CN110867122A - 基于虚拟现实技术的交互式急救培训系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于虚拟现实技术的交互式急救培训系统，其包括：人物模型生成模块，胸外按压模块，人工呼吸模块，虚拟场景生成模块，动作生成模块，捕捉胸外按压模块以及人工呼吸模块的动作信息，并在场景中生成对应的虚拟动作；用户管理模块；反馈评价模块。利用虚拟现实技术生成不同的场景，根据不同场景的急救方式的区别，来进行多环境以及多方式的急救培训，提高医疗人员对于院前急救的技术；另外可以填补空白，利用虚拟现实技术，可以创建出一个还原度百分之百的灾难场景，甚至可以做出不同类型的伤员，让体验者身临其境感受到灾难带来的心理和身体的双重感官印象，增加紧张感和危机感。
Description
技术领域
本发明涉及医疗培训技术领域，具体涉及一种基于虚拟现实技术的交互式急救培训系统。
背景技术
心脏急救中最严重的的情况是心脏骤停，即心脏射血功能突然终止，导致重要器官严重缺血、缺氧，如果不及时干预，将导致生命终止。这种出乎意料的突然死亡，医学上又称猝死。中国心脏猝死的总人数每年达到54万，居全球之首，每天约有1500人死于心脏骤停，而60%以上都发生在院外，对于心脏骤停的患者，4分钟内进行复苏者可能有半数患者被救活，又称这4分钟为黄金4分钟。
另一方面，随着人口老龄化和心血管病低龄化问题的到来，我国对心搏骤停的心脏复苏急救需求在持续上升。但目前国内资料表面，院外心搏骤停的心肺复苏成功率为2.58%，1周存活率仅0.72%。且正犹豫绝大部分心搏骤停在院外发生，因此对该病的现场抢救是院前急救机构和基层医疗急救人员随时面临的任务。当另一方面，我国受过专业培训的医护人员不足导致了在病者从病发到送达医院抢救的过程中，往往因缺少专业的急救护理而错过黄金四分钟。
然而现实情况还是，绝大部分心搏骤停发生现场并没有专业医护人员，且救护车赶到现场所需时间就已超过了最佳救助时间，而大多数现场群众没有受到专业训练，没有有效的急救手段，面对心搏骤停，往往束手无策，或担心自己不够专业不敢贸然施救。在犹豫之间，只能让最佳的几分钟宝贵抢救时间流逝。
另外心脏骤停的有效抢救时间有着严格的、残酷的限制。在生死攸关、分秒必争的现场急救中，高效精准的心肺复苏操作是患者生的希望，抢救时间和抢救方法的正确性至关重要。同时，2005年国际CPR及心血管急救指南指出：心血管急救的对象已不再局限于心搏骤停的患者, 还应该包括那些即将发展为心搏骤停和复苏后有综合征的患者。美国心脏协会早在20世纪60年代便开始提倡在公众中普及心肺复苏初级急救技能，美国的急救成功率高达74%；瑞典至少有45%的公众参加过心肺复苏的培训；澳大利亚有50%的公众受过相关培训；日本中学生的急救知识普及率达92%。挪威院外心脏骤停公众施行心肺复苏率为70.7%；法国的急救培训普及率为40%，德国高达80%。
而在国内，根据黄吕金等对福建省465名城镇居民的调查发现，未参加过相关急救培训的人占调查总数的85.8%；李红霞对湖北省黄山市4500名市民的调查发现，急救知识及格率仅为11%，CPR（心肺复苏）及格率不到6%；邹敏等对江西省九江市市民的调查，急救知识合格率为24.1%。由此看出，国内的急救技能培训还有极大的空缺。
而对于院前急救，其具有紧急、病种复杂、环境多变等因素，导致学神很少有机会去急救现场观摩和学习，另外传统急救教学大多是使用橡皮模型培训学生单项急救技能如心肺复苏、电除颤等操作；部分学校购买了高级模型人，但由于高级模型人操作复杂，需要授课老师自行编辑病例及疾病转归，使得购买的高级模型人根本无法使用。另外由于模型人占地面积较大，导致训练环境和训练项目过于单一，没有即时场景模拟。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于虚拟现实技术的交互式急救培训系统。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种基于虚拟现实技术的交互式急救培训系统，其包括：
人物模型生成模块，构建虚拟角色；
胸外按压模块，与虚拟角色的对应位置定位设置，并实时获取操作者的按压数据，并将按压数据发送至计算机的压力数据池，所述按压数据为压力数据；
人工呼吸模块，与虚拟角色的对应位置定位设置，并实时获取操作者的操作数据，并将操作数据发送至计算机的流量数据池，所述操作数据为流量数据；
虚拟场景生成模块，构建若干场景，并分别给各个场景配置对应的数据库，且对应的数据库分别包含对场景对应的急救数据；
动作生成模块，捕捉胸外按压模块以及人工呼吸模块的动作信息，并在场景中生成对应的虚拟动作；
用户管理模块，用于用户账户注册，信息录入以及登录，使用户账户与操作者数据绑定；
反馈评价模块，将由胸外按压模块以及人工呼吸模块的获取的数据与虚拟场景生成模块生成的场景对应的数据库中的数据进行对比，并生成评价结果，保存在当前用户账户的数据库内。
所述交互式急救培训系统设有用于记录操作者操作过程的记录模块。
所述交互式急救培训系统设有用于人机交互的交互模块。
所述胸外按压模块包括压力传感器。
所述人工呼吸模块包括用于获取虚拟角色头颈角度值变化的角度传感器或用于获取呼气量的气体流量计传感器。
所述交互式急救培训系统设有用于场景切换的切换模块。
人物模型生成模块利用三角格网模型方法来构建刚性物体的三维虚拟模型。
动作生成模块捕捉的动作，根据脚本中设定的阈值调用对应的动画，在虚拟场景中实时反应并显示操作人员的操作动作。
所述场景包括触电、溺水、室息、急性心肌梗塞场景。
交互式急救培训系统包括教学视频模块。
本发明的有益效果：
利用虚拟现实技术生成不同的场景，根据不同场景的急救方式的区别，来进行多环境以及多方式的急救培训，提高医疗人员对于院前急救的技术；
另外可以填补空白，在虚拟环境中，体验者可以经历一个完整的心肺复苏急救过程，该模拟内容可以让体验者学会CPR 的流程和要点，而且每一步骤的应用更详细到身体相对应的部位，普通市民也可以直观的学习到如何操作。
利用虚拟现实技术，可以创建出一个还原度百分之百的灾难场景，甚至可以做出不同类型的伤员，让体验者身临其境感受到灾难带来的心理和身体的双重感官印象，增加紧张感和危机感。
附图说明
图1为本发明的系统逻辑框架图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于虚拟现实技术的交互式急救培训系统，其包括：
人物模型生成模块，构建虚拟角色；
胸外按压模块，与虚拟角色的对应位置定位设置，并实时获取操作者的按压数据，并将按压数据发送至计算机的压力数据池，所述按压数据为压力数据；
人工呼吸模块，与虚拟角色的对应位置定位设置，并实时获取操作者的操作数据，并将操作数据发送至计算机的流量数据池，所述操作数据为流量数据；
虚拟场景生成模块，构建若干场景，并分别给各个场景配置对应的数据库，且对应的数据库分别包含对场景对应的急救数据；
设计不同的急救场景（如触电、溺水、室息、急性心肌梗塞等）。上位机接收信号后根据脚本中设定的阈值调用对应的动画，然后虚拟场景中实时反应并显示操作人员的操作。
动作生成模块，捕捉胸外按压模块以及人工呼吸模块的动作信息，并在场景中生成对应的虚拟动作；
用户管理模块，用于用户账户注册，信息录入以及登录，使用户账户与操作者数据绑定；
反馈评价模块，将由胸外按压模块以及人工呼吸模块的获取的数据与虚拟场景生成模块生成的场景对应的数据库中的数据进行对比，并生成评价结果，保存在当前用户账户的数据库内。
根据2015国际心肺复苏要求做大量心肺复苏操作实验，保留数据作为反馈时比较的数据，当操作完成后，虚拟平台对整个操作过程进行评价。其反馈结果保存至数据库中对应的用户名下，方便日后查询。
胸外按压模块以及人工呼吸模块为下位机系统，即通过单片机在STC89C52，控制将传感器（压力传感器、呼吸气体流量计传感器）产生的数据通过数据传输通信模块（如：串口通信模块、蓝牙、Wi-Fi (IEEE 802.11)、Infrared (IrDA)、ZigBee (IEEE 802.15.4)等通信模块，上传到PC端，以及单片机控制液晶显示模块可以实时显示传感器采集的数据。
在PC端有系统软件平台和数据库，并且系统软件平台与数据库之间有数据通信功能。系统软件平台包括：用户管理模块、教学视频模块、虚拟仿真系统模块、反馈评价模块；数据库主要用户储存用户个人相关信息、账户资料以及反馈评价信息。a) 用户管理模块：用于用户账号注册、信息录入、登录等功能，并保证该模块与数据库之间实现数据通信；b)教学视频模块：包括急救安全知识和心肺复苏（Cardio Pulmonary Resuscitation，CPR）方法操作流程、操作技巧、要点的讲解，保证用户在操作系统之前能够系统地学习CPR知识；c)人物模型生成模块、虚拟场景生成模块、动作生成模块：利用3d Max构建虚拟人体模型、动画，并将其导入Unity 3D的库文件，利用Unity 3D仿真设计不同的急救场景（如触电、溺水、室息、急性心肌梗塞等），并在脚本中创建串口与计算机对应串口绑定，实时抓取自单片机传输至计算机的压力数据并记录在脚本的数据池中，这样保证系统下位机数据到PC端时能够实现对应的虚拟CPR操作过程，并在操作过程中伴有语音提示功能；d) 反馈评价模块：在整个CPR虚拟现实操作结束后，记录整个操作过程数据（按压大小、按压间抬起与否、吹气情况等），并与标准操作对比后，给出评价结果，其反馈结果保存至数据库中对应的用户名下，方便日后查询。
在系统扩展配件中，为了达到更好地体验效果（逼真的情境，即沉浸感），本系统可以额外配VR眼镜，并在传感器（压力传感器、呼吸气体流量计传感器）上放置定位追踪模块，这样用户可以在“身临其境”中精准地定位到对“病人”按压、吹气操作的位置。
该系统操作步骤如下：
一、意识判断：
当发现一个到底的患者，首先必须判断其是否失去知觉。有以下几种方法：喊话并拍其肩膀；呼救：即请现场的人或附近的人协助抢救，打120急救电话或通知就近的医疗单位；患者体位：当患者呈俯卧状态时，应先将患者双手上举，再将外侧（远离抢救者侧）下肢膝盖弯曲后驾在内侧（靠近抢救者侧）肢体上，然后一手护着患者的颈部，另一只手置于患者的胸部，小心、平稳、慢慢地将患者转为仰卧位，并将其双上肢放在躯干两旁。
二、打开气道：
患者心跳呼吸停止、意识丧失后，全身肌肉松弛，口腔内的舌肌也松弛，舌根后坠而堵塞呼吸道，造成呼吸阻塞。在进行口对口吹气前，必须打开气道，保持气道通畅。
三、人工循环:
是通过胸外心脏按压形成胸腔内外压差，维持血液循环动力，并将人工呼吸后带有氧气的血液供给脑部及心脏以维持生命。方法如下：
（1）判断患者有无脉搏。操作者跪于患者一侧，一手置于患者前额使头部保持后仰位，另一手以食指和中指尖置于喉结上，然后滑向颈肌（胸锁乳突肌）旁的凹陷处，触摸颈动脉。如果没有搏动，表示心脏已经停止跳动，应立即进行胸外心脏按压。
（2）胸外心脏按压。
第一步：确定正确的胸外心脏按压位置。先找到肋弓下缘，用一只手的食指和中指沿肋骨下缘向上摸至两侧肋缘于胸骨连接处的切痕迹，以食指和中指放于该切迹上，将另一只手的掌根部放于横指旁，再将第一只手叠放在另一只手的手背上，两手手指交叉扣起，手指离开胸壁。
第二步：施行按压。操作者前倾上身，双肩位于患者胸部上方正中位置，双臂与患者的胸骨垂直，利用上半身的体重和肩臂力量，垂直向下按压胸骨，使胸骨下陷4-5厘米，按压和放松的力量和时间必须均匀、有规律，不能猛压、猛松。放松时掌根不要离开按压处。按压的频率为80-100次/分钟，按压与人工呼吸的次数比率为：单人复苏15:2，双人复苏5:1。
其中利用压力传感器、呼吸气体流量计传感器、A/D转换、单片机模块实现压力/吹气数据的采集和传输。在这里，用HX711电子秤专用模拟/数字(A/D)转换器芯片作为胸外按压模块，该模块与同类型其它芯片相比，集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点；选用呼吸气体流量计传感器MF4008作为人工呼吸模块，该模块采用美国MEMS（Microelectro MechanicalSystems）流量测量技术及其核心芯片，具有低功耗、高精度、现代网络化等特点，选用0~5L/min量程范围。另外，采用STC89C52作为控制芯片，通过串口将压力/气体流量传感器采集的数据上传到上位机。
也可以采用无线传输方式，采用无线技术与计算机通信，从而省却电线的束缚。通常采用无线通信方式，包括蓝牙、Wi-Fi (IEEE 802.11)、Infrared (IrDA)、ZigBee (IEEE802.15.4)等多个无线技术标准。
利用三角格网模型方法来构建刚性物体的三维虚拟模型，并以一种标准三维模型文件 OBJ 格式进行存储，OBJ 文件适用于 3D 软件模型之间的互导。目前，几乎所有知名的 3D 软件都支持 OBJ 文件的读写。OBJ 物体的每个表面是由多边形组成，本项目所应用的是三角形即三角面片格式，此格式是构成表面的最小单元，便于开发者进行遍历计算与转换，且具有很强的稳定性。
实施例不应视为对本发明的限制，但任何基于本发明的精神所作的改进，都应在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于虚拟现实技术的交互式急救培训系统，其特征在于：其包括：
人物模型生成模块，构建虚拟角色；
胸外按压模块，与虚拟角色的对应位置定位设置，并实时获取操作者的按压数据，并将按压数据发送至计算机的压力数据池，所述按压数据为压力数据；
人工呼吸模块，与虚拟角色的对应位置定位设置，并实时获取操作者的操作数据，并将操作数据发送至计算机的流量数据池，所述操作数据为流量数据；
虚拟场景生成模块，构建若干场景，并分别给各个场景配置对应的数据库，且对应的数据库分别包含对场景对应的急救数据；
动作生成模块，捕捉胸外按压模块以及人工呼吸模块的动作信息，并在场景中生成对应的虚拟动作；
用户管理模块，用于用户账户注册，信息录入以及登录，使用户账户与操作者数据绑定；
反馈评价模块，将由胸外按压模块以及人工呼吸模块的获取的数据与虚拟场景生成模块生成的场景对应的数据库中的数据进行对比，并生成评价结果，保存在当前用户账户的数据库内。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟现实技术的交互式急救培训系统，其特征在于：所述交互式急救培训系统设有用于记录操作者操作过程的记录模块。
3.根据权利要求1所述的基于虚拟现实技术的交互式急救培训系统，其特征在于：所述交互式急救培训系统设有用于人机交互的交互模块。
4.根据权利要求1所述的基于虚拟现实技术的交互式急救培训系统，其特征在于：所述胸外按压模块包括压力传感器。
5.根据权利要求1所述的基于虚拟现实技术的交互式急救培训系统，其特征在于：所述人工呼吸模块包括用于获取虚拟角色头颈角度值变化的角度传感器或用于获取呼气量的气体流量计传感器。
6.根据权利要求1所述的基于虚拟现实技术的交互式急救培训系统，其特征在于：所述交互式急救培训系统设有用于场景切换的切换模块。
7.根据权利要求1所述的基于虚拟现实技术的交互式急救培训系统，其特征在于：人物模型生成模块利用三角格网模型方法来构建刚性物体的三维虚拟模型。
8.根据权利要求1所述的基于虚拟现实技术的交互式急救培训系统，其特征在于：动作生成模块捕捉的动作，根据脚本中设定的阈值调用对应的动画，在虚拟场景中实时反应并显示操作人员的操作动作。
9.根据权利要求1所述的基于虚拟现实技术的交互式急救培训系统，其特征在于：所述场景包括触电、溺水、室息、急性心肌梗塞场景。
10.根据权利要求1所述的基于虚拟现实技术的交互式急救培训系统，其特征在于：交互式急救培训系统包括教学视频模块。
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