虛擬現(xiàn)實技術在武警衛(wèi)勤無縫救援系統(tǒng)中的應用

馮基，韓波

武警山西總隊醫(yī)院 信息科，山西 太原 030006

虛擬現(xiàn)實技術在武警衛(wèi)勤無縫救援系統(tǒng)中的應用

馮基，韓波

武警山西總隊醫(yī)院 信息科，山西 太原 030006

虛擬現(xiàn)實正逐漸成為信息領域中不可或缺的技術，這種技術可以使人與人或人與環(huán)境以一種舒適的方式進行交互和交流，給人一種身臨其境的體驗。目前有很多應用領域均引入虛擬現(xiàn)實技術，武警衛(wèi)勤無縫救援系統(tǒng)已經具備實時性、高效性等特點。本文以武警衛(wèi)勤無縫救援系統(tǒng)為背景，利用虛擬現(xiàn)實技術實現(xiàn)救援系統(tǒng)智能化運作，把虛擬現(xiàn)實技術應用于武警衛(wèi)勤無縫救援系統(tǒng)，能夠在救援活動中提供更高效，更安全的救援方法。

虛擬現(xiàn)實；遠程協(xié)助；救援系統(tǒng)；場景模擬；遠程醫(yī)療

引言

虛擬現(xiàn)實技術就是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng)。這種系統(tǒng)生成的各種虛擬環(huán)境，作用于用戶的視覺、聽覺、觸覺，使用戶沉浸其中，產生身臨其境的感覺[1]。虛擬現(xiàn)實技術有以下幾個特點：

（1）沉浸性。虛擬現(xiàn)實技術創(chuàng)造的虛擬環(huán)境，使用戶相信虛擬環(huán)境中的事物或人是確實存在的，與現(xiàn)實環(huán)境基本沒有差別[2]。

（2）交互性。在虛擬環(huán)境中，用戶如同在真實環(huán)境中一樣，與其中的人物、事物發(fā)生交互關系。

（3）構想性。虛擬現(xiàn)實技術可以啟發(fā)人的創(chuàng)造性活動，可以把用戶對事物的認識過程由被動地接受變?yōu)橹鲃拥貙で?、探索。隨著科技的進步，虛擬現(xiàn)實技術將會為人類帶來一場大眾市場的革命[3]。所以，目前有很多應用領域均引入虛擬現(xiàn)實技術。

武警衛(wèi)勤無縫救援系統(tǒng)能夠在第一時間將醫(yī)學專家的指導意見用于救援前線，醫(yī)學專家手持移動終端設備可以與救援前線的醫(yī)務工作人員在轉運途中進行數(shù)據(jù)傳輸和音視頻會話，實現(xiàn)了救援過程中的統(tǒng)一調度指揮。此系統(tǒng)通過實時調用病史體征、急救預案、醫(yī)學專家知識庫以及指揮調度數(shù)據(jù)庫，為醫(yī)務工作者提供有價值的參考資料，對患者進行有效的治療。武警衛(wèi)勤無縫救援系統(tǒng)還具備數(shù)據(jù)挖掘功能，對今后救援工作起到預測和分類作用[4]。本文將虛擬現(xiàn)實技術與武警衛(wèi)勤救援系統(tǒng)相結合，可以使武警衛(wèi)勤救援系統(tǒng)的實時性更高、畫面更真實，從而提高軍隊數(shù)字化衛(wèi)勤工作的效率。

1 虛擬現(xiàn)實技術在醫(yī)學領域的研究進展

1.1 虛擬手術

虛擬手術系統(tǒng)是專門用來對手術全過程進行仿真的虛擬現(xiàn)實應用系統(tǒng)，主要包括虛擬建模、醫(yī)學數(shù)據(jù)的可視化、人體組織器官的應力形變仿真、傳感與反饋、高速圖形顯示與圖像處理等幾部分[5]。在實際手術中，醫(yī)生主要依靠視覺和觸覺的反饋信息對病人模型進行手術操作，通過高速寬帶將動作信息傳送給手術機器人，由手術機器人對病人進行手術。手術的實際進展情況通過在手術機器人上配置的高清攝像機傳回醫(yī)生佩戴的虛擬現(xiàn)實頭盔，醫(yī)生可以實時掌握手術的情況并及時發(fā)出手術指令[6]。因此，虛擬手術系統(tǒng)大都是針對視覺與觸覺兩大方面的仿真研究，通過視覺反饋直觀地呈現(xiàn)出逼真的虛擬手術場景及操作對象，利用觸覺反饋感受虛擬環(huán)境中力的作用并對操作作出及時、正確的判斷[7]。

目前，國內多所大學和科研機構均對虛擬手術技術進行了研究，其中影響力較大的有：中科院自動化所研制的三維醫(yī)學仿真分析軟件3DMed[8]和基于力反饋技術的虛擬手術刀；解放軍總醫(yī)院和國防科技大學開發(fā)完成的虛擬鼻內窺鏡手術仿真系統(tǒng)[9]和膝關節(jié)鏡手術仿真系統(tǒng)[10]，并且這兩個系統(tǒng)已在臨床中得到應用。

而在國際上，多所研究機構和商業(yè)公司在虛擬手術仿真領域的研究也取得了較大的成果，美國的Chanthasopeephan等[11]設計的基于有限元軟組織切割的手術仿真器；日本的Yusuke等[12]設計了高質量可視化的虛擬手術仿真系統(tǒng)；德國的Fuchs等[13]采用CT數(shù)據(jù)進行三維重建并對兒童肝臟血管畸形設計了手術仿真治療規(guī)劃系統(tǒng)。

1.2 虛擬現(xiàn)實場景模擬

隨著虛擬現(xiàn)實技術的不斷發(fā)展，在醫(yī)學領域，研究人員應用虛擬現(xiàn)實技術構建了一套典型的應用系統(tǒng)，用于自然災害、緊急救援等場景的模擬[14]。相關組織可以利用這些系統(tǒng)對目標場景各種復雜情況的模擬，對救援人員進行訓練，可以有效增強救援人員在極端情況下的應急能力和心理素質，減少不必要的耗費，即便救援人員在模擬訓練時犯了嚴重的錯誤，也不會造成嚴重的后果，還會獲得實際的救援經驗。

目前，虛擬現(xiàn)實場景模擬的研究呈現(xiàn)多樣化，孟凡興等[15]將虛擬現(xiàn)實技術應用于火災緊急疏散系統(tǒng)，利用近似真實虛擬火災場景進行訓練，有效提高了人們在火災中的逃生能力；丘京松[16]將虛擬現(xiàn)實技術用于反恐和突發(fā)緊急傷害事件中，可以對救援人員提供了豐富、真實的內容以及長期有效的訓練方法，也提高了公眾在危機時刻的救援和自我保護能力。

也有許多學者對虛擬現(xiàn)實模擬場景應用于救治演練做了相關研究，如暴力恐怖襲擊[17]、自然災害、戰(zhàn)爭及戰(zhàn)后康復[18]等救治演練的應用也取得了很好的效果。這些研究表明，虛擬現(xiàn)實技術帶來的真實效果，可以使相關人員更好地應對現(xiàn)實中的突發(fā)事件[19]。虛擬現(xiàn)實技術也為緊急情況演練提供了新的方法。

1.3 虛擬現(xiàn)實技術應用于理論教學

利用虛擬現(xiàn)實技術構建虛擬人體或人體器官是通過計算機技術將人體或器官的結構進行數(shù)字化處理，轉換成計算機的語言信號，再現(xiàn)現(xiàn)實的人體或器官的模型。虛擬人體可以通過調控模仿現(xiàn)實人的各種反應，虛擬出的器官可以進行任意旋轉，醫(yī)學工作者可以根據(jù)需要對器官的結構和尺寸進行任意調節(jié)，這樣可以更加直觀地了解各器官之間的結構和關系[20]。

目前，我國在這個領域的研究還在初始階段，僅在上海、重慶、廣州等大城市構建了部分虛擬人體數(shù)據(jù)集。在國際上，最好的人體解剖圖譜數(shù)據(jù)庫是由美國國家醫(yī)學圖書館發(fā)起的可視化人計劃建立的三維人體的斷層成像、核磁共振成像和解剖切面的數(shù)字化人體圖像庫[21]。此外，Satava等[22]開發(fā)出一個腹部的虛擬現(xiàn)實模型，該模型允許使用者從器官的外部觀察解剖結構。Lim等[23]開發(fā)了一系列連續(xù)的簡短局部組織解剖模型，用以演示局部麻醉相關的解剖標志和針頭的控制水平。Zito等[24]在大量組織顯微數(shù)碼照片的基礎上，利用VR技術生成高分辨率的組織病理切片，從而使病理教學擺脫了顯微鏡的束縛，大大降低了病理切片的數(shù)量和成本。

2 虛擬現(xiàn)實技術在武警衛(wèi)勤無縫救援系統(tǒng)中的應用

武警衛(wèi)勤無縫救援系統(tǒng)已經具備實時性、高效性等特點，但是，在救援過程中，該系統(tǒng)提供或獲取的只是二維數(shù)據(jù)，由于二維數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式的局限性，并不能帶來身臨救援現(xiàn)場那樣真實的感受。再者，醫(yī)學專家如果不到達救援前線，就只能通過音視頻對前線醫(yī)務人員進行指導，不能進行實際操作。考慮到目前武警衛(wèi)勤無縫救援系統(tǒng)的不足，可以對系統(tǒng)做如下改進措施。

2.1 虛擬現(xiàn)實頭盔的配備

虛擬現(xiàn)實立體頭盔的光學技術設計和制造技術日趨完善，不僅作為個人應用顯示器，它還是緊湊型大屏幕投影系統(tǒng)設計的基礎，可將小型LCD顯示器件的影像透過光學系統(tǒng)做成全像大屏幕。除了在現(xiàn)代先進軍事電子技術中得到普遍應用成為單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)的必備裝備外，還拓展到民用電子技術中，虛擬現(xiàn)實電子技術系統(tǒng)首先應用了虛擬現(xiàn)實立體頭盔。

虛擬現(xiàn)實技術最先可能引發(fā)革命性變化的，極有可能是在醫(yī)療領域[25-26]。在醫(yī)學領域，虛擬現(xiàn)實頭盔能將病人的信息以逼真的立體形式呈現(xiàn)給醫(yī)學專家，使醫(yī)學專家感覺像是在病人的身邊，從而使醫(yī)學專家對現(xiàn)場情況的掌握程度遠遠高于目前系統(tǒng)所提供的的二維模式。例如，導管插入動脈的模擬器，可以反復實踐導管插入動脈時的操作。眼睛手術模擬器，根據(jù)人眼的前眼結構創(chuàng)造出三維立體圖像，并帶有實時的觸覺反饋，利用它可以觀察模擬移去晶狀體的全過程，并觀察到眼睛前部結構的血管、虹膜和鞏膜組織及角膜的透明度等。在救援過程中，醫(yī)學專家佩戴虛擬現(xiàn)實頭盔，可以身臨其境地獲取現(xiàn)場信息，與傷員進行交流，傷員感覺醫(yī)學專家就好像在自己身邊，這樣可以減輕傷員的傷痛和心理壓力。虛擬現(xiàn)實頭盔應用于手術機器人，能更好的滿足衛(wèi)勤無縫救援系統(tǒng)。

2.2 虛擬現(xiàn)實技術對遠程醫(yī)療技術發(fā)展的促進

目前，衛(wèi)勤無縫救援系統(tǒng)已經具備了使用計算機以及遠距離通信來對傷員的情況進行遠距離的診斷、治療的能力。運用虛擬現(xiàn)實技術和傳感器技術，后方醫(yī)學專家可以與傷員進行面對面交流，醫(yī)學專家也可以方便地了解傷員的各種體征信息，并且可以對傷員提供遠程手術服務。

在救援前線，救護車上目前只配備了在緊急情況下救援所需的基本醫(yī)療設備，這些醫(yī)療設備可以準確獲取病人的體征信息，但是對病人的救治非常有限，尤其是在需要立即進行手術的極端情況下，以目前救護車上的條件，且醫(yī)學專家不在現(xiàn)場，是無法及時進行手術的。手術機器人可以通過自身配備的高端攝像機將病人的圖像傳輸給后方的醫(yī)學專家，醫(yī)學專家對虛擬人體或器官進行操作，操作命令通過無線網(wǎng)絡傳輸給手術機器人，手術機器人接收到命令后，可以精確高效地完成手術，從而對病人進行及時的救治。

2.3 救援場景的模擬

運用虛擬現(xiàn)實的場景模擬技術可以模擬各種逼真的救援場景，如戰(zhàn)場、自然災害等特殊環(huán)境，幫助醫(yī)護人員熟悉各種救援環(huán)境。最重要的是在這種逼真的救援環(huán)境中，既使醫(yī)護人員犯了嚴重的錯誤，也不會造成嚴重的后果，醫(yī)護人員通過多次演練，可以提升自身的心理素質和熟練程度。

此外，通過對特殊救援環(huán)境的模擬，可以提升醫(yī)護人員處理特殊救援環(huán)境的應急能力，使傷員在這種極端環(huán)境下的生存幾率大大提高，比如海洋戰(zhàn)爭環(huán)境的處理、地震等災害環(huán)境的處理等。通過模擬大量的傷員，可以對救援程序及相關技術進行訓練，使醫(yī)護人員能在緊急情況下，以最高的效率完成救援任務。虛擬現(xiàn)實技術模擬出的各種救援環(huán)境，是將多學科的知識加以融合，如內科學、外科學、護理學、軍隊衛(wèi)生學、流行病學等，不是各科訓練的簡單累加[27]。虛擬現(xiàn)實技術的目的是為了提高醫(yī)護人員的運用專業(yè)知識的能力，判斷決策的能力。而模擬救援場景任務的完成，能提高各學科人員的團隊協(xié)作精神，從而更好地適應復雜環(huán)境下救援任務的需要。

3 展望

當前，虛擬現(xiàn)實技術在醫(yī)學領域的應用還在萌芽階段，有很多不足，并且與國際水平還有差距[28-29]。未來，伴隨著人工智能和網(wǎng)絡技術的發(fā)展，武警衛(wèi)勤無縫救援系統(tǒng)將實現(xiàn)機器人獲取病人體征記錄，后方醫(yī)學專家采用虛擬現(xiàn)實技術控制機器人完成對病人的各項救治，病人身臨其境的體驗也對病情的好轉起到促進作用；醫(yī)學專家操作虛擬人體或器官控制手術機器人，手術機器人可以更加精確、高效地完成更多的專業(yè)手術；得益于虛擬救援場景的搭建，救援人員的在極端環(huán)境下的救援水平將進一步提高，隨著無線網(wǎng)絡的覆蓋范圍的擴大和傳輸能力的提高，救援系統(tǒng)的救援范圍也將進一步擴大，延伸到目前無法覆蓋到的地方。在緊急的救援任務中，武警衛(wèi)勤無縫救援系統(tǒng)將以高度仿真化、高度智能化的硬件設備，主動地完成在惡劣環(huán)境下的救援任務。

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本文編輯 王婷

Application of Virtual Reality Technology in the Seamless Rescue System of Armed Police Medical Service

FENG Ji, HAN Bo

Department of Information, Shanxi Provincial Corps Hospital, Chinese People’s Armed Police Forces, Taiyuan Shanxi 030006, China

Virtual reality technology, which makes people and the environment interact with each other in a comfortable way, is becoming an indispensable technology in the field of information. At present, there are a lot of applications in the field of virtual reality technology, such as the seamless rescue system of armed police medical service, which has the characteristics of real-time, high efficiency and so on. This paper achieved seamless intelligent operation rescue system based on the background of seamless rescue system of armed police medical service and virtual reality technology. The seamless rescue system of armed police medical service could provide a more efficient and secure method to rescue activities when the virtual reality technology was applied.

virtual reality; remote assistance; rescue system; situation simulation; remote medical treatment

TP391.9

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.08.029

1674-1633(2017)08-0108-04

2017-03-03

2017-03-21

馮基，副主任醫(yī)師，主要研究方向為醫(yī)療信息化。

作者郵箱：790847532@qq.com