CN113706960A - 一种基于vr技术的护理操作练习平台及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于VR技术的护理操作练习平台及使用方法，还包括登录模块、中央处理模块、数据库、课程教学模块、操作训练模块实景展示模块以及考核评价模块，所述中央处理模块对登录模块、数据库、课程教学模块、操作训练模块以及考核评价模块的运行程序进行处理判定。本发明通过VR技术创造虚拟场景，通过VR交互设备记录使用者的肢体运动数据，通过中央处理器进行轨迹位点解析，进行实验操作练习，能够降低设备耗材的使用节省空间，通过系统和人工双重评价考核的模式，使得考核评价结果更加准确。通过对学生操作完成情况进行记录，对关键肢体动作信息与预设标准信息进行比对，方便学生回顾查看比较其操作偏差，对其操作过程进行调整。

Description

一种基于VR技术的护理操作练习平台及使用方法

技术领域

本发明属于医疗护理技术领域，具体涉及一种基于VR技术的护理操作练习平台及使用方法。

背景技术

护理是实践性和应用性都很强的一个专业，需要结合实验、实训和课间见习作为理论支撑。传统的护理操作练习主要是通过临床带教老师实际演练或是通过视频教学的方式来让学生学习，在模拟人或是道具上反复练习。后疫情时代，大部分需要采取线上教学的方式，临床带教老师在拍摄视频时根据操作的不同，需要用到大型重型设备或是模拟人，有时也需要使用部分一次性耗材；护生或是新护士在接受线上培训时，实操演练可能会缺少部分耗材或设备物品，每次演练结束都需要先将上一次演练的物品还原，非常耗时耗力，而且老师也无法进行实际评价，训练效果难以保证。

如专利号为CN201810588527.9的中国专利公开了一种基于云平台的医疗护理教师机教学系统，该叫教学系统基于云平台，将计算机教学应用到医疗护理中，本发明增加患者采集装置，能够有效地将患者的意见进行采集、归纳、总结，使得教学的质量提升；同时，本发明在学员机上增添摄像头、麦克风，在教师机上增添数据库服务器、流媒体服务器、网络服务器，能够有效地实现教师与学员之间的面对面交流，但是该发明构建的系统模型较为单一，不能够涵盖护理的全部学科，并且实训效果较差，并且采用的是数据库与仿真模型兼容模式，同步性较差，因此造成仿真效果的体验感下降，其无法运用护理教程对护理人员进行模拟教学，同时无法对护理人员进行实时训练以及线上评估，训练教学效果不佳，为此我们提出一种基于VR技术的护理操作练习平台及使用方法。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种基于VR技术的护理操作练习平台，运用VR技术对护理人员进行模拟教学护理教程，对护理人员进行实时训练以及线上检测评估，提高训练教学效果。

本发明的另一个目的在于提供一种基于VR技术的护理操作练习平台的使用方法，通过VR技术模拟教学护理教程，对护理人员进行线上检测评估。

本发明还设计了第一考核分数的确定方法，能够更精确的判定学员的操作情况，提高平台评估的准确性。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于VR技术的护理操作练习平台，包括：

VR穿戴设备，所述VR穿戴设备包括但不限于VR眼镜、VR头盔；

VR交互设备，所述VR交互设备包括体感衣和体感手套、VR定位器、压力传感器、光电传感器、角度传感器、摄像头、红外扫描仪；学生身穿体感衣，佩戴体感手套，其在学生的四肢及手掌等关键部位设置有光电传感器、角度传感器压力传感器、及轨迹捕捉位点，利用VR定位器对轨迹捕捉位点进行定位从而对学生的肢体动作进行捕捉，生成学生的肢体动作数据信息，其捕捉信息主要包括相对空间位置运动轨迹、肢体动作速度、位点受力情况及动作发生频率。捕捉获取学生的动作行为数据会上传至云端服务器进行解析。

所述VR感受装置包括温度调节装置和湿度调节装置、心跳脉搏感受装置、按压振荡感受装置。使得学生在操作过程中的体验感更有真实感。

云端服务器，云端服务器用于获取操作信息，并向中央处理器发送控制信息或者操作信息，得到模型数据，从而构建虚拟实验场景。

中央处理模块，所述中央处理模块包括登录模块、数据库、课程教学模块、操作训练模块以及考核评价模块的运行程序进行处理判定。所述中央处理模块还用于接收所述摄像头模块发出的图像数据和所述语音输入模块发出的音频数据，所述中央处理模块对图像数据进行处理以在图像显示模块显示或进行上传，所述中央处理模块对音频数据进行处理以上传；所述电源模块用于为所述VR系统供电。

登录模块，所述登录模块通过协议网络与云端服务器进行连接，用于对使用者的信息进行录入并审核，所述登录模块包括学生、教师、系统人员三个登录端口。

数据库，所述数据库用于存储相关教学信息资料，所述数据库还包括输入模块以及输出模块，所述输入模块存储学生信息、教师信息、教学内容资料，所述输出模块输出学生信息、教师信息以及操作训练结果。所述教学内容资料包括理论知识库、护理过程操作图谱、护理典型病例集、以及VR电子标准化操作视频。

所述课程教学模块用于采用VR虚拟技术，演示教学应用平台中存储的教学内容；所述课程教学模块根据所需要的素材分为虚拟场景、虚拟人物、虚拟操作设备、虚拟仪器设备、虚拟耗材以及虚拟台词库，根据操作类型分为基础操作和专业操作两部分。

所述操作训练模块用于提供本实验的操作过程模拟，模拟护理操作的具体实施步骤。所述操作训练模块包括实验选择单元、实验学习单元、实验练习单元、实验情况记录单元。

所述实验选择单元，包括控制面板和控制手柄以及控制按钮，分为理论知识模块和训练实操模块。学生可在控制面板进行操作控制手柄进行模块选择。

所述实验学习单元练习具体为学生或导师查看理论知识库、护理过程操作图谱、护理典型病例集以及VR电子标准化操作视频。其护理理论知识会按照章节排列分布在控制面板上显示，服务器根据控制面板发出的控制指令从理论知识模块中获取学习PPT以及标准规范化操作步骤视频，当学生完成PPT和视频学习后，会解锁考核模块，并通过数据处理单元从数据库中获取考题，对学生的学习成果进行检测。

实验练习单元，服务器根据控制面板发出的控制指令从数据库中获取训练场景，佩戴VR设备的学生通过操作VR装备从而对实景展示模块中生成的虚拟人物进行操控，学生在实景展示模块中按照预设的实验单元练习的的步骤依次完成教学内容，学生在操作过程中的反馈动作数据通过数据处理单元进行记录，并与动作反馈单元存储的标准反馈动作进行对比，自动给出考核评分结果，考核评分结果在VR眼镜中显示。学生可重复上述步骤对所学内容进行反复练习，同时系统设置有随机考核模块，可随机抽取操作项目，人员按要求完成线上操作考试。检验学生的总体学习情况。

所述实验情况记录单元用于记录学生操作完成情况，对捕捉的关键肢体动作信息与预设标准信息进行比对，记录其偏差率，所述实验情况记录单元对学生个人信息，实验发生时间、实验完成结果进行记录，进行编号区分，并将以视频或者关键操作截图的方式存储在云端服务器其数据信息可通过目标网络进行发送传输，方便学生回顾查看。

实景展示模块，包括3D投影设备，用于显示学生所进行操作的VR视频投影模拟场景，根据所选训练单元模块实验主题内容投放虚拟场景信息，虚拟场景包括护理实验场景、护理操作设备模型、护理操作器械模型。护理实验场景包括视觉场景和音效场景，对当前所选实验中的关键动作设计音效，增加整个实验操作的真实感，学生可独立进行护理操作设备模型和护理操作器械模型选择，服务器可对当前选用的模型的运动状态数据进行记录并进行解析，根据每个实验预设标准动作信息，设计关键步骤动作捕捉记录位点，利用VR交互设备采集学生的肢体动作数据，可以通过时钟和秒表记录实验操作时长，对学生单一肢体动作频率进行记录，并记录其持续的时间；可以实时地根据轨迹位点对学生的肢体动作路径进行定位，确定轨迹位点中每相邻轨迹位点之间的距离；选择每相邻轨迹位点之间的距离小于预定距离的部分定位点；将部分轨迹位点进行合并。并且可以利用角度传感器或光电传感器分析学生的运动轨迹，将所采集到的学生的动作信息上传给云端服务器进行解析处理，根据处理后的轨迹位点得到虚拟模型数据。并将其解析后的肢体动作数据进行建模，通过3D投影设备全息技术传输到虚拟的三维教学环境中，使得操作人员能通过3D投影设备实时观察到自己的肢体动作，根据实验人员的动作捕捉与预设标准动作信息进行匹配，得到匹配度信息；将匹配度信息与预设信息进行比较，得到偏差率；判断所述偏差率是否大于预设偏差率阀值，若大于，则系统发出警报提醒，标记操作错误提示，生成修正信息，根据修正信息对匹配到的虚拟场景进行修正；若小于，则生成调取信息，根据调取信息调取当前虚拟场景，根据当前虚拟场景进行适配性动作。

语音模块，包括语音输入模块和语音输出模块，其包括听筒和扬声器，所述语音模块与所述中央处理模块连接，所述语音输入模块用于供学生输入语音以与所述课程教学模块的授课教师进行语音交互；所述语音输出模块用于接收所述中央处理模块发出的控制信号并根据控制信号播报所述教师授课端模块的授课教师的语音。

考核评价模块，考核评价模块分为单元考核和随机内容考核，所述考核评价模块包括实时评价、课程评价以及考试评价，所述课程评价为每一课程完成提交后，教学老师通过后台界面查看并给予评价，所述考试评价为医院或科室或学校年终考试时，随机选择操作项目，学生线上完成操作考试，根据考试结果给予评价。所述实时评价包括终端显示模块，所述终端显示模块与中央处理模块相连接，所述终端显示模块能够对人员的考核过程进行实时显示，教学老师能够实时对其进行指导并进行评价。其中随机内容考核部分，教师可在教师端根据教学重难点设计章节内容比重。考核评价模块是双重打分机制，打分模块一是系统根据预设答案以及预设标准数据根据偏差进行判断操作内容是否错误，生成分数判定，打分模块二是教师根据实景展示模块中生成的虚拟3D投影操作视频，进行人工打分，最终考核评分取两者的平均分。并考试结果上传至云端服务器中进行存储。

一种基于VR技术的护理操作练习平台的使用方法，包括如下步骤；

S1，启动本系统，佩戴VR眼镜和VR头盔，调整头盔松紧效果及VR眼镜焦距，采用红外扫描仪对人体进行扫描识别，记录初始轨迹位点，通过VR眼镜、VR头盔以及VR交互设备对各类场景、医疗器械以及仿真人体进行扫描，并建立相应的器械模型以及仿真人体模型，通过中央处理模块将器械模型以及仿真人体模型处理并输送至数据库内进行存储；

S2，教学老师和系统工作人员上传理论知识、护理过程操作图谱、护理典型病例集、以及VR电子标准化操作视频等基础学习信息存储至数据库，预设标准操作肢体动作数据信息；

S3，学生通过登录模块输入基本信息至云端服务器，通过央处理模块对学生输入的信息进行处理，并与数据库存储的学生信息进行匹配审核；将学生和教学老师的基本信息存储在数据库内；

S3，匹配通过后学生佩戴VR眼镜、VR头盔，并进入课程教学模块内，显示课程菜单界面，通过课程菜单界面选择护理评估、用物准备、操作前、操作中、操作后、注意事项六方面课程，数据库将相关课程传输至VR穿戴设备中，学生进行学习，教学老师通过护理评估、用物准备、操作前、操作中、操作后、注意事项这六个方面课程进行具体演示，演示过程中指导护生或者新护士根据情况通过VR穿戴设备选用合适的器械模型以及素材，正确使用操作所需的器械模型以及素材，演示后提出课后问题，课后问题根据难度分为简易和困难，由学生自行思考，并在操作训练中尝试完成；

S4，学习完成后，通过VR穿戴设备进入操作训练模块内的练习区，通过红外扫描仪对体感衣和体感手套上的轨迹位点进行初始化记录，通过控制面板进行实验选择，输出实验的虚拟人物、虚拟场景、虚拟音效、虚拟设备以及虚拟护理器械模型信息，记录学生肢体动作数据，与初始教师输入的标准操作的数据信息进行比对，输出第一考核分数；

S5，教师根据实景展示模块中生成的虚拟3D投影操作视频，输入第二考核分数，平台确定最终得分后上传至云端服务器中进行存储，所述最终得分C为：

C＝α₁C₁+α₂C₂；

且α₁+α₂＝1；

式中，α₁,α₂为权重，并由对应测评老师确定，C₁为第一考核分数，C₂为第二考核分数。

步骤S4包括：

步骤S41：记录佩戴VR穿戴设备者的初始轨迹位点{A₁₀,A₂₀,…,A_i0,…,A_n0}，且A_i0＝(x_i0,y_i0,z_i0)

式中,A₁₀为第一个记录点的初始轨迹位点坐标，A₂₀为第二个记录点的初始轨迹位点坐标，A_i0为第i个记录点的初始轨迹位点坐标，A_n0为第n个记录点的初始轨迹位点坐标，x_i0为第i个记录点在x轴方向的坐标点，y_i0第i个记录点在y轴方向的坐标点，z_i0为第i个记录点在z轴方向的坐标点，n为记录点总数；

其中，x为冠状轴方向，y为矢状轴方向，z为垂直轴方向，且坐标原点为头顶位置；

步骤S42：记录整个操作过程中各个记录点在不同时刻的轨迹位点坐标A＝{A₁,A₂,…,A_i,…,A_n},且A_i＝{A_i1,A_i2,…,A_ij,…,A_im}，A_ij＝(x_ij,y_ij,z_ij)；

式中，A_i为第i个记录点在整个操作过程中的不同时刻的轨迹位点坐标，A_ij为第i个记录点在第j个时刻的轨迹位点坐标，x_ij为第i个记录点在第j个时刻在x轴方向的坐标点，y_ij第i个记录点在第j个时刻在y轴方向的坐标点，z_ij为第i个记录点在第j个时刻在z轴方向的坐标点，m为记录时刻总数，且记录时刻总数m满足：

式中，T_t为操作过程总时长,T₀为单位时长；

步骤S43：分别平滑连接同一记录点在不同时刻的轨迹位点获得所有记录点实际操作轨迹f＝{f₁,f₂,…,f_i,…,f_n}；

其中，f_i为第i个记录点实际操作轨迹；

步骤S44：根据初始教师输入的标准操作的数据信息确定在整个操作过程中不同记录点在不同时刻的标准轨迹位点坐标，并分别平滑连接同一记录点在不同时刻的标准轨迹位点获得所有记录点标准操作轨迹f_s＝{f_s1,f_s2,…,f_si,…,f_sn}；

其中，f_si为第i个记录点标准操作轨迹；

步骤S45：将所有记录点实际操作轨迹及其对应的标准操作轨迹平均分割为p段，并记录每一段操作轨迹与其对应的标准操作轨迹的重合度，确定所有记录点的实际操作轨迹与标准操作轨迹的重合度co＝{co₁,co₂,…,co_i,…,co_n}；

所述平均分割段数p满足：

p＝mn；

所述第i个记录点的轨迹重合度co_i为：

式中，co_q为第q段操作轨迹与其对应的标准操作轨迹的重合度；

步骤S46：根据所有记录点的实际操作轨迹与标准操作轨迹的重合度确定整个操作过程的操作重合度co_t为：

且

式中，β_i为第i个记录点的权重；

确定第一考核分数为：

C₁＝100co_t。

在步骤S46中，每个记录点的权重根据该记录点在整个操作中的重要性确定。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明提供的一种基于VR技术的护理操作练习平台，运用VR技术对护理人员进行模拟教学护理教程，对护理人员进行实时训练以及线上检测评估，提高训练教学效果。

(2)本发明提供的一种基于VR技术的护理操作练习平台的使用方法，通过VR技术模拟教学护理教程，对护理人员进行线上检测评估。并设计了第一考核分数的确定方法，能够更精确的判定学员的操作情况，提高平台评估的准确性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图中：1、VR穿戴设备；2、中央处理模块；3、云端服务器；4、终端显示模块；5、登录模块。

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做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。

实施例一，登录端口为教师端，

VR穿戴设备，所述VR穿戴设备包括但不限于VR眼镜、VR头盔；

VR交互设备，所述VR交互设备包括体感衣和体感手套、VR定位器、压力传感器、光电传感器、角度传感器、摄像头、红外扫描仪；学生身穿体感衣，佩戴体感手套，其在学生的四肢及手掌等关键部位设置有光电传感器、角度传感器压力传感器、及轨迹捕捉位点，利用VR定位器对轨迹捕捉位点进行定位从而对学生的肢体动作进行捕捉，生成学生的肢体动作数据信息，其捕捉信息主要包括相对空间位置运动轨迹、肢体动作速度、位点受力情况及动作发生频率。捕捉获取学生的动作行为数据会上传至云端服务器进行解析。

所述VR感受装置包括温度调节装置和湿度调节装置、心跳脉搏感受装置、按压振荡感受装置。使得学生在操作过程中的体验感更有真实感。

云端服务器，云端服务器用于获取操作信息，并向中央处理器发送控制信息或者操作信息，得到模型数据，从而构建虚拟实验场景。

中央处理模块，所述中央处理模块包括登录模块、数据库、课程教学模块、操作训练模块以及考核评价模块的运行程序进行处理判定。所述中央处理模块还用于接收所述摄像头模块发出的图像数据和所述语音输入模块发出的音频数据，所述中央处理模块对图像数据进行处理以在图像显示模块显示或进行上传，所述中央处理模块对音频数据进行处理以上传；所述电源模块用于为所述VR系统供电。

数据库，所述数据库用于存储相关教学信息资料，所述数据库还包括输入模块以及输出模块，所述输入模块存储学生信息、教师信息、教学内容资料，所述输出模块输出学生信息、教师信息以及操作训练结果。所述教学内容资料包括理论知识库、护理过程操作图谱、护理典型病例集、以及VR电子标准化操作视频。教师可在教师端口对教学内容资料进行上传。

所述课程教学模块用于采用VR虚拟技术，演示教学应用平台中存储的教学内容；所述课程教学模块根据所需要的素材分为虚拟场景、虚拟人物、虚拟操作设备、虚拟仪器设备、虚拟耗材以及虚拟台词库，根据操作类型分为基础操作和专业操作两部分，教师端口可输入教师标准操作，作为预设标准操作动作数据信息。

实验练习单元，服务器根据控制面板发出的控制指令从数据库中获取训练场景，佩戴VR设备的教师通过操作VR装备从而对实景展示模块中生成的虚拟人物进行操控，教师在实景展示模块中按照预设的实验单元练习的的步骤依次完成教学内容，教师在操作过程中的反馈动作数据通过数据处理单元进行记录，同时系统设置有随机考核模块，可随机抽取操作项目，学生按要求完成线上操作考试。检验学生的总体学习情况。

实景展示模块，包括3D投影设备，用于显示教师所进行操作的VR视频投影模拟场景，根据所选训练单元模块实验主题内容投放虚拟场景信息，虚拟场景包括护理实验场景、护理操作设备模型、护理操作器械模型。护理实验场景包括视觉场景和音效场景，对当前所选实验中的关键动作设计音效，增加整个实验操作的真实感，教师可独立进行护理操作设备模型和护理操作器械模型选择，服务器可对当前选用的模型的运动状态数据进行记录并进行解析，根据每个实验预设标准动作信息，设计关键步骤动作捕捉记录位点，利用VR交互设备采集教师的肢体动作数据，可以通过时钟和秒表记录实验操作时长，对教师单一肢体动作频率进行记录，并记录其持续的时间；可以实时地根据轨迹位点对教师的肢体动作路径进行定位，确定轨迹位点中每相邻轨迹位点之间的距离；选择每相邻轨迹位点之间的距离小于预定距离的部分定位点；将部分轨迹位点进行合并。并且可以利用角度传感器或光电传感器分析学生的运动轨迹，将所采集到的教师的动作信息上传给云端服务器进行解析处理，根据处理后的轨迹位点得到虚拟模型数据。并将其解析后的肢体动作数据进行建模，通过3D投影设备全息技术传输到虚拟的三维教学环境中，使得操作人员能通过3D投影设备实时观察到自己的肢体动作，根据实验人员的动作捕捉与预设标准动作信息进行匹配，得到匹配度信息；将匹配度信息与预设信息进行比较，得到偏差率；判断所述偏差率是否大于预设偏差率阀值，若大于，则系统发出警报提醒，标记操作错误提示，生成修正信息，根据修正信息对匹配到的虚拟场景进行修正；若小于，则生成调取信息，根据调取信息调取当前虚拟场景，根据当前虚拟场景进行适配性动作。

语音模块，包括语音输入模块和语音输出模块，其包括听筒和扬声器，所述语音模块与所述中央处理模块连接，所述语音输入模块用于供学生输入语音以与所述课程教学模块的授课教师进行语音交互；所述语音输出模块用于接收所述中央处理模块发出的控制信号并根据控制信号播报所述教师授课端模块的授课教师的语音。

考核评价模块，考核评价模块分为单元考核和随机内容考核，所述考核评价模块包括实时评价、课程评价以及考试评价，所述课程评价为每一课程完成提交后，教学老师通过后台界面查看并给予评价，所述考试评价为医院或科室或学校年终考试时，随机选择操作项目，学生线上完成操作考试，根据考试结果给予评价。所述实时评价包括终端显示模块，所述终端显示模块与中央处理模块相连接，所述终端显示模块能够对学生的考核过程进行实时显示，教学老师能够实时对其进行指导并进行评价。其中随机内容考核部分，教师可在教师端根据教学重难点设计章节内容比重。考核评价模块是双重打分机制，打分模块一是系统根据预设答案以及预设标准数据根据偏差进行判断操作内容是否错误，生成分数判定，打分模块二是教师根据实景展示模块中生成的虚拟3D投影操作视频，进行人工打分，最终考核评分取两者的平均分。并考试结果上传至云端服务器中进行存储。

实施例二，登录端口为学生端，

VR穿戴设备，所述VR穿戴设备包括但不限于VR眼镜、VR头盔；

VR交互设备，所述VR交互设备包括体感衣和体感手套、VR定位器、压力传感器、光电传感器、角度传感器、摄像头、红外扫描仪；学生身穿体感衣，佩戴体感手套，其在学生的四肢及手掌等关键部位设置有光电传感器、角度传感器压力传感器、及轨迹捕捉位点，利用VR定位器对轨迹捕捉位点进行定位从而对学生的肢体动作进行捕捉，生成学生的肢体动作数据信息，其捕捉信息主要包括相对空间位置运动轨迹、肢体动作速度、位点受力情况及动作发生频率。捕捉获取学生的动作行为数据会上传至云端服务器进行解析。

所述VR感受装置包括温度调节装置和湿度调节装置、心跳脉搏感受装置、按压振荡感受装置。使得学生在操作过程中的体验感更有真实感。

云端服务器，云端服务器用于获取操作信息，并向中央处理器发送控制信息或者操作信息，得到模型数据，从而构建虚拟实验场景。

中央处理模块，所述中央处理模块包括登录模块、数据库、课程教学模块、操作训练模块以及考核评价模块的运行程序进行处理判定。所述中央处理模块还用于接收所述摄像头模块发出的图像数据和所述语音输入模块发出的音频数据，所述中央处理模块对图像数据进行处理以在图像显示模块显示或进行上传，所述中央处理模块对音频数据进行处理以上传；所述电源模块用于为所述VR系统供电。

登录模块，所述登录模块通过协议网络与云端服务器进行连接，用于对使用者的信息进行录入并审核，所述登录模块包括学生、教师、系统人员三个登录端口。

数据库，所述数据库用于存储相关教学信息资料，所述数据库还包括输入模块以及输出模块，所述输入模块存储学生信息、教师信息、教学内容资料，所述输出模块输出学生信息、教师信息以及操作训练结果。所述教学内容资料包括理论知识库、护理过程操作图谱、护理典型病例集、以及VR电子标准化操作视频。

所述课程教学模块用于采用VR虚拟技术，演示教学应用平台中存储的教学内容；所述课程教学模块根据所需要的素材分为虚拟场景、虚拟人物、虚拟操作设备、虚拟仪器设备、虚拟耗材以及虚拟台词库，根据操作类型分为基础操作和专业操作两部分。

所述操作训练模块用于提供本实验的操作过程模拟，模拟护理操作的具体实施步骤。所述操作训练模块包括实验选择单元、实验学习单元、实验练习单元、实验情况记录单元。

所述实验选择单元，包括控制面板和控制手柄以及控制按钮，分为理论知识模块和训练实操模块。学生可在控制面板进行操作控制手柄进行模块选择。

所述实验学习单元练习具体为学生或导师查看理论知识库、护理过程操作图谱、护理典型病例集以及VR电子标准化操作视频。其护理理论知识会按照章节排列分布在控制面板上显示，服务器根据控制面板发出的控制指令从理论知识模块中获取学习PPT以及标准规范化操作步骤视频，当学生完成PPT和视频学习后，会解锁考核模块，并通过数据处理单元从数据库中获取考题，对学生的学习成果进行检测。

实验练习单元，服务器根据控制面板发出的控制指令从数据库中获取训练场景，佩戴VR设备的学生通过操作VR装备从而对实景展示模块中生成的虚拟人物进行操控，学生在实景展示模块中按照预设的实验单元练习的的步骤依次完成教学内容，学生在操作过程中的反馈动作数据通过数据处理单元进行记录，并与动作反馈单元存储的标准反馈动作进行对比，自动给出考核评分结果，考核评分结果在VR眼镜中显示。学生可重复上述步骤对所学内容进行反复练习，同时系统设置有随机考核模块，可随机抽取操作项目，人员按要求完成线上操作考试。检验学生的总体学习情况。

所述实验情况记录单元用于记录学生操作完成情况，对捕捉的关键肢体动作信息与预设标准信息进行比对，记录其偏差率，所述实验情况记录单元对学生个人信息，实验发生时间、实验完成结果进行记录，进行编号区分，并将以视频或者关键操作截图的方式存储在云端服务器其数据信息可通过目标网络进行发送传输，方便学生回顾查看。

实景展示模块，包括3D投影设备，用于显示学生所进行操作的VR视频投影模拟场景，根据所选训练单元模块实验主题内容投放虚拟场景信息，虚拟场景包括护理实验场景、护理操作设备模型、护理操作器械模型。护理实验场景包括视觉场景和音效场景，对当前所选实验中的关键动作设计音效，增加整个实验操作的真实感，学生可独立进行护理操作设备模型和护理操作器械模型选择，服务器可对当前选用的模型的运动状态数据进行记录并进行解析，根据每个实验预设标准动作信息，设计关键步骤动作捕捉记录位点，利用VR交互设备采集学生的肢体动作数据，可以通过时钟和秒表记录实验操作时长，对学生单一肢体动作频率进行记录，并记录其持续的时间；可以实时地根据轨迹位点对学生的肢体动作路径进行定位，确定轨迹位点中每相邻轨迹位点之间的距离；选择每相邻轨迹位点之间的距离小于预定距离的部分定位点；将部分轨迹位点进行合并。并且可以利用角度传感器或光电传感器分析学生的运动轨迹，将所采集到的学生的动作信息上传给云端服务器进行解析处理，根据处理后的轨迹位点得到虚拟模型数据。并将其解析后的肢体动作数据进行建模，通过3D投影设备全息技术传输到虚拟的三维教学环境中，使得操作人员能通过3D投影设备实时观察到自己的肢体动作，根据实验人员的动作捕捉与预设标准动作信息进行匹配，得到匹配度信息；将匹配度信息与预设信息进行比较，得到偏差率；判断所述偏差率是否大于预设偏差率阀值，若大于，则系统发出警报提醒，标记操作错误提示，生成修正信息，根据修正信息对匹配到的虚拟场景进行修正；若小于，则生成调取信息，根据调取信息调取当前虚拟场景，根据当前虚拟场景进行适配性动作。

语音模块，包括语音输入模块和语音输出模块，其包括听筒和扬声器，所述语音模块与所述中央处理模块连接，所述语音输入模块用于供学生输入语音以与所述课程教学模块的授课教师进行语音交互；所述语音输出模块用于接收所述中央处理模块发出的控制信号并根据控制信号播报所述教师授课端模块的授课教师的语音。

本发明提供的一种基于VR技术的护理操作练习平台，运用VR技术对护理人员进行模拟教学护理教程，对护理人员进行实时训练以及线上检测评估，提高训练教学效果。

本发明还提供一种基于VR技术的护理操作练习平台的使用方法，包括如下步骤；

S1，启动本系统，佩戴VR眼镜和VR头盔，调整头盔松紧效果及VR眼镜焦距，采用红外扫描仪对人体进行扫描识别，记录初始轨迹位点，通过VR眼镜、VR头盔以及VR交互设备对各类场景、医疗器械以及仿真人体进行扫描，并建立相应的器械模型以及仿真人体模型，通过中央处理模块将器械模型以及仿真人体模型处理并输送至数据库内进行存储；

S2，教学老师和系统工作人员上传理论知识、护理过程操作图谱、护理典型病例集、以及VR电子标准化操作视频等基础学习信息存储至数据库，预设标准操作肢体动作数据信息；

S3，学生通过登录模块输入基本信息至云端服务器，通过央处理模块对学生输入的信息进行处理，并与数据库存储的学生信息进行匹配审核；将学生和教学老师的基本信息存储在数据库内；

S3，匹配通过后学生佩戴VR眼镜、VR头盔，并进入课程教学模块内，显示课程菜单界面，通过课程菜单界面选择护理评估、用物准备、操作前、操作中、操作后、注意事项六方面课程，数据库将相关课程传输至VR穿戴设备中，学生进行学习，教学老师通过护理评估、用物准备、操作前、操作中、操作后、注意事项这六个方面课程进行具体演示，演示过程中指导护生或者新护士根据情况通过VR穿戴设备选用合适的器械模型以及素材，正确使用操作所需的器械模型以及素材，演示后提出课后问题，课后问题根据难度分为简易和困难，由学生自行思考，并在操作训练中尝试完成；

S4，学习完成后，通过VR穿戴设备进入操作训练模块内的练习区，通过红外扫描仪对体感衣和体感手套上的轨迹位点进行初始化记录，通过控制面板进行实验选择，输出实验的虚拟人物、虚拟场景、虚拟音效、虚拟设备以及虚拟护理器械模型信息，记录学生肢体动作数据，与初始教师输入的标准操作的数据信息进行比对，输出第一考核分数；

具体包括：

步骤S41：记录佩戴VR穿戴设备者的初始轨迹位点{A₁₀,A₂₀,…,A_i0,…,A_n0}，且A_i0＝(x_i0,y_i0,z_i0)

式中,A₁₀为第一个记录点的初始轨迹位点坐标，A₂₀为第二个记录点的初始轨迹位点坐标，A_i0为第i个记录点的初始轨迹位点坐标，A_n0为第n个记录点的初始轨迹位点坐标，x_i0为第i个记录点在x轴方向的坐标点，y_i0第i个记录点在y轴方向的坐标点，z_i0为第i个记录点在z轴方向的坐标点，n为记录点总数；

其中，x为冠状轴方向，y为矢状轴方向，z为垂直轴方向，且坐标原点为头顶位置；

步骤S42：记录整个操作过程中各个记录点在不同时刻的轨迹位点坐标A＝{A₁,A₂,…,A_i,…,A_n},且A_i＝{A_i1,A_i2,…,A_ij,…,A_im}，A_ij＝(x_ij,y_ij,z_ij)；

式中，A_i为第i个记录点在整个操作过程中的不同时刻的轨迹位点坐标，A_ij为第i个记录点在第j个时刻的轨迹位点坐标，x_ij为第i个记录点在第j个时刻在x轴方向的坐标点，y_ij第i个记录点在第j个时刻在y轴方向的坐标点，z_ij为第i个记录点在第j个时刻在z轴方向的坐标点，m为记录时刻总数，且记录时刻总数m满足：

式中，T_t为操作过程总时长,T₀为单位时长；

步骤S43：分别平滑连接同一记录点在不同时刻的轨迹位点获得所有记录点实际操作轨迹f＝{f₁,f₂,…,f_i,…,f_n}；

其中，f_i为第i个记录点实际操作轨迹；

步骤S44：根据初始教师输入的标准操作的数据信息确定在整个操作过程中不同记录点在不同时刻的标准轨迹位点坐标，并分别平滑连接同一记录点在不同时刻的标准轨迹位点获得所有记录点标准操作轨迹f_s＝{f_s1,f_s2,…,f_si,…,f_sn}；

其中，f_si为第i个记录点标准操作轨迹；

步骤S45：将所有记录点实际操作轨迹及其对应的标准操作轨迹平均分割为p段，并记录每一段操作轨迹与其对应的标准操作轨迹的重合度，确定所有记录点的实际操作轨迹与标准操作轨迹的重合度co＝{co₁,co₂,…,co_i,…,co_n}；

所述平均分割段数p满足：

p＝mn；

所述第i个记录点的轨迹重合度co_i为：

式中，co_q为第q段操作轨迹与其对应的标准操作轨迹的重合度；

步骤S46：根据所有记录点的实际操作轨迹与标准操作轨迹的重合度确定整个操作过程的操作重合度co_t为：

且

式中，β_i为第i个记录点的权重，且每个记录点的权重根据该记录点在整个操作中的重要性确定。不同实训科目或者操作过程根据不同的教师输入记录点的重要性生成对应记录点的权重。

确定第一考核分数为：

C₁＝100co_t。

S5，教师根据实景展示模块中生成的虚拟3D投影操作视频，输入第二考核分数，平台确定最终得分后上传至云端服务器中进行存储，所述最终得分C为：

C＝α₁C₁+α₂C₂；

且α₁+α₂＝1；

式中，α₁,α₂为权重，并由对应测评老师确定，C₁为第一考核分数，C₂为第二考核分数。

本发明提供的一种基于VR技术的护理操作练习平台的使用方法，通过VR技术模拟教学护理教程，对护理人员进行线上检测评估。并设计了第一考核分数的确定方法，能够更精确的判定学员的操作情况，提高平台评估的准确性。

综上所述，本发明运用VR技术创造虚拟场景，通过VR交互设备记录使用者的肢体运动数据，并将其上传至云端服务器，通过中央处理器进行轨迹位点解析，设计有课程学习模块和操作训练模块，学生可根据学习进度进行选择，通过VR虚拟设备进行实验操作练习，能够降低设备耗材的使用，节省空间、避免人群聚集，通过系统和人工双重评价考核的模式，使得考核评价结果更加准确。通过对学生操作完成情况进行记录，对捕捉的关键肢体动作信息与预设标准信息进行比对，并将以视频或者关键操作截图的方式存储在云端服务器。方便学生回顾查看，比较其实验操作偏差，方便对其操作过程进行调整。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于VR技术的护理操作练习平台，其特征在于：

VR穿戴设备；

VR交互设备，用于捕捉穿戴者的肢体动作，并生成肢体动作数据信息；

VR感受装置,用于调节操作环境和操作状态；

云端服务器，用于接收所述肢体动作数据信息，并向中央处理器发送控制信息或者操作信息，获取模型数据，用于构建虚拟实验场景；

数据库，所述数据库用于存储相关教学信息资料；

中央处理模块，所述中央处理模块包括登录模块、数据库、课程教学模块、操作训练模块以及考核评价模块，对其的运行程序进行处理判定，接收所述摄像头模块发出的图像数据和所述语音输入模块发出的音频数据，对图像数据和音频数据进行处理及上传；

所述电源模块用于为所述VR系统供电；

语音模块，包括语音输入模块和语音输出模块，其包括听筒和扬声器，

考核评价模块，考核评价模块分为单元考核和随机内容考核，所述考核评价模块包括实时评价、课程评价以及考试评价；

实景展示模块，包括3D投影设备，用于显示学生所进行操作的VR视频投影模拟场景。

2.根据权利要求1所述的一种基于VR技术的护理操作练习平台，其特征在于：所述VR穿戴设备包括VR眼镜、VR头盔。

3.根据权利要求1所述的一种基于VR技术的护理操作练习平台，其特征在于：所述VR交互设备包括体感衣和体感手套、VR定位器、压力传感器、光电传感器、角度传感器、摄像头、红外扫描仪。

4.根据权利要求1所述的一种基于VR技术的护理操作练习平台，其特征在于：VR感受装置包括温度调节装置和湿度调节装置、心跳脉搏感受装置、按压振荡感受装置。

5.根据权利要求1所述的一种基于VR技术的护理操作练习平台，其特征在于：所述数据库还包括输入模块以及输出模块，所述输入模块存储学生信息、教师信息、教学内容资料，所述输出模块输出学生信息、教师信息以及操作训练结果，所述教学内容资料包括理论知识库、护理过程操作图谱、护理典型病例集、以及VR电子标准化操作视频。

6.根据权利要求1所述的一种基于VR技术的护理操作练习平台，其特征在于：所述课程教学模块根据所需要的素材分为虚拟场景、虚拟人物、虚拟操作设备、虚拟仪器设备、虚拟耗材以及虚拟台词库，

所述操作训练模块包括实验选择单元、实验学习单元、实验练习单元、实验情况记录单元；

所述实验学习单元练习具体为人员查看理论知识库、护理过程操作图谱、护理典型病例集以及VR电子标准化操作视频；

实验练习单元主要为人员在实景展示模块中按照预设的实验单元练习的的步骤依次完成教学内容，并对所学内容进行反复练习，系统随机抽取操作项目，人员按要求完成线上操作考试。

7.根据权利要求1所述的一种基于VR技术的护理操作练习平台，其特征在于：所述实景展示模块，根据所选训练单元模块实验主题内容投放虚拟场景信息，虚拟场景包括护理实验场景、护理操作设备模型、护理操作器械模型。护理实验场景包括视觉场景和音效场景，对当前所选实验中的关键动作设计音效，服务器可对当前选用的模型的运动状态数据进行记录并进行解析，根据每个实验预设标准动作信息，设计关键步骤动作捕捉记录位点，利用VR交互设备采集学生的肢体动作数据，实时地根据轨迹位点对肢体动作路径进行定位，确定轨迹位点中每相邻轨迹位点之间的距离；选择每相邻轨迹位点之间的距离小于预定距离的部分定位点；将部分轨迹位点进行合并，根据处理后的轨迹位点得到虚拟模型数据，并将其解析后的肢体动作数据进行建模，根据实验人员的动作捕捉与预设标准动作信息进行匹配，得到匹配度信息；将匹配度信息与预设信息进行比较，得到偏差率；判断所述偏差率是否大于预设偏差率阀值，若大于，则系统发出警报提醒，标记操作错误提示，生成修正信息，根据修正信息对匹配到的虚拟场景进行修正；若小于，则生成调取信息，根据调取信息调取当前虚拟场景，根据当前虚拟场景进行适配性动作。

8.根据权利要求1所述的一种基于VR技术的护理操作练习平台的使用方法，其特征在于包括如下步骤；

S1，佩戴VR穿戴设备，通过红外扫描仪对人体进行扫描识别，记录初始轨迹位点，并建立相应的器械模型以及仿真人体模型，通过中央处理模块将器械模型以及仿真人体模型处理并输送至数据库内进行存储；

S2，上传理论知识、护理过程操作图谱、护理典型病例集、以及VR电子标准化操作视频的基础学习信息存储至数据库，预设标准操作肢体动作数据信息；

S3，通过登录模块匹配审核学生信息并存储；

S3，匹配通过后进入课程教学模块内，通过课程菜单界面选择护理评估、用物准备、操作前、操作中、操作后、注意事项六方面课程，数据库将相关课程传输至VR穿戴设备中，教学老师通过护理评估、用物准备、操作前、操作中、操作后、注意事项这六个方面课程进行具体演示并指导佩戴者选用合适的器械模型以及素材，正确使用操作所需的器械模型以及素材，演示后提出课后问题，课后问题根据难度分为简易和困难，由学生自行思考，并在操作训练中尝试完成；

S4，学习完成后，通过VR穿戴设备进入操作训练模块内的练习区，通过红外扫描仪对体感衣和体感手套上的轨迹位点进行初始化记录，通过控制面板进行实验选择，输出实验的虚拟人物、虚拟场景、虚拟音效、虚拟设备以及虚拟护理器械模型信息，记录学生肢体动作数据，与初始教师输入的标准操作的数据信息进行比对，输出第一考核分数；

S5，教师根据实景展示模块中生成的虚拟3D投影操作视频，输入第二考核分数，平台确定最终得分后上传至云端服务器中进行存储，所述最终得分C为：

C＝α₁C₁+α₂C₂；

且α₁+α₂＝1；

式中，α₁,α₂为权重，并由对应测评老师确定，C₁为第一考核分数，C₂为第二考核分数。

9.根据权利要求8所述的基于VR技术的护理操作练习平台的使用方法，其特征在于，所述步骤S4包括：

步骤S41：记录佩戴VR穿戴设备者的初始轨迹位点A₁₀,A₂₀,…,A_i0,…,A_n0}，且A_i0＝(x_i0,y_i0,z_i0)

式中,A₁₀为第一个记录点的初始轨迹位点坐标，A₂₀为第二个记录点的初始轨迹位点坐标，A_i0为第i个记录点的初始轨迹位点坐标，A_n0为第n个记录点的初始轨迹位点坐标，x_i0为第i个记录点在x轴方向的坐标点，y_i0第i个记录点在y轴方向的坐标点，z_i0为第i个记录点在z轴方向的坐标点，n为记录点总数；

其中，x为冠状轴方向，y为矢状轴方向，z为垂直轴方向，且坐标原点为头顶位置；

步骤S42：记录整个操作过程中各个记录点在不同时刻的轨迹位点坐标A＝{A₁,A₂,…,A_i,…,A_n},且A_i＝{A_i1,A_i2,…,A_ij,…,A_im}，A_ij＝(x_ij,y_ij,z_ij)；

式中，A_i为第i个记录点在整个操作过程中的不同时刻的轨迹位点坐标，A_ij为第i个记录点在第j个时刻的轨迹位点坐标，x_ij为第i个记录点在第j个时刻在x轴方向的坐标点，y_ij第i个记录点在第j个时刻在y轴方向的坐标点，z_ij为第i个记录点在第j个时刻在z轴方向的坐标点，m为记录时刻总数，且记录时刻总数m满足：

式中，T_t为操作过程总时长,T₀为单位时长；

步骤S43：分别平滑连接同一记录点在不同时刻的轨迹位点获得所有记录点实际操作轨迹f＝{f₁,f₂,…,f_i,…,f_n}；

其中，f_i为第i个记录点实际操作轨迹；

步骤S44：根据初始教师输入的标准操作的数据信息确定在整个操作过程中不同记录点在不同时刻的标准轨迹位点坐标，并分别平滑连接同一记录点在不同时刻的标准轨迹位点获得所有记录点标准操作轨迹f_s＝f_s1,f_s2,…,f_si,…,f_sn}；

其中，f_si为第i个记录点标准操作轨迹；

步骤S45：将所有记录点实际操作轨迹及其对应的标准操作轨迹平均分割为p段，并记录每一段操作轨迹与其对应的标准操作轨迹的重合度，确定所有记录点的实际操作轨迹与标准操作轨迹的重合度co＝{co₁,co₂,…,co_i,…,co_n}；

所述平均分割段数p满足：

p＝mn；

所述第i个记录点的轨迹重合度co_i为：

式中，co_q为第q段操作轨迹与其对应的标准操作轨迹的重合度；

步骤S46：根据所有记录点的实际操作轨迹与标准操作轨迹的重合度确定整个操作过程的操作重合度co_t为：

且

式中，β_i为第i个记录点的权重；

确定第一考核分数为：

C₁＝100co_t。

10.根据权利要求9所述的基于VR技术的护理操作练习平台的使用方法，其特征在于，在步骤S46中，每个记录点的权重根据该记录点在整个操作中的重要性确定。

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