衛(wèi)勤傷員虛擬仿真模型研究與描述

陳榮劍，陳立富，余維濤，文新建

衛(wèi)勤傷員虛擬仿真模型研究與描述

陳榮劍，陳立富，余維濤，文新建

目的：構(gòu)建符合衛(wèi)勤傷員救治特征和滿足衛(wèi)勤組織指揮要求的虛擬仿真衛(wèi)勤傷員。方法：根據(jù)衛(wèi)勤理論和信息技術(shù)，將衛(wèi)勤傷員從數(shù)據(jù)仿真和感知仿真2個方面進(jìn)行描述和建模，構(gòu)建衛(wèi)勤傷員的虛擬仿真模型。結(jié)果：建成了完整的衛(wèi)勤傷員虛擬仿真模型，設(shè)計(jì)了虛擬傷員發(fā)生器。結(jié)論：通過數(shù)據(jù)仿真和感知仿真模型研究，完善了衛(wèi)勤傷員虛擬仿真模型，促進(jìn)了衛(wèi)勤組織指揮與保障虛擬仿真系統(tǒng)的研發(fā)，提升了衛(wèi)勤研究與訓(xùn)練水平。

衛(wèi)勤傷員；數(shù)據(jù)仿真；感知仿真；虛擬仿真

0 引言

計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域[1]。構(gòu)建基于虛擬現(xiàn)實(shí)的衛(wèi)勤組織指揮與保障模擬系統(tǒng)，開展衛(wèi)勤組織指揮與保障訓(xùn)練和研究，能創(chuàng)新衛(wèi)勤保障理論，催生新的衛(wèi)勤保障能力生成方式，有效提高衛(wèi)勤保障能力。其中，如何構(gòu)建符合衛(wèi)勤特征的衛(wèi)勤傷員虛擬仿真模型具有重要意義，本文就衛(wèi)勤傷員虛擬仿真模型的類型及其描述方式進(jìn)行探討。

隨著信息革命對未來軍事的影響不斷加深，以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和技術(shù)為主體的數(shù)字化模擬技術(shù)已經(jīng)在作戰(zhàn)研究和軍事模擬訓(xùn)練方面取得了革命性成果[2]。發(fā)達(dá)國家軍隊(duì)廣泛采用計(jì)算機(jī)仿真和作戰(zhàn)仿真技術(shù)施訓(xùn)，并將其作為信息化作戰(zhàn)研究和訓(xùn)練的重要手段[3]。

在衛(wèi)勤領(lǐng)域的研究及衛(wèi)勤訓(xùn)練中，傷病員是最基礎(chǔ)也是最關(guān)鍵的要素。運(yùn)用信息技術(shù)進(jìn)行衛(wèi)勤傷病流研究與模擬訓(xùn)練是現(xiàn)代戰(zhàn)爭對衛(wèi)勤提出的必然要求。目前，在衛(wèi)勤信息化研究領(lǐng)域，衛(wèi)勤傷病員研究明顯偏重于臨床醫(yī)療技術(shù)研究與應(yīng)用[4-5]，缺少基本的衛(wèi)勤組織指揮與保障要素。另一方面，信息化的衛(wèi)勤傷員表現(xiàn)形式單一，往往只能以傷員庫等平面數(shù)據(jù)的形式提供有限數(shù)量和類型的傷員，難以滿足衛(wèi)勤科研與訓(xùn)練需要。目前，我軍尚無衛(wèi)勤傷病員數(shù)據(jù)仿真和傷病員感知仿真一體化的虛擬仿真衛(wèi)勤傷病員，缺少具有高度真實(shí)感和交互作用的虛擬傷病員[6]。計(jì)算機(jī)仿真（模擬）技術(shù)的出現(xiàn)為其提供了良好的契機(jī)，通過將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用于衛(wèi)勤領(lǐng)域，構(gòu)建基于虛擬現(xiàn)實(shí)的衛(wèi)勤組織指揮模擬系統(tǒng)，可以解決實(shí)戰(zhàn)衛(wèi)勤傷病流研究與模擬訓(xùn)練存在的問題。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下開展基于想定的針對性衛(wèi)勤組織指揮與保障研究和訓(xùn)練，有望催生新的衛(wèi)勤理論，顯著提高衛(wèi)勤訓(xùn)練的效率和效果。

1 研究技術(shù)路線

通過查閱文獻(xiàn)和調(diào)研，針對現(xiàn)代戰(zhàn)爭戰(zhàn)創(chuàng)傷的特點(diǎn)、醫(yī)療實(shí)踐，確定虛擬的衛(wèi)勤傷病員屬性和要素。運(yùn)用實(shí)體-聯(lián)系圖（entity relationship diagram，E-R圖）和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，構(gòu)建衛(wèi)勤虛擬傷病員模型，包括傷病員數(shù)據(jù)仿真模型和傷病員感知仿真模型。根據(jù)傷員生成需求與規(guī)則，運(yùn)用虛擬仿真引擎和統(tǒng)一建模語言（unified modeling language，UML）生成具有衛(wèi)勤要素

的虛擬仿真?zhèn)T，本研究的技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 衛(wèi)勤傷員虛擬仿真研究技術(shù)路線圖

2 仿真模型描述方式

2.1 模型與仿真

模型是對真實(shí)系統(tǒng)的一種抽象、描述和模仿，要求其具有真實(shí)性、簡明性、完整性等特點(diǎn)。構(gòu)建模型要在明確建模目的的基礎(chǔ)上，確定模型構(gòu)成要素間的真實(shí)關(guān)系，在力求簡明的同時確保模型的精度，最后要對模型反復(fù)檢驗(yàn)修正。仿真是通過系統(tǒng)模型的實(shí)驗(yàn)來研究一個存在的或設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)仿真是借助計(jì)算機(jī)，用系統(tǒng)的模型對真實(shí)系統(tǒng)或設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，以達(dá)到分析、研究與設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的目的。

衛(wèi)勤傷員模型是為衛(wèi)勤組織指揮與保障研究和訓(xùn)練提供傷員流。運(yùn)用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)傷員仿真，首先需要將傷員相關(guān)的屬性數(shù)字化，即建立傷員模型。傷員模型要具備傷員分類救治相關(guān)屬性，滿足衛(wèi)勤組織指揮研究和衛(wèi)勤技能訓(xùn)練等特殊需求，如與傷員的分類救治相關(guān)的傷員癥狀、傷情、傷勢等；與傷勢分類相關(guān)的呼吸、收縮壓、神志等生命體征和計(jì)算模型；與傷員后送運(yùn)力的需求計(jì)算、戰(zhàn)救藥材消耗相關(guān)的參數(shù)模型。這種在常規(guī)計(jì)算機(jī)模型上處理成符合衛(wèi)勤研究和衛(wèi)勤技能訓(xùn)練使用要求的模型的過程，就是衛(wèi)勤傷員的二次建模，亦稱為衛(wèi)勤傷員的仿真建模。根據(jù)衛(wèi)勤組織指揮與保障模擬中的用途及計(jì)算機(jī)仿真特點(diǎn)，可以將衛(wèi)勤傷員仿真模型分為數(shù)據(jù)仿真和感知仿真2種描述方式[7]。

2.2 衛(wèi)勤傷員的數(shù)據(jù)仿真

簡單來說，數(shù)據(jù)仿真就是提供給計(jì)算機(jī)來分析和處理衛(wèi)勤傷員的模型，是計(jì)算機(jī)把一系列數(shù)據(jù)和模型轉(zhuǎn)換成衛(wèi)勤傷員模型的過程，如傷員的傷情、傷類、生命體征、體位等。我們也可以把有衛(wèi)勤屬性的傷員數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)能夠識別的傷員模型的過程稱為“衛(wèi)勤傷員模型化”。衛(wèi)勤傷員數(shù)據(jù)仿真可用最常用的關(guān)系數(shù)據(jù)模型來描述，主要用于仿真交互和訓(xùn)練評估。計(jì)算機(jī)對現(xiàn)實(shí)世界中實(shí)體的抽象、描述以及處理等是通過各種模型來實(shí)現(xiàn)的，按模型應(yīng)用的不同目的，可以將模型分為2個層次，一是概念模型，二是數(shù)據(jù)模型[8]。概念模型是按用戶的觀點(diǎn)對數(shù)據(jù)和信息建模，用實(shí)體、屬性和聯(lián)系對概念模型進(jìn)行描述。如衛(wèi)勤傷員基本信息的概念模型中，傷員就是一個實(shí)體，傷員的屬性包括姓名、性別、出生年月、血型、藥物過敏史、職務(wù)、部別、民族、接種史。數(shù)據(jù)模型是相對概念模型而言的，是對客觀事物及其聯(lián)系的數(shù)據(jù)化描述，應(yīng)用ER圖，可建立概念模型到數(shù)據(jù)模型的轉(zhuǎn)換關(guān)系。衛(wèi)勤傷員的數(shù)據(jù)模型可以用關(guān)系模型（見表1）或面向?qū)ο竽Ｐ偷刃问奖硎觥?/p>

表1 后送等級關(guān)系表

2.3 衛(wèi)勤傷員的感知仿真

感知仿真的目的是直觀地展現(xiàn)衛(wèi)勤傷員，其內(nèi)容包括對傷員的視覺、聽覺、觸覺等多種感覺通道的仿真。視覺仿真通常也稱為“傷員可視化”，是感知仿真中的一種主要形式，就是將傷員的外觀、傷部、行為等要素以立體的、三維的或二維的圖形圖像表達(dá)出來。聽覺仿真是指通過對傷員聲音的模擬來營造傷員的狀態(tài)和傷情。觸覺仿真是指通過對人機(jī)交互設(shè)備的操作來實(shí)現(xiàn)衛(wèi)勤技術(shù)人員與傷員的交流，使參訓(xùn)人員產(chǎn)生臨場感。我們也可以把建立感知仿真模型的過程稱為“衛(wèi)勤傷員感知化”。這種通過多感覺通道的模擬來實(shí)現(xiàn)臨場感覺的技術(shù)就是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，主要用于衛(wèi)勤組織指揮和訓(xùn)練模擬。

衛(wèi)勤傷員的數(shù)據(jù)仿真和感知仿真是針對不同對象來說的，但都是以數(shù)字化的衛(wèi)勤傷員信息為基礎(chǔ)。在衛(wèi)勤傷員虛擬仿真模擬應(yīng)用中，這2種仿真描述方式互為作用，計(jì)算機(jī)對數(shù)據(jù)模型讀取和解釋，并通過感知仿真，立體、形象地將虛擬仿真?zhèn)麊T展現(xiàn)給應(yīng)用人員，而程序應(yīng)用人員又可以通過人機(jī)交互改變數(shù)據(jù)仿真的結(jié)果。

3 衛(wèi)勤傷員仿真模型內(nèi)容

關(guān)于衛(wèi)勤傷員數(shù)據(jù)模型有較多研究[9-10]，根據(jù)衛(wèi)勤傷員信息對衛(wèi)勤組織指揮、傷員醫(yī)療后送、醫(yī)療物資保障等的作用與影響，可從數(shù)據(jù)模型和感知模型

2個方面來構(gòu)建仿真模型，如圖2所示。

圖2 虛擬仿真?zhèn)麊T模型類型及內(nèi)容

3.1 數(shù)據(jù)模型內(nèi)容

衛(wèi)勤組織和保障主要是圍繞傷員的急救、救治和后送展開的，衛(wèi)勤傷員信息由傷員信息和救治傷員相關(guān)的衛(wèi)勤需求信息組成，傷員自身情況及其衛(wèi)生勤務(wù)需求共同構(gòu)成了衛(wèi)勤傷員的信息內(nèi)容。衛(wèi)勤傷員信息的內(nèi)容由3個部分組成：（1）傷員信息，如傷員基本情況信息，傷類、傷情、傷勢等信息；（2）醫(yī)療救治信息，如診斷信息、救治信息等；（3）衛(wèi)勤需求信息，如衛(wèi)勤指揮信息、醫(yī)療后送信息、醫(yī)療運(yùn)力信息、醫(yī)療裝備信息以及藥材物資消耗信息等。數(shù)據(jù)模型是對衛(wèi)勤傷員信息的數(shù)據(jù)描述，它主要包括3個方面：（1）傷員基本信息：ID號及其關(guān)聯(lián)信息（姓名、性別、出生年月、血型、藥物過敏史、職務(wù)、部別、民族、接種史等）。（2）戰(zhàn)傷狀態(tài)信息：①負(fù)傷時間和負(fù)傷地點(diǎn)信息。②傷部信息。按我軍現(xiàn)行方法，劃分為顱腦、頜面、頸、胸（背）腹（腰）、骨盆（會陰）、脊柱、上肢（左、右）、下肢（左、右）、內(nèi)臟10個部位。③傷型信息。我軍傷票規(guī)定的傷型有：貫通傷、盲管傷、切線傷、閉合傷及其他。④傷勢信息。將傷勢分為輕傷、中等傷、重傷3類。⑤傷類信息。按照致傷武器，分為常規(guī)武器傷、核武器傷、化學(xué)武器傷、生物武器傷；按照致傷因素，分為彈片傷、地雷傷、槍彈傷、刃器傷、燒傷、擠壓傷、沖擊傷、毒劑傷、核放射傷、凍傷等。（3）傷員醫(yī)療救護(hù)后送信息：①傷員救治信息具體包括急救信息、緊急救治信息、早期治療信息、專科治療信息。②傷員分類信息包括收容分類信息、救治分類信息和后送分類信息。③傷員后送信息包括后送等級、后送方式、后送工具、后送時傷員體位、后送去向、途中醫(yī)療、觀察措施等。

3.2 衛(wèi)勤傷員感知模型

衛(wèi)勤傷員感知模型的建立目的是實(shí)現(xiàn)多維的、可感知的、可交互的、形象逼真的虛擬衛(wèi)勤傷員，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬仿真。衛(wèi)勤傷員感知模型在視覺、聽覺、觸覺和交互方面需達(dá)到以下要求：（1）在視覺上，一是要求衛(wèi)勤傷員感知模型外觀逼真，一般情況下，衛(wèi)勤傷員應(yīng)著新式迷彩服。二是從外觀上基本能辨別受傷部位，受傷部位按數(shù)據(jù)模型中的傷部信息顯示，受傷部位有必要的包扎和固定，包扎和固定的方式和表現(xiàn)形式符合戰(zhàn)救5項(xiàng)技術(shù)要求。三是衛(wèi)勤傷員具有合理的體位狀態(tài)，如直立、仰臥位；必要的運(yùn)動屬性，如獨(dú)立行走、跛行、扶拐等行走形式。（2）在聽覺上，衛(wèi)勤傷員具有合理的語言能力，傷部的觸痛和活動痛的聲音表達(dá)。（3）在觸覺上，衛(wèi)勤傷員具有體征反應(yīng)交互能力，如受傷部位的觸痛反應(yīng)。（4）在交互上，傷員能按要求回答病史、癥狀，完成上下肢的吩咐動作，能行走的輕傷員可按要求行走到某一區(qū)域。能測量血壓、脈搏，能對傷員進(jìn)行意識判斷。傷員能接受醫(yī)護(hù)人員的處置，如掛分類牌、包扎、固定、氣管插管等。

4 虛擬仿真?zhèn)麊T生成

虛擬仿真?zhèn)麊T生成大致分為4個過程[11]：（1）要廣泛收集傷員及相關(guān)行為的媒體素材，包括圖片、文字、聲音、視頻和動畫等，如傷員受傷部位、傷口包扎外觀、傷員跛行姿勢等，通過Photoshop等軟件對相關(guān)圖片、視頻進(jìn)行預(yù)處理，制作服裝、傷口、包扎等紋理；（2）對對象進(jìn)行特征提取，使用3DSMAX等建立三維模型，應(yīng)用烘焙技術(shù)、布置燈光、渲染設(shè)置，得到最佳的三維效果，導(dǎo)出相應(yīng)格式文件；（3）使用3D引擎工具，如Unity3D軟件等，對模型進(jìn)行優(yōu)化、調(diào)節(jié)動畫，編寫C#腳本實(shí)現(xiàn)智能控制；（4）對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化并發(fā)布，調(diào)試完善并提交。

突發(fā)大量傷員產(chǎn)生是衛(wèi)勤保障的特點(diǎn)，在模擬大批量傷員的產(chǎn)生時，主要涉及2個方面的參數(shù)：（1）傷員的總體數(shù)量及其在時間上的分布；（2）傷員的主要傷部、傷類、傷情、傷型及其比例。大批量傷員生成參數(shù)可應(yīng)用傷員生成器來實(shí)現(xiàn)，傷員各類參數(shù)由想定編輯器完成設(shè)定，也可按多樣化軍事任務(wù)預(yù)先設(shè)定，生成衛(wèi)勤傷員數(shù)據(jù)庫。最后根據(jù)衛(wèi)勤傷員數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)模型，生成虛擬仿真?zhèn)麊T，并將相關(guān)數(shù)據(jù)與虛擬模型相關(guān)聯(lián)，形成逼真的三維虛擬傷員和具有豐富衛(wèi)勤組織指揮和保障屬性的衛(wèi)勤傷員。

[1]任劍.虛擬仿真技術(shù)及其在軍事上的應(yīng)用[J].軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品，2007（6）：30-31.

[2]馬彥軍.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的戰(zhàn)場仿真系統(tǒng)研究[M].北京：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2006.

[3]李靖，曹秀堂.機(jī)動衛(wèi)勤分隊(duì)人員與訓(xùn)練信息化管理模式探討[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2011，32（3）：118-119.

[4]張曉硌，吳勁松，毛穎，等.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在神經(jīng)外科術(shù)前計(jì)劃中的應(yīng)用[J].中華顯微外科雜志，2006，29（6）：415-417.

[5]譚海珠，楊棉華，陳丹蕓，等.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的發(fā)展與應(yīng)用[J].醫(yī)學(xué)教育探索，2005（6）：56-58.

[6]游雄.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的戰(zhàn)場環(huán)境仿真[J].測繪學(xué)報(bào)，2002，30（1）：7-11.

[7]黃梯云.管理信息系統(tǒng)[M].4版.北京：高等教育出版社，2009：131-140.

[8]李延鵬.戰(zhàn)傷傷員信息數(shù)字化研究[D].重慶：第三軍醫(yī)大學(xué)，2006.

[9]游海燕，李延鵬，周世偉.心理戰(zhàn)傷傷員信息數(shù)字化編碼研究[J].西南國防醫(yī)藥，2008，18（1）：129-131.

[10]龔星耀，張強(qiáng)，姜志寬.全數(shù)字化戰(zhàn)場傷病員信息采集傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].東南國防醫(yī)藥，2008，10（5）：388-389.

[11]陳曉青，王少偉.基于Unity的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育中的應(yīng)用[J].軟件導(dǎo)刊·教育技術(shù)，2011（12）：76－78.

（收稿：2013-03-06 修回：2013-07-08）

Study on Virtual Simulation Model for Medical Support Wounded

CHEN Rong-jian1,CHEN Li-fu2,YU Wei-tao1,WEN Xin-jian1
(1.The 184th Hospital of the PLA,Yingtan 335000,Jiangxi Province,China;2.Department of Military Health Management, Faculty of Health Management,the Second Military Medical University,Shanghai 200433,China)

ObjectiveTo develop a virtual simulation model for medical support wounded for casualty treatment and medical command.MethodsMedical support wounded was described and modeled from the aspects of data simulation and perception simulation to establish the model,based on medical service theories and information technology.ResultsA complete virtual simulation model was built for the wounded,and a virtual wounded generator was designed.ConclusionThe study on the models for data simulation and perception simulation promotes the virtual simulation system for medical command and support,and thus enhances the medical service study and training.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（1）：34-36]

medical support wounded;data simulation;perception simulation;virtual simulations

R318；TP391．9

A

1003-8868（2014）01-0034-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.01.034

全軍 “十二五”后勤科研面上項(xiàng)目（CWS11L041）；南京軍區(qū)醫(yī)學(xué)科技創(chuàng)新課題項(xiàng)目（11MA114）

陳榮劍（1970—），男，副主任醫(yī)師，院長，主要從事醫(yī)院管理和醫(yī)院衛(wèi)勤保障組織指揮等方面的研究工作，E-mail：crjone001@126.com；陳立富（1967—），男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)檐婈?duì)衛(wèi)生信息管理，虛擬仿真研究及輿情信息研究，涉醫(yī)網(wǎng)絡(luò)輿情研究。

335000江西鷹潭，解放軍184醫(yī)院（陳榮劍，余維濤，文新建）；200433上海，第二軍醫(yī)大學(xué)衛(wèi)勤系軍隊(duì)健康管理學(xué)教研室（陳立富）

陳立富，E-mail：lifusmmu@126.com