動態(tài)模擬技術(shù)在醫(yī)療后送領(lǐng)域的發(fā)展

◆齊 亮 劉振全 劉曉榮 陳國良 賀 祥 劉 建 劉文寶

1 相關(guān)概念

1．1 模擬技術(shù)

模擬過程之中，并可通過更友好的方式定制輸出結(jié)果，幫助理解與改進(jìn)模型。

模擬技術(shù)是指設(shè)計(jì)基于數(shù)學(xué)公式的模型并用該模型進(jìn)行試驗(yàn)，來真實(shí)反映某一系統(tǒng)過程。模擬的目的是為了更好、更方便地理解系統(tǒng)行為或者評估系統(tǒng)在指定條件下的變化。使用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行模擬是技術(shù)分析和設(shè)計(jì)領(lǐng)域使用最頻繁的方法之一［1］，其在建立真實(shí)世界的數(shù)學(xué)模型方面有許多優(yōu)勢，可用于新技術(shù)的探索、復(fù)雜系統(tǒng)的分析與評價(jià)［2］。與單純數(shù)學(xué)建模方法相比，計(jì)算機(jī)模擬不再需要人為地連接大量的數(shù)學(xué)公式，計(jì)算機(jī)可以將真實(shí)的事件連接到

1．2 動態(tài)模擬技術(shù)

動態(tài)模擬技術(shù)是指將系統(tǒng)通過常微分方程或偏微分方程描述出來，然后通過電腦程序建立實(shí)時(shí)的系統(tǒng)行為模型。簡單地說，動態(tài)模擬即數(shù)字模擬，需要通過得到近似的導(dǎo)數(shù)曲線下的面積而計(jì)算其積分來得到結(jié)果。1967年，Thomas H．Naylor和 J．M．Finger從科學(xué)哲學(xué)、經(jīng)濟(jì)理論和統(tǒng)計(jì)方面證明了動態(tài)模擬中的模型有效性［3］。目前動態(tài)模擬技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于核動力、汽車制造、電力、經(jīng)濟(jì)學(xué)建模、生態(tài)系統(tǒng)、人工智能、藥代動力研究等領(lǐng)域。

1．3 醫(yī)療后送

廣義上講，醫(yī)療后送通常分為戰(zhàn)時(shí)和平時(shí)2種情況。在戰(zhàn)爭中，醫(yī)療后送是醫(yī)療后送保障的簡稱，指傷病員通過各級救治機(jī)構(gòu)的分級救治與后送，逐步完成治療的衛(wèi)勤保障活動［4］。如果不是特指軍事領(lǐng)域，醫(yī)療后送還包括對處于災(zāi)害或事故現(xiàn)場的傷病員進(jìn)行救治和后送。目前國際上通行的概念為有2個(gè)，一為醫(yī)療后送(Medical Evacuation，Medevac)，是廣義上的后送;另一個(gè)是傷病員后送(Casualty Evacuation，Casevac)，專 指 軍事意義上的后送［5］。Medevac與Casevac的主要區(qū)別是 Medevac使用專業(yè)后送工具并提供后送途中的醫(yī)療保障，而 Casevac一般不提供醫(yī)療保障［6］。

2 動態(tài)模型的建立

2．1 建模工具的發(fā)展

模擬過程是指針對已存在或者設(shè)想的系統(tǒng)建立模型，以此來識別和理解控制系統(tǒng)及決定系統(tǒng)未來走勢的因素。選擇合適的建模工具是建模過程的第一步。建模工具分為2大類:建模語言類型和模擬器類型［7］。前者是廣義上的模擬工具，提供普遍意義上的建模平臺，包括以福特蘭語言(FORTRAN)為代表的高級編程語言和以通用系統(tǒng)模擬程序(General－Purpose System Simulator，GPSS)為代表的通用建模語言。建模語言可以實(shí)現(xiàn)任何情景，但是需要耗費(fèi)大量時(shí)間和精力。1980年模擬器的出現(xiàn)，則解決了建模只能由少部分精通專業(yè)建模語言的人實(shí)施的問題［8］。如今兩種類型建模工具的區(qū)別已經(jīng)漸漸模糊，盡管模擬器類型的模擬工具仍占有主導(dǎo)地位，但是也逐漸開始支持編程語言，允許建模人員進(jìn)行自由定義［10］。

2．2 建模工具的選擇

如何選擇合適的工具成為亟需解決的問題。Christy和Watson的調(diào)查顯示，62%的建模工具之所以能夠被選擇使用，是因?yàn)榈玫搅私M織內(nèi)部關(guān)鍵人物的支持，而不是因?yàn)樵摴ぞ哒娴淖钸m合［11］。這有可能產(chǎn)生因工具選擇不當(dāng)而導(dǎo)致建模失敗的問題，造成時(shí)間和經(jīng)濟(jì)上的損失。1995年，V latka開發(fā)的SimSelect系統(tǒng)是第一個(gè)用于選擇建模工具的軟件工具［10］。它通過收集、分析用戶需求和各種建模工具的性能及適用性，然后按照匹配程度列出工具清單并加以排序，幫助建模人員找到最合適的工具［12］。然而，到目前為止，還沒有一種成熟可靠的方法學(xué)或執(zhí)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)能夠起到規(guī)范化的作用，人們選擇工具，很大程度上仍然簡單的取決于自己的喜好。

2．3 動態(tài)模型建立的步驟

動態(tài)模型的特點(diǎn)是系統(tǒng)隨時(shí)間不斷變化，常用來對系統(tǒng)行為進(jìn)行預(yù)測。建立步驟一般為:(1)定義建模的目標(biāo);(2)建立概念模型;(3)建立數(shù)學(xué)模型;(4)量化系統(tǒng)輸入?yún)?shù);(5)使用計(jì)算機(jī)工具執(zhí)行數(shù)學(xué)模型;(6)評估、分析和解釋運(yùn)行結(jié)果。值得注意的是，動態(tài)模型需要專門設(shè)定時(shí)間參數(shù)，設(shè)定時(shí)要按照建模需要，確定時(shí)間長度，在建立非確定性模型時(shí)還需要額外設(shè)定模擬次數(shù)。

3 動態(tài)模擬技術(shù)在戰(zhàn)爭醫(yī)療后送領(lǐng)域的發(fā)展

3．1 模擬技術(shù)理論在軍事領(lǐng)域的發(fā)展

自從模擬技術(shù)出現(xiàn)以來，關(guān)于以模擬為目的建立的模型應(yīng)用分類，就存在許多爭論。Davies和 O＇Keefe認(rèn)為，模型分為3種:預(yù)測性模型、比較性模型和調(diào)查性模型［13］。1989 年，Rosenhead總結(jié)后列出了一項(xiàng)包含6個(gè)條目的模型分類表，對模型進(jìn)行了細(xì)致分類［14］。由于此種類型的列表能夠有效區(qū)分不同類型的模型，因而被稱之為“系統(tǒng)方法學(xué)的系統(tǒng)”［15］。Stewart Robinson將模型分為3類:軟件仿真工程模型、組織變化過程模型、簡化現(xiàn)實(shí)模型(組織變化過程模型的特例)。

3．2 在戰(zhàn)爭醫(yī)療后送領(lǐng)域的發(fā)展

模擬技術(shù)最早應(yīng)用于戰(zhàn)爭準(zhǔn)備是在中世紀(jì)，那時(shí)的指揮官用小型兵馬在棋盤上進(jìn)行模擬戰(zhàn)爭游戲［18］。最廣泛的軍事應(yīng)用是在飛行模擬器方面［19］。1930年，Edwin Link發(fā)明了世界上第一個(gè)飛行模擬器［20］。由此開啟了現(xiàn)代模擬技術(shù)在軍事上的應(yīng)用。直到1990年，軍事應(yīng)用占到了全部模擬技術(shù)應(yīng)用的80%。在醫(yī)療后送方面，模擬技術(shù)主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)和軍事訓(xùn)練，同時(shí)也包含了衛(wèi)勤指揮人員的決策支持和計(jì)劃制定等應(yīng)用。戰(zhàn)爭醫(yī)療后送領(lǐng)域的模擬技術(shù)主要包含4個(gè)方面:電子傷情卡、戰(zhàn)斗傷員模擬器、綜合傷病員模擬器、傷病員模擬軟件。另外，基于Flash和網(wǎng)絡(luò)動畫的模擬工具也是一種新的嘗試，它可以更容易地顯示出戰(zhàn)斗情景、傷員流等醫(yī)療后送的過程細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)可視化的動態(tài)系統(tǒng)。

4 動態(tài)模擬技術(shù)在非戰(zhàn)爭醫(yī)療后送領(lǐng)域的發(fā)展

4．1 模擬技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展

模擬技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域起步較晚，但是發(fā)展迅速。1958年，Asmund Laerdal首次引入了Resusci－Anne這一人體模型，其真實(shí)的外觀和功能，以及較好的可承受性和靈活性，使得它得到了廣泛的認(rèn)可［21］。隨后心臟病人體模型 Harvey由邁阿密大學(xué)研發(fā)成功。直到80年代，隨著制作成本的下降，人體模型才得到真正意義上的廣泛應(yīng)用。90年代，模擬器被引入到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，世界各地都積極地成立醫(yī)學(xué)模擬中心［23］。Jaron Lanier發(fā)明了一個(gè)簡化后的可視化腹腔解剖模型，幫助學(xué)生實(shí)踐膽囊切除術(shù)。1993年，KISMET模擬器的出現(xiàn)，使得遠(yuǎn)程模擬手術(shù)成為可能。1994年，美國國家醫(yī)學(xué)圖書館完成了可視化人體工程，使用真實(shí)人類尸體的可視化數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了三維的解剖操作功能［24］。如今，醫(yī)學(xué)模擬技術(shù)已經(jīng)成為了醫(yī)學(xué)教育和研究中的重要方法，逐漸演化成為了5種類型:基礎(chǔ)解剖模型、局部功能性訓(xùn)練模型、計(jì)算機(jī)輔助模型、虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)、生理驅(qū)動型模擬系統(tǒng)［25］。

4．2 在非戰(zhàn)爭醫(yī)療后送領(lǐng)域的發(fā)展

從1963年起，美國南加州大學(xué)就開始引入病人演員，向三年級的醫(yī)學(xué)實(shí)習(xí)生教授神經(jīng)學(xué)［26］。隨后，標(biāo)準(zhǔn)化病人(Standardized Patients，SP)的設(shè)計(jì)被提上日程，1993年才由加拿大醫(yī)學(xué)委員會首次引入到醫(yī)生資質(zhì)考核中，到2004年，SP考核成為了美國醫(yī)學(xué)生拿到醫(yī)師職業(yè)資格必備條件之一。伴隨著這些標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，包括急診科醫(yī)生在內(nèi)的醫(yī)學(xué)從業(yè)人員才逐漸在學(xué)習(xí)和實(shí)踐中開始接受正規(guī)化的模擬訓(xùn)練。加州大學(xué)設(shè)計(jì)的Sleeper軟件，集合了復(fù)雜的生理性和藥理學(xué)原理動態(tài)，如今已發(fā)展成為了著名的BodySim軟件系統(tǒng)。直到1983年，世界上才有了第一款用于人體復(fù)蘇操作訓(xùn)練的軟件，1986年 Mad Scientist軟件問世，其研發(fā)團(tuán)隊(duì)之后又開發(fā)了許多優(yōu)秀的急診醫(yī)學(xué)動態(tài)模擬軟件。1992年，Rhythm and Pluse軟件問世，它的升級版本Anesthesia Simulator Consultant(ASC)模擬器成為了當(dāng)時(shí)麻醉人員緊急訓(xùn)練時(shí)的主流模擬工具［27］。后來出現(xiàn)的帶有多媒體特性的 M icroSim，也是專門為急診部門用于人員復(fù)蘇訓(xùn)練和管理而設(shè)計(jì)的。2002年 Program Ace設(shè)計(jì)的后送模擬器，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了三維畫面的高真實(shí)性動態(tài)模擬過程，突出體現(xiàn)了時(shí)間參數(shù)是模擬過程中的關(guān)鍵因素，而這既是未來動態(tài)模擬技術(shù)的發(fā)展方向，也是動態(tài)模擬技術(shù)能夠在醫(yī)療后送領(lǐng)域發(fā)揮作用的主要原因。

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