等虚拟仿真的关键技术进行研究和特色化设计[11]，该系统将应用于医护类相关专业的教学和培训领域。

1" 系统设计

1.1" 系统结构与目标

该软件包含设备认识、设备操作和专项学习3个模块，如图1所示，通过设备认识模块，可了解电监护仪的结构、常用配置、按钮和配件的名称与功能；通过设备操作模块，可根据仿真心电监护仪标准操作规程进行仿真操作；通过专项学习模块，可学习心电监护仪安放过程中的特别注意事项和电极安放方式，模拟设备使用过程中常见故障，并学习常见故障的排除方法。

1.2" 需求与功能分析

1.2.1" 设备认识模块

该模块为入门模块，在场景中设置心电监护仪和使用中所需配件的3D模型，屏幕UI设计“放大查看”“屏幕显示”等按钮，学习者拖动鼠标或手指在屏幕上滑动（移动终端），可对场景进行3D查看；点击标志位，可显示相关知识点。通过该模块，学习者可了解心电监护仪的结构和常用配件，熟悉心电监护仪按钮、接口的名称、功能和含义，如表1所示。

1.2.2" 设备操作模块

通过该模块，学习者可按照标准操作规程进行仿真实践操作。按照三甲医院的布局和工作规范，模块设计治疗室和病房两个虚拟场景。虚拟治疗室如图2所示，其设计有医疗用物专用存储柜、药用存储冰箱、物品车、隔离牌、护士模拟人等设施，在治疗室可模拟完成器械和相关用物准备等操作，准备工作完成后切换至病房场景，虚拟病房设计有模块病人、病床、吊桥、床旁呼叫铃等设施，以及当前步骤的文字和操作提示点，方便学习者在虚拟场景中进行心电监护仪安放的仿真操作。

1.2.3nbsp; 专项学习模块

通过该模块可针对重要知识点进行专项学习和训练，在屏幕左上角设计“导联连接”“故障模拟”“注意事项”3个按钮，可分别进入相应的学习和训练模式。图3为“导联连接”模式，根据提示的电极名称选择正确的导联电极，并将所选电极安放至人体正确位置，当3次操作错误，将显示蓝色旋转光环提示交互操作位置；在“故障模拟”模式，点击蓝色旋转光环，模拟电极和血氧探头的脱落，根据心电监护仪屏幕提示，可模拟故障排除；在“注意事项”模式，可学习安放导联电极、血压袖带和血氧饱和度探头等的相关注意事项。

2" 系统关键技术

软件设计考虑兼容PC端、移动端和桌面式AR设备，兼顾场景的逼真度和浸染资源的消耗，虚拟场景里设有多台摄像机，可提升交互性和沉浸感。

2.1" 场景渲染资源控制

常规情况下，要提升仿真逼真度与操作沉浸感，势必要增加贴图量和贴图精度，但这会导致渲染复杂度的提升，消耗大量的计算机资源，影响程序运行的流畅性，因而，当提升仿真逼真度时，场景渲染资源的控制就显得尤其重要。在本系统虚拟场景的仿真中，采用以下技术用于解决场景渲染资源的控制问题：

1）适当调整模型贴图大小，根据模型在场景里的占比和重要性合理调整贴图的大小，在兼顾模型显示清晰度的前提下，尽可能降低贴图的像素。

2）合理控制模型的个数和总面数，降低GPU的渲染压力。

3）简化碰撞体的形状和复杂性，对于部分复杂度较高的模型，使用简单模型的碰撞体加以覆盖，由于简单模型无须渲染，既不影响美观也不影响碰撞检测，从程序的实际运行结果来看，该方法显著地提升了程序的运行效率，也有效解决了复杂碰撞检测时的“卡死”问题。

4）合理设置虚拟场景的灯光和阴影，尽可能减少实时光源的数量，在多光源场景，仅选择一个光源设置阴影。

5）对虚拟场景进行烘焙。

2.2" 多摄影机设置与使用

为充分表现虚拟场景结构与工作状态，构建良好的人机交互界面，场景中设计了多个摄影机位。例如在图4所示的虚拟病房中，设计一台主摄影机置于病房前上方，该机位作为主机位，也是初始机位，以第一人称的角度同时查看病人、病床、吊桥、心电监护仪和病房相关附属设施。其余两台摄影机分别用于特写，来表现心电监护仪和监护仪屏幕。此外再设一台画中画摄影机，置于屏幕右下角位置，该摄像机与主摄影机配合使用，在查看病房全景的同时，可将监护仪信息放大呈现，即便使用手机操作也能清晰全面地查看场景的所有信息。

运用父子级运动控制技术，主摄影机设置为当操作者拖动鼠标或手指在屏幕上滑动（移动终端）时，实现盯住目标的3D环绕查看。首先调节主摄影机的Position、Rotation和Field of View参数值，确保查看目标大小及透视效果合适，新建空物体，并将该空物体移至待查看目标的中心位置，再将主摄影机挂到空物体下与空物体建立“父子”关系，最后将控制旋转的代码挂到空物体上，即实现盯住目标的3D环绕查看功能。

2.3" 交互触发与UI的实现

本场景的交互触发通过在虚拟场景设置碰撞体和在屏幕上设置幕布按钮两种方式实现。

对于前者，在3D虚拟场景里的触发位置设置碰撞体，并将主摄影机的Tag参数设置为MainCamera，并通过如下代码实现，当鼠标左键按下时，只要摄影机发出的射线触碰碰撞体，即将所触碰的碰撞体名称传递至oname变量。

if（Input.GetMouseButtonDown（0））{

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

RaycastHithitinfo;

if（Physics.Raycast（ray，outhitinfo））

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

}

对于后者，需要添加幕布和按钮，并在按钮上挂载以下代码实现，当触发按钮时，执行事件或传递变量。

publicvoidOnClickName（）

{ SceneManager.LoadScene（\"Main\"）;//执行事件或传递变量 }

2.4" 动画的实现

本系统内的动画主要包含3D物体的移动和旋转、监护仪屏幕界面的改变、摄影机镜头的切换等。3D物体的移动和旋转主要以两种方式实现：

1）在C#代码的Update里，通过Transform组件控制游戏对象在虚拟场景中的位置、旋转和大小比例。

2）通过Unity动画系统制作3D动画，然后通过代码调用和播放。对于监护仪屏幕界面的改变，通过ScreenShow.GetComponentlt;Renderergt;（）.material.mainTexture = Screentexture[No]改变监护仪屏幕的材质来实现。摄影机镜头的切换和物理对象的显示和消失，则是通过gameObject.SetActive（true）来控制和实现。

2.5" 操作进程与逻辑控制

在仿真操作模块，学习者遵照标准的操作规程按步骤进行仿真操作，要求严格按顺序执行。为实现该功能，在虚拟场景里为所有步骤的触发点都设置了相应的碰撞体，将第一个步骤的碰撞体设为激活状态，其余步骤的碰撞体设为非激活状态，并通过以下代码将当前碰撞体激活状态关闭，将下一步骤碰撞体激活状态打开，以此来实现操作步骤按顺序执行。

if （StepNo ==0 ）{

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

Transform组件控制或动画播放调用代码;

}

在专项学习模块的电极安放模式，当操作正确时，呈现成功音效和动画。当操作错误时有两种情况：一是出错次数不超过3次，此时仅播放出错音效。二是出错次数超过3次，此时播放出错音效的同时提示正确的操作位置，使学习者能够根据提示进行操作，程序设计逻辑如图5所示。

3" 结" 论

本文将虚拟现实技术应用到心电监护仪的仿真之中，成功地构建了心电监护仪虚拟仿真系统，通过对仿真关键技术的研究及特色化设计，提升了仿真的逼真度，增强了操作的沉浸感，有效地控制了渲染资源的消耗。本仿真系统能够在PC端、移动端和桌面式AR终端上稳定运行，渲染效果好，功能简洁明了，能够有效地解决医护类专业在该环节存在的实践教学问题，但由于缺少考核模块，不利于对学习效果进行及时的评价和反馈，在未来的研究中，将会在原系统的基础上，扩充考核模块以及与VR类设备进行对接。

参考文献：

[1] 苏琪.基于虚拟现实的机电作业仿真系统的研究和实现方法 [J].现代制造技术与装备，2021，57（9）：24-26.

[2] 张文利，陈晨，王岳，等.基于虚拟现实的医学教育应用与设计研究 [J].中国教育技术装备，2023（5）：36-39.

[3] 蔡宝，石坤举，朱文华.基于虚拟现实技术的车床仿真系统 [J].计算机系统应用，2018，27（5）：86-90.

[4] 张婧，林畅，李娟莉.基于虚拟现实的月饼生产数字化仿真系统 [J].现代制造技术与装备，2023，59（1）：179-182.

[5] 陈伟，方琪，平原，等.Quest3D在电力系统仿真培训中的应用 [J].水电能源科学，2013，31（1）：223-225.

[6] 汪百真，俞曼华，张俊祥，等.CT、MRI仿真操作系统的研发及在实验教学中的应用 [J].蚌埠医学院学报，2013，38（2）：219-220.

[7] 马强，安维峥，柳依何，等.基于虚拟现实技术的水下生产系统虚拟仿真系统研究 [J].电子设计工程，2021，29（23）：16-19+24.

[8] 王洪，赵翠莲，范志坚，等.Android平台上肌电虚拟训练系统设计与实现 [J].计算机工程与设计，2015，36（7）：1966-1970+1980.

[9] 李玉霞，王辉. 基于虚拟现实技术的水下生产系统虚拟仿真系统研究 [J].舰船科学技术，2022，3（5）：126-129.

[10] 张光磊，张登崤，程海星.基于虚拟现实技术的矿井综采工作面矿压显现仿真系统 [J].能源与环保，2022，44（11）：193-198.

[11] 李晶.基于虚拟现实技术的羽毛球仿真系统的设计与研究 [J].现代信息科技，2020，4（9）：94-95+98.