虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在災(zāi)害救援醫(yī)療急救手術(shù)教學(xué)訓(xùn)練中的應(yīng)用

王 新，彭碧波，董一潁

虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality， VR）技術(shù)，目前已經(jīng)成熟廣泛地應(yīng)用于游戲設(shè)計(jì)、機(jī)械工程模擬、通用教學(xué)輔助中。而災(zāi)害救援醫(yī)療急救場(chǎng)景下的手術(shù)教學(xué)訓(xùn)練，存在場(chǎng)景難以重建，建筑物實(shí)景模擬成本高昂，流程操作易受環(huán)境及特殊情境影響難以標(biāo)準(zhǔn)化等問題。隨著計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)等電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，VR技術(shù)在該領(lǐng)域已逐漸得到研究應(yīng)用。

1 VR技術(shù)概述

1.1 用戶的沉浸式體驗(yàn) 很多文獻(xiàn)在定義VR技術(shù)時(shí)，都把“用戶的沉浸式體驗(yàn)”作為一種不可或缺的技術(shù)效果來描述，可以認(rèn)為“用戶的沉浸式體驗(yàn)”是VR技術(shù)的終極目標(biāo)和根本特征。虛擬與現(xiàn)實(shí)這兩個(gè)詞本來代表一對(duì)含義截然相反的概念，把兩個(gè)反義的詞匯組合在一起命名一種新的技術(shù)，體現(xiàn)了這種技術(shù)的最大特點(diǎn)，那就是虛擬與現(xiàn)實(shí)的相似和模糊。依托于不同領(lǐng)域算法模型的計(jì)算機(jī)仿真成就了這種相似性，結(jié)合了多形式傳感器的人機(jī)交互設(shè)備在用戶的意識(shí)里，模糊了虛擬與現(xiàn)實(shí)的界限。計(jì)算機(jī)仿真和人機(jī)交互設(shè)備共同構(gòu)成了“沉浸式體驗(yàn)”的技術(shù)基礎(chǔ)。從這個(gè)理解來看，計(jì)算機(jī)仿真引導(dǎo)了VR技術(shù)的產(chǎn)生，獨(dú)占用戶感覺器官的人機(jī)交互設(shè)備造就了VR技術(shù)的成型。目前，代表VR技術(shù)發(fā)展方向的頭部顯示設(shè)備，已經(jīng)完全占用了用戶的視覺交互通道[1]。

1.2 VR技術(shù)目前的應(yīng)用領(lǐng)域 VR技術(shù)目前的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，在工業(yè)制造、軍事、航天、娛樂、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用極具代表性，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了仿真模型和人機(jī)交互設(shè)備的完美結(jié)合。VR技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，尤其具有重要的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。由于手術(shù)示教需要引導(dǎo)，VR技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用以手術(shù)模擬為代表。其中的仿真模型即是“虛擬的人體模型”，人機(jī)交互設(shè)備則包括了與手術(shù)操作相關(guān)的頭部顯示設(shè)備、感覺手套及一系列的位置傳感器等。在醫(yī)學(xué)手術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)用化的VR應(yīng)用包括：導(dǎo)管插入動(dòng)脈的模擬、眼睛手術(shù)模擬、口腔手術(shù)模擬等。相比較之下，災(zāi)害救援場(chǎng)景下的急救手術(shù)尚無實(shí)用化的VR應(yīng)用。

2 災(zāi)害救援醫(yī)療急救手術(shù)的特點(diǎn)和難點(diǎn)

2.1 傷病員傷情復(fù)雜，并發(fā)癥多 災(zāi)害救援所面對(duì)的災(zāi)害類型多樣，包括地震、火災(zāi)、臺(tái)風(fēng)、雪災(zāi)、空難、礦難、沉船事故、傳染病疫情、暴恐襲擊等[2]，多樣的災(zāi)害類型造成復(fù)雜的傷亡情況，傷病員呈現(xiàn)傷情復(fù)雜，并發(fā)癥多的特點(diǎn)。手術(shù)所面臨的傷情可能包括：昏迷、氣胸、眼球破裂傷、腦膨出、腸脫出、離斷肢、脊柱損傷、大面積燒傷、創(chuàng)傷性休克、創(chuàng)傷性感染、放射性污染、化學(xué)中毒、海水浸泡等[3]。這些傷情在醫(yī)師平時(shí)的診療過程中并不多見，盡管相關(guān)的理論研究已十分充分，但手術(shù)處理畢竟需要醫(yī)師的實(shí)踐，救治效果也與其經(jīng)驗(yàn)密切相關(guān)，因此傷情復(fù)雜是災(zāi)害急救手術(shù)的最大難點(diǎn)。

2.2 手術(shù)目的以快速急救為主 災(zāi)害救援隊(duì)伍中，攜帶手術(shù)裝備的救援隊(duì)伍人數(shù)有限，其部署地域有很大可能并未覆蓋全部受災(zāi)地區(qū)，這決定了災(zāi)害救援的手術(shù)要依托整個(gè)救援體系展開，要考慮后送醫(yī)療支持。因此，手術(shù)目的主要以快速急救為主，為后送爭(zhēng)取時(shí)間，并盡量搶救更多的傷員，這是災(zāi)害救援手術(shù)這一最大特點(diǎn)。

2.3 手術(shù)準(zhǔn)備時(shí)間有限 災(zāi)害往往發(fā)生突然，為能在“黃金救援時(shí)間”趕赴現(xiàn)場(chǎng)，救援隊(duì)員準(zhǔn)備時(shí)間有限。到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，一旦發(fā)現(xiàn)傷員，也需立即搶救，缺乏充足的準(zhǔn)備時(shí)間。這個(gè)特點(diǎn)使現(xiàn)場(chǎng)醫(yī)師需在手術(shù)方式的選擇上做出權(quán)衡，手術(shù)準(zhǔn)備時(shí)間有限的特點(diǎn)也限制了現(xiàn)場(chǎng)手術(shù)的適用范圍，是災(zāi)害救援時(shí)進(jìn)行手術(shù)的另一難點(diǎn)。

2.4 醫(yī)療救援隊(duì)員身心疲勞，心理壓力大 醫(yī)療救援隊(duì)員數(shù)量有限，而災(zāi)害事件往往在短時(shí)間內(nèi)造成大量傷員。如果后勤保障受環(huán)境限制，手術(shù)醫(yī)師的飲食和休息就得不到保障，容易疲勞。災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境與傷員的傷情也會(huì)對(duì)救援隊(duì)員產(chǎn)生嚴(yán)重的心理沖擊。因此，醫(yī)療救援隊(duì)員身心疲勞，心理壓力大，是災(zāi)害急救手術(shù)的又一難點(diǎn)。

3 VR技術(shù)在災(zāi)害救援醫(yī)療急救手術(shù)教學(xué)訓(xùn)練中的可行性

3.1 訓(xùn)練場(chǎng)景貼近實(shí)戰(zhàn)適應(yīng)提高訓(xùn)練針對(duì)性的要求訓(xùn)練是實(shí)戰(zhàn)的預(yù)演，提高訓(xùn)練針對(duì)性，可達(dá)到熟悉救援流程，鍛煉隊(duì)員技能和心理素質(zhì)的效果，而盡可能地讓訓(xùn)練場(chǎng)景的布置貼近災(zāi)害救援現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，才能達(dá)到這一目的。目前的救援演練除了提前布置救援場(chǎng)景，還會(huì)采用播放真實(shí)錄像的方式，讓參訓(xùn)隊(duì)員自己想象和體會(huì)所處環(huán)境的狀態(tài)[4]。但演練前的心理預(yù)期，現(xiàn)場(chǎng)整潔有序的裝備都會(huì)削弱和干擾隊(duì)員對(duì)災(zāi)害環(huán)境的想象。VR技術(shù)獨(dú)占隊(duì)員的某種或某幾種感覺通道，通過場(chǎng)景模型構(gòu)建，讓隊(duì)員們?cè)诟泄賹用娈a(chǎn)生身處災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的印象，可在場(chǎng)景環(huán)境方面提高訓(xùn)練針對(duì)性，提升訓(xùn)練效果。

3.2 遂行非戰(zhàn)爭(zhēng)軍事行動(dòng)需要戰(zhàn)略前瞻性和場(chǎng)景預(yù)見性 參與災(zāi)害救援是軍事救援力量執(zhí)行的典型非戰(zhàn)爭(zhēng)軍事行動(dòng)。因?yàn)?zāi)害類型多樣、發(fā)生時(shí)間不定、損毀程度不能快速估計(jì)，災(zāi)害救援的訓(xùn)練成為以往災(zāi)害救援的復(fù)盤推演，這使訓(xùn)練失去了前瞻性。而通過訓(xùn)練總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)在指導(dǎo)后續(xù)救援行動(dòng)前，需通過模擬訓(xùn)練的檢驗(yàn)，這又使得技能提升和流程優(yōu)化的周期拉長(zhǎng)，表現(xiàn)為救援行動(dòng)對(duì)災(zāi)害場(chǎng)景的預(yù)見性不足。VR技術(shù)在災(zāi)害場(chǎng)景建模方面的優(yōu)勢(shì)，能使災(zāi)害場(chǎng)景的構(gòu)建具有前瞻性，不僅可模擬已發(fā)生的災(zāi)害情形，且可依據(jù)現(xiàn)有模型參數(shù)推演可能的災(zāi)害情形。同時(shí)，依托模型優(yōu)化和高性能計(jì)算技術(shù)，VR技術(shù)構(gòu)建的救援形勢(shì)可隨訓(xùn)練的推進(jìn)而不斷演化，使訓(xùn)練場(chǎng)景的切換周期縮短，訓(xùn)練節(jié)奏加快，訓(xùn)練經(jīng)驗(yàn)也能以更短的周期納入實(shí)際救援操作中。

3.3 手術(shù)裝備信息化水平的提升依賴于多層次的實(shí)踐提煉 雖然目前的災(zāi)害救援裝備已能支撐災(zāi)害救援的手術(shù)操作，但仍存在便攜性不足、信息化整合程度有限等問題。在手術(shù)裝備信息化整合方面，來自救援實(shí)踐的反饋?zhàn)钣幸饬x。手術(shù)裝備信息系統(tǒng)與災(zāi)害救援信息系統(tǒng)互聯(lián)可提升救援指揮對(duì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的感知能力，而手術(shù)裝備信息化水平的提升需多層次實(shí)踐提煉。這對(duì)災(zāi)害救援訓(xùn)練的信息化水平提出了更高要求。VR技術(shù)在手術(shù)裝備操作中的應(yīng)用，不僅可檢驗(yàn)現(xiàn)有手術(shù)裝備在不同災(zāi)害場(chǎng)景中的適用性，并能從手術(shù)使用、系統(tǒng)互聯(lián)等多個(gè)層次提煉改進(jìn)方向，幫助提升手術(shù)裝備的信息化水平。

3.4 VR技術(shù)的支撐是遠(yuǎn)程手術(shù)救援的基礎(chǔ) 遠(yuǎn)程手術(shù)救援是災(zāi)害救援醫(yī)療的延伸：（1）可提供手術(shù)方式、范圍等方面的遠(yuǎn)程指導(dǎo)；（2）能在現(xiàn)場(chǎng)手術(shù)遭遇突發(fā)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，提供風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和應(yīng)對(duì)指導(dǎo)；（3）可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)手術(shù)情況，提前準(zhǔn)備傷病員的后續(xù)手術(shù)措施，減少因信息不暢或手術(shù)條件不同而導(dǎo)致的后送延遲和逐級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)。遠(yuǎn)程手術(shù)救援中的上述應(yīng)用需VR技術(shù)的支撐，一方面VR技術(shù)可精確記錄現(xiàn)場(chǎng)傷員的受傷情況，另一方面VR技術(shù)的模型重建可為遠(yuǎn)程手術(shù)救援的個(gè)性化手術(shù)方案提供驗(yàn)證。因此，VR技術(shù)可成為遠(yuǎn)程手術(shù)救援應(yīng)用的基礎(chǔ)支撐系統(tǒng)。

4 VR技術(shù)在災(zāi)害救援醫(yī)療急救手術(shù)教學(xué)訓(xùn)練中的優(yōu)勢(shì)及意義

進(jìn)行災(zāi)害救援急救手術(shù)教學(xué)訓(xùn)練時(shí)，VR技術(shù)可構(gòu)建多重?cái)?shù)學(xué)模型，與災(zāi)害救援信息系統(tǒng)的對(duì)接，進(jìn)行人機(jī)交互設(shè)備與手術(shù)環(huán)境的匹配，訓(xùn)練過程中操作者能夠積累學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，了解參與者的操作技能情況，這些數(shù)據(jù)結(jié)果集可指導(dǎo)訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行模型的智能優(yōu)化，便于參與者在沉浸式體驗(yàn)災(zāi)害救援醫(yī)療情景下進(jìn)行急救手術(shù)的實(shí)際流程訓(xùn)練和細(xì)節(jié)演練。

4.1 使用多重?cái)?shù)學(xué)模型構(gòu)建的優(yōu)勢(shì) 多重?cái)?shù)學(xué)模型，泛指VR場(chǎng)景的實(shí)時(shí)響應(yīng)性質(zhì)所需的從微觀操作到宏觀態(tài)勢(shì)的所有數(shù)學(xué)模型。具體包括：視聽覺實(shí)景模型，用以模擬不同災(zāi)害類型的救援現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境給救援隊(duì)員帶來的視聽覺沖擊；救治態(tài)勢(shì)模型，用以評(píng)估和響應(yīng)不同的檢傷分類方法與手術(shù)方式對(duì)傷病員救治進(jìn)程的影響；傷病員傷亡模型，評(píng)估模擬在不同災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的不同數(shù)量的傷亡人員，甚至可以模擬每位傷病員的傷害部位、嚴(yán)重程度等；手術(shù)預(yù)后模型，用以模擬手術(shù)救治后傷病員的轉(zhuǎn)歸情況及對(duì)后送治療資源的要求等。在以上所述的模型中，手術(shù)預(yù)后模型可從急診急救手術(shù)示教的樣本中提取加工，其余數(shù)學(xué)模型可從以往的仿真訓(xùn)練、技術(shù)總結(jié)中提煉加工。

4.2 與災(zāi)害救援信息系統(tǒng)對(duì)接的優(yōu)勢(shì) 災(zāi)害救援信息系統(tǒng)泛指災(zāi)害救援過程中涉及的組織指揮、通信保障、搜救定位、遠(yuǎn)程醫(yī)療等信息系統(tǒng)[5]，廣義上還包括現(xiàn)場(chǎng)與后方的相關(guān)醫(yī)技信息系統(tǒng)。災(zāi)害救援醫(yī)療急救的過程，是需要考慮特殊場(chǎng)景下綜合多方面因素的系統(tǒng)工程，參與救援的醫(yī)護(hù)人員得到的輔助信息越多，受訓(xùn)演練時(shí)接觸的災(zāi)害場(chǎng)景下急救具體操作越真實(shí)，醫(yī)護(hù)人員在實(shí)際救援行動(dòng)中的醫(yī)療操作水平越穩(wěn)定。用了VR技術(shù)的手術(shù)教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)至少可與遠(yuǎn)程醫(yī)療、醫(yī)技檢查等信息系統(tǒng)對(duì)接。這種對(duì)接還可為未來的災(zāi)害救援現(xiàn)場(chǎng)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用提供便利。

4.3 推進(jìn)匹配手術(shù)環(huán)境的人機(jī)交互設(shè)備研發(fā)的意義目前已有為手術(shù)示教而研發(fā)的可穿戴錄音錄像設(shè)備，在匹配手術(shù)環(huán)境方面做出了多項(xiàng)改進(jìn)設(shè)計(jì)。穿戴方式與位置的選擇，形狀與重量的設(shè)計(jì)等，都需考慮特殊場(chǎng)景下手術(shù)環(huán)境中的要求。比如不遮擋手術(shù)視野，不因穿戴調(diào)整而分散醫(yī)師注意力等。目前為游戲娛樂而研發(fā)的頭部顯示設(shè)備，配備了位置和姿態(tài)傳感系統(tǒng)，顯示的畫面更貼近實(shí)際，并能實(shí)時(shí)更新和反饋。以上兩方面的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)成果可供VR人機(jī)交互設(shè)備采用，目前多應(yīng)用于常規(guī)手術(shù)環(huán)境，針對(duì)災(zāi)害救援醫(yī)療急救這類場(chǎng)景的特殊性不強(qiáng)，需大量的數(shù)據(jù)及訓(xùn)練樣本做交互設(shè)備的持續(xù)改進(jìn)。

4.4 數(shù)據(jù)積累與自學(xué)習(xí)的意義 數(shù)據(jù)積累與自學(xué)習(xí)是VR與人工智能結(jié)合的應(yīng)用領(lǐng)域。在大樣本量的數(shù)據(jù)分析方面，基于深度學(xué)習(xí)的人工智能模型已取得超越人類的突破。在以往的醫(yī)學(xué)教育實(shí)踐中，臨床技能學(xué)習(xí)和訓(xùn)練很大程度上是在實(shí)際臨床工作中、在真實(shí)的患者身上進(jìn)行的。這種傳統(tǒng)模式存在幾個(gè)明顯的弊端，缺乏臨床經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生直接參與對(duì)患者的操作會(huì)增加事故風(fēng)險(xiǎn)，單項(xiàng)操作的訓(xùn)練量和頻次難以控制等[6，7]。而災(zāi)害救援積累的數(shù)據(jù)有限，要在有限的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，不斷驗(yàn)證和改進(jìn)VR技術(shù)，需借助人工智能的成熟算法。在對(duì)有限數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后，生成類似、合理的模型數(shù)據(jù)，這也是提高災(zāi)害救援訓(xùn)練前瞻性和場(chǎng)景預(yù)見性的可選措施。同時(shí)，每一次基于VR模型的訓(xùn)練都可為模型的改進(jìn)提供數(shù)據(jù)積累，使VR模型自我進(jìn)化，貼近災(zāi)害救援實(shí)際，這對(duì)于整個(gè)災(zāi)害救援醫(yī)療急救手術(shù)教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)的持續(xù)改進(jìn)和優(yōu)化方面有著顯著優(yōu)勢(shì)和重要意義，能更好地降低學(xué)習(xí)訓(xùn)練成本，標(biāo)準(zhǔn)化特殊場(chǎng)景下的急救流程，提高操作訓(xùn)練水平。

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