一种用于鼻胃管操作实训的智能沉浸式教学系统及装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及虚拟现实应用领域，更具体地说，涉及一种用于鼻胃管操作实训的智能沉浸式教学系统及装置。
【背景技术】
[0002]鼻胃管(NGT)是一种在门诊和医院中惯用的标准医疗器械，其放置操作是护理环节中的常见过程。然而，鼻胃管放置是一个不能在人类视觉透视辅助下完成的动作，管体的定位不能直接被裸眼识别，因此由疏忽造成的鼻胃管误插导致的致命医疗事故及并发症时有发生。
[0003]在当前的技术条件下，护理教学中鼻胃管放置通常是在普通课室中利用真人实验对象进行操作实训，而严重的医疗事故是有可能发生在这些真人被实验者身上的，其原因在于上述无视觉透视插管过程中，鼻胃管可能会在不经意间碰撞到除胃部外的其他人体器官，如食道和鼻咽部位，导致纵膈并发症或者肺炎，甚至由于食道及胸腔大血管的穿刺而造成大量出血。
[0004]除却真人实验，采用医用假人模特也是鼻胃管放置训练的一种途径，然而毕竟假人模特不能替代人体解剖学实验，且其缺乏感知触觉，不能模拟患者在插管过程中的生理反应，使得该种训练方法难以在护理学院和医学院的学员中得到有效推广。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述护理学教学过程中真人鼻胃管操作实训可能导致严重医疗事故，而假人模特无法模拟患者生理反应的缺陷，提供一种用于鼻胃管操作实训的智能沉浸式教学系统及方法，该系统基于个人电脑平台上安装的虚拟现实(VR)与智能计算软件以及一套外置的触觉反馈设备，学员通过在系统上完成临床鼻胃管手工放置步骤以实现认知训练，该训练过程中系统根据预置的临床数据划分管体所处的虚拟人体区域，并通过触觉反馈和立体声效向学员模拟患者的生理反应，学员在整个鼻胃管放置过程中的动作将予以量化评估，供学员改进临床操作技巧。
[0006]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:构造一种用于鼻胃管操作实训的智能沉浸式教学系统，包括以下部分:
[0007]系统数据库，用于存储人体解剖学结构和虚拟场景内的三维几何模型以及操作者的学习表现数据；
[0008]虚拟人体模块，用于构建所述虚拟人体解剖学结构，所述虚拟人体模块包括:
[0009]碰撞检测单元，用于实时确定虚拟鼻胃管在虚拟人体中的位置，探测所述虚拟鼻胃管与所述虚拟人体解剖学结构之间的碰撞；
[0010]变形单元，用于计算所述虚拟鼻胃管与所述虚拟人体解剖学结构之间的碰撞力度大小及所述人体解剖学结构的物理变形程度；
[0011]反馈信息生成模块，用于根据所述虚拟鼻胃管在所述虚拟人体中的位置，所述虚拟鼻胃管与所述虚拟人体解剖学结构之间的碰撞力度大小及所述人体解剖学结构的物理变形程度生成反馈信息。
[0012]用户界面，用于在所述虚拟鼻胃管放置操作过程中实现操作者与虚拟患者之间信息交互。
[0013]优选地，所述反馈信息生成模块包括:
[0014]图像反馈信息生成单元，用于生成反映虚拟鼻胃管在虚拟人体中的位置，所述虚拟鼻胃管与所述虚拟人体解剖学结构之间的碰撞力度大小及所述人体解剖学结构的物理变形程度的图像反馈信息；
[0015]所述用户界面包括:
[0016]图像反馈显示单元，用于根据所述图像反馈信息生成所述虚拟鼻胃管在所述虚拟人体中的放置过程透视图。
[0017]优选地，所述反馈信息生成模块包括:
[0018]触觉反馈信息生成单元，用于生成反映所述虚拟鼻胃管与所述虚拟人体解剖学结构之间的碰撞及碰撞力度大小的触觉反馈信息；
[0019]所述用户界面包括:
[0020]触觉反馈传递单元，用于传递所述虚拟鼻胃管放置操作过程中所述操作者对所述虚拟鼻胃管所施加的作用力，以及根据所述触觉反馈信息重构所述虚拟鼻胃管对所述操作者所施加的反作用力。
[0021 ] 优选地，所述虚拟人体模块还包括:
[0022]生理学单元，用于再现所述虚拟鼻胃管的放置过程中所述虚拟人体解剖学结构所产生的生理变化；
[0023]所述用户界面包括:
[0024]语音输出单元，用于识别所述操作者对所述虚拟患者所下达的标准指令，使得所述生理学单元根据所述标准指令产生相应的生理变化。
[0025]优选地，所述用户界面还包括:
[0026]语音输入单元，用于所述操作者对所述虚拟患者下达所述标准指令，使得所述生理学单元根据所述标准指令产生相应的生理变化。
[0027]优选地，所述系统还包括以下部分:
[0028]表现评估模块，用于记录所述虚拟鼻胃管的放置过程中所述操作者的若干个所述学习表现数据并根据所述学习表现数据实现表现评估，所述学习表现数据存储于所述系统数据库。
[0029]优选地，所述学习表现数据包括下列参数中的一种或多种:鼻胃管放置任务总耗时，所述虚拟鼻胃管停留在各所述人体解剖学结构的分耗时，所述操作者对所述虚拟鼻胃管所施加的作用力，以及所述虚拟鼻胃管的运动轨迹。
[0030]优选地，所述虚拟人体模块基于将所述人体解剖学结构以四面体网格的方式进行建模，不同部位的所述人体解剖学结构根据临床鼻胃管放置流程中遇到梗塞的可能性大小差异而具有不同的建模分辨率。
[0031]优选地，所述变形单元的构建基于质点弹簧模型及有限单元法。
[0032]本发明还提供一种用于鼻胃管操作实训的智能沉浸式教学装置，其特征在于，包括以下部分:
[0033]计算机主机，用于安装并运行系统数据库，虚拟人体模块，反馈信息生成模块以及表现评估模块；
[0034]显示器，用于向操作者展示用户界面；
[0035]触觉反馈器件，用于传递虚拟鼻胃管放置操作过程中所述操作者对所述虚拟鼻胃管所施加的作用力及所述虚拟鼻胃管对所述操作者所施加的反作用力。
[0036]实施本发明的一种用于鼻胃管操作实训的智能沉浸式教学系统及装置，具有以下有益效果:基于虚拟现实技术的智能沉浸式教学系统，彻底杜绝了利用真人实验对象进行实训操作时可能出现的医疗事故，保障了教学安全；虚拟鼻胃管管体在虚拟人体行进的过程对于学员而言是可视化的，插管过程中的作用力将传递至操作者手部，临床患者所可能出现的生理反应以多种方式及时向操作者反馈，从而加深了学习者的感官认知；操作者与教学系统之间通过语音命令实现互动，提升了学员临床沟通技巧；通过对操作者的模拟插管表现进行评估，实现了学员即使导师不在场的情况下也能进行自主练习，也对教学计划的制定提供数据支持。
【附图说明】
[0037]下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中:
[0038]图1是本发明的用于鼻胃管操作实训的智能沉浸式教学系统逻辑结构框图；
[0039]图2是本发明的用于鼻胃管操作实训的智能沉浸式教学系统用户界面示意图；
[0040]图3是本发明的用于鼻胃管操作实训的智能沉浸式教学装置硬件组成示意图。
【具体实施方式】
[0041]为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的【具体实施方式】。
[0042]本发明的核心理念是将前沿的VR技术引入鼻胃管放置教学中，