虛擬現(xiàn)實(shí)-增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在核與輻射突發(fā)事件應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援模擬訓(xùn)練中的應(yīng)用探討

郭 棟 ，楊曉明 ，魚 敏

核與輻射突發(fā)事件是指由于核設(shè)施、核武器和其他輻射裝置的不正?；蚍钦?dāng)運(yùn)行與使用，導(dǎo)致放射性物質(zhì)或其他放射源突發(fā)性非自然外泄或散布，造成或可能造成嚴(yán)重影響公共健康的緊急事件，目前主要分為核與輻射事故和核與輻射恐怖襲擊兩大類[1]。核與輻射突發(fā)事件應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援是國家救援和軍隊衛(wèi)勤力量的重要訓(xùn)練內(nèi)容，但由于核與輻射突發(fā)事件的特殊性，現(xiàn)實(shí)情況往往無法提供災(zāi)害現(xiàn)場的模擬訓(xùn)練環(huán)境，難以達(dá)到實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練效果[2]。近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及傳感器和顯示技術(shù)的提升，虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（augmented reality，AR）技術(shù)已進(jìn)入高速發(fā)展期，在包括軍事訓(xùn)練在內(nèi)的諸多領(lǐng)域呈現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力[3-5]?；赩R-AR技術(shù)能提供良好的訓(xùn)練交互體驗(yàn)，并為受訓(xùn)者提供逼真、安全的訓(xùn)練環(huán)境和可重復(fù)、低成本的訓(xùn)練手段，彌補(bǔ)當(dāng)前衛(wèi)勤模擬訓(xùn)練中存在的不足，因此，VR-AR技術(shù)有望成為下一步驅(qū)動核與輻射突發(fā)事件應(yīng)急救援模擬訓(xùn)練的重要手段。

1 VR與AR技術(shù)概述

VR技術(shù)是20世紀(jì)末興起的一門嶄新綜合性的信息技術(shù)，根據(jù)技術(shù)原理不同可分為VR、AR及混合現(xiàn)實(shí)（mix reality，MR）。VR技術(shù)是在綜合運(yùn)用立體顯示和傳感器、動態(tài)環(huán)境建模、實(shí)時三維圖形生成、系統(tǒng)開發(fā)工具應(yīng)用、系統(tǒng)集成等關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，以高度仿真方式給用戶創(chuàng)造的一個三維虛擬世界，具有多感知性、存在感、交互性、自主性等重要特點(diǎn)。用戶可借助頭戴式立體顯示器（headmounted display，HMD）、數(shù)據(jù)手套等輔助傳感設(shè)備，切身參與并探索仿真對象在所處環(huán)境中的作用與變化，產(chǎn)生沉浸感和帶入感[6，7]。AR技術(shù)是在VR技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是真實(shí)世界和虛擬世界的信息集成。通過將計算機(jī)生成的虛擬場景疊加到真實(shí)場景中，然后用戶利用頭盔顯示器，將真實(shí)世界與電腦圖形多重合成在一起，產(chǎn)生一種更為逼真的視、聽、力、觸和動等感覺的虛擬環(huán)境，具有虛實(shí)結(jié)合、實(shí)時交互的特點(diǎn)[8，9]。近年來，AR/VR技術(shù)引起人們的廣泛關(guān)注，尤其是2016年成為市場關(guān)注爆發(fā)點(diǎn)，被業(yè)內(nèi)稱作“VR元年”。目前，該技術(shù)的研究應(yīng)用已擴(kuò)展到工業(yè)制造、軍事訓(xùn)練、機(jī)器人、數(shù)據(jù)可視化、醫(yī)療、娛樂、教育等領(lǐng)域，并展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。

2 核與輻射突發(fā)事件應(yīng)急救援模擬訓(xùn)練中存在的問題

核與輻射突發(fā)事件具有突發(fā)性、放射性污染途徑多、釋放放射性核素多、組織照射性危害隱蔽及影響范圍廣、涉及人數(shù)多、持續(xù)時間長等特點(diǎn)，這決定了其應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援具有技術(shù)性、復(fù)雜性和艱巨性，科學(xué)、高效的救援來源于平時的實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練。雖然近年來隨著衛(wèi)勤基地化訓(xùn)練的展開、標(biāo)準(zhǔn)化傷員及智能仿真模擬人的運(yùn)用，衛(wèi)勤模擬訓(xùn)練成效顯著提升，更加向?qū)崙?zhàn)化聚焦，但訓(xùn)練效果距離轉(zhuǎn)化投入實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用、生成戰(zhàn)斗力和保障力尚有一定距離，目前核應(yīng)急救援的實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練主要存在以下不足。（1）訓(xùn)練模式單一，實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練氛圍不濃。目前，我國核與輻射衛(wèi)生應(yīng)急培訓(xùn)，多以短期授課方式為主，內(nèi)容重復(fù)單一；加之救援隊員專業(yè)背景、工作崗位不同，培訓(xùn)缺乏針對性。傳統(tǒng)模式多采取理論授課和參觀考察方式，隊員參與感不強(qiáng)，忽視心理考驗(yàn)，難以滿足實(shí)際需求，尤其缺乏針對應(yīng)急管理人員或衛(wèi)勤分隊領(lǐng)導(dǎo)風(fēng)險評估、指決策能力的培訓(xùn)[10]。（2）訓(xùn)練內(nèi)容落后，難以勝任復(fù)雜救援任務(wù)。核與輻射突發(fā)事件涉及從放射源意外照射或非爆炸性散布等小規(guī)模事件到核戰(zhàn)爭、核攻擊、各種核電站事故等大規(guī)模事件，不同規(guī)模等級的核與輻射突發(fā)事件訓(xùn)練內(nèi)容、處置流程各不相同。但由于模擬訓(xùn)練條件有限，針對化訓(xùn)練內(nèi)容難以展開。（3）訓(xùn)練效果難以得到有效檢驗(yàn)。應(yīng)急培訓(xùn)的效果評估是培訓(xùn)工作的重要環(huán)節(jié)，可起到檢驗(yàn)培訓(xùn)效果、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)、改進(jìn)培訓(xùn)規(guī)劃的作用?；诤伺c輻射事故獨(dú)特致傷特點(diǎn)和殺傷效應(yīng)，在組織演訓(xùn)時，模擬傷員分診難度較大，救援隊員也無法判斷自身是否受到沾染。

3 VR-AR技術(shù)用于核與輻射突發(fā)事件應(yīng)急救援訓(xùn)練的可行性

3.1 克服訓(xùn)練環(huán)境單一的弊端 美軍一直倡導(dǎo)運(yùn)用計算機(jī)仿真模擬技術(shù)進(jìn)行軍事模擬訓(xùn)練，認(rèn)為該訓(xùn)練方式可最大限度貼近實(shí)戰(zhàn)，并在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中驗(yàn)證了該理念的正確性[11]。由于我軍“三防”醫(yī)學(xué)救援隊伍普遍缺乏中、大規(guī)模核與輻射突發(fā)事件應(yīng)急處置實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，而在衛(wèi)勤訓(xùn)練中營造核戰(zhàn)爭、核武器事故或核輻射恐怖襲擊事件戰(zhàn)術(shù)背景代價昂貴、成本過高，加之當(dāng)前軍隊衛(wèi)勤人員大多缺乏真實(shí)條件下戰(zhàn)（現(xiàn)）場的感性認(rèn)識，會在不同程度上影響平時訓(xùn)練技術(shù)的實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用與輸出。利用VR-AR技術(shù)，可讓醫(yī)療隊員攜帶各種傳感設(shè)備，在模擬訓(xùn)練環(huán)境數(shù)據(jù)庫中切換、選擇，體驗(yàn)不同核與輻射突發(fā)事件現(xiàn)場情景，感受未來戰(zhàn)爭條件下核武器致傷傷員的發(fā)生、分布特點(diǎn)，從而提像置身現(xiàn)場或參加實(shí)戰(zhàn)一樣，鍛煉和提高參訓(xùn)人員的現(xiàn)場救援、心理承受和戰(zhàn)場適應(yīng)能力。

3.2 提高聯(lián)合衛(wèi)勤訓(xùn)練的效果 大規(guī)模核與輻射突發(fā)事件發(fā)生時，醫(yī)學(xué)應(yīng)急救援的難度高、任務(wù)重、時間長，絕非某一支醫(yī)學(xué)救援隊能夠完成，需要動用數(shù)支，甚至數(shù)十支救援隊，開展“軍-軍”、“軍-地”聯(lián)合醫(yī)學(xué)救援。然而受訓(xùn)練場地、保障條件及編制體制等諸多因素影響，除非在大型核與輻射應(yīng)急救援演習(xí)中，目前組織不同救援隊伍協(xié)同訓(xùn)練仍相當(dāng)困難。而應(yīng)用VR技術(shù)，不論任何性質(zhì)的救援隊伍或衛(wèi)勤分隊，只需借助網(wǎng)絡(luò)技術(shù)就可進(jìn)行各種限定下的聯(lián)合訓(xùn)練。不同地域的應(yīng)急救援隊員通過配戴VR眼鏡或HMD，即可出現(xiàn)在同一虛擬的災(zāi)害現(xiàn)場，實(shí)時進(jìn)行語音交流，展開聯(lián)合核與輻射突發(fā)事件救援訓(xùn)練。這不僅能顯著減少聯(lián)合衛(wèi)勤訓(xùn)練的時間和經(jīng)濟(jì)成本，同時有助提升軍隊?wèi)?yīng)對大規(guī)模核與輻射突發(fā)事件的聯(lián)合保障能力。

3.3 有助獲得真實(shí)的現(xiàn)場救援體驗(yàn) 在基地化衛(wèi)勤訓(xùn)練中，雖然模擬傷員或標(biāo)準(zhǔn)化傷員經(jīng)化妝后能在一定程度上使參訓(xùn)人員產(chǎn)生戰(zhàn)場傷員的視覺感受，且能與其交流互動[12]，但模仿病種極為有限，且不能體現(xiàn)出核與輻射事件中的救援環(huán)境特點(diǎn)。運(yùn)用VR-AR技術(shù)，可使醫(yī)護(hù)人員如同身臨戰(zhàn)場、直面各類真實(shí)傷員，甚至能將各種致傷效應(yīng)以可視化形式展現(xiàn)出來，讓隊員感受整個致傷過程，視覺沖擊更為強(qiáng)烈。如在虛擬戰(zhàn)場或?yàn)?zāi)害現(xiàn)場，構(gòu)造出核爆炸時帶有放射性的灰塵飄落到地面，在爆心周圍或下風(fēng)向狹長地帶形成放射性沾染區(qū)的視覺場景，或透視模擬出不同掩體、不同防護(hù)措施下傷員身體放射性沾染分布情況，以及不同受照劑量下臟器損傷情況，可引導(dǎo)救援隊員在執(zhí)行救援任務(wù)時，更好地掌握傷員分類檢索方法并提升自身防護(hù)意識。

3.4 提升隊員的心理適應(yīng)能力 現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，由于作戰(zhàn)方式造成的心理損傷與物理損傷或火力殺傷相比更具威脅，尤其是使用核武器、“臟彈”恐怖襲擊極易引起人員恐慌，給救援隊員帶來巨大心理壓力。核輻射突發(fā)事件的應(yīng)急救援工作帶有危險性和不確定性，要求救援人員必須具備良好的心理素質(zhì)和適應(yīng)能力。但在我軍傳統(tǒng)的衛(wèi)勤訓(xùn)練中，對受訓(xùn)人員心理適應(yīng)力的訓(xùn)練仍是一片空白。而在衛(wèi)勤訓(xùn)練中引入VR-AR技術(shù)，救援隊員可在虛擬的戰(zhàn)場或?yàn)?zāi)害現(xiàn)場中反復(fù)感受現(xiàn)場救援情景，不斷提高自身的心理應(yīng)激閾值。長期的VR訓(xùn)練可使受訓(xùn)人員產(chǎn)生強(qiáng)大的戰(zhàn)（現(xiàn)）場心理適應(yīng)力，消除恐懼心理，進(jìn)而建立成熟的心理防御機(jī)制，確保平時衛(wèi)勤保障效能在戰(zhàn)時的穩(wěn)定發(fā)揮[13]。

4 基于VR-AR技術(shù)的核與輻射突發(fā)事件應(yīng)急救援訓(xùn)練平臺的構(gòu)建

核與輻射突發(fā)事件應(yīng)急救援模擬訓(xùn)練平臺包括系統(tǒng)建模、3D融合、功能仿真、顯示及決策優(yōu)化五大模塊[14]。系統(tǒng)建模是基礎(chǔ)，包括場景建模、輻射源建模、傷員建模。場景建模主要基于GoPro方案和影像配準(zhǔn)技術(shù)生成相應(yīng)VR/AR模塊[15]；輻射源和傷員建模主要是在采集核爆現(xiàn)場、核輻射事故現(xiàn)場等數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上構(gòu)建，并結(jié)合以往救援實(shí)際經(jīng)驗(yàn)對各模塊復(fù)雜變量進(jìn)行優(yōu)化，簡化提煉出環(huán)境的主要特征；然后通過場景的3D融合形成要素齊全的工程環(huán)境，構(gòu)建應(yīng)急救援訓(xùn)練平臺（圖1）。根據(jù)培訓(xùn)任務(wù)、人員不同，訓(xùn)練又分為指揮決策訓(xùn)練模塊、環(huán)境檢偵訓(xùn)練模塊和傷員處置訓(xùn)練模塊，以滿足多樣化訓(xùn)練需求。

4.1 構(gòu)建放射性污染擴(kuò)散模型 根據(jù)放射性污染擴(kuò)散規(guī)律，構(gòu)建核輻射事故發(fā)生后放射性污染擴(kuò)散模型，計算或預(yù)測不同程度條件下的事故后果。目前，大氣擴(kuò)散模式已被廣泛應(yīng)用于放射性核素傳輸、擴(kuò)散的估計和預(yù)測研究，其中，高斯模型可用于點(diǎn)源擴(kuò)散模式，并具有計算量小、方法成熟、適用于事故早期快速評價等優(yōu)點(diǎn)，成為核與輻射應(yīng)急劑量模擬計算的首選。在高斯模型基礎(chǔ)上，將核與輻射突發(fā)事件中放射性核素的干沉積、濕沉積、障礙物遮擋、放射性衰變及感生放射性等納入擴(kuò)散影響因素，得出放射性污染擴(kuò)散的空間分布模型。為方便直觀顯示放射性污染的擴(kuò)散情況，可進(jìn)一步引入地理信息系統(tǒng)（geographic information system，GIS），使放射性污染擴(kuò)散模擬結(jié)果通過GIS顯示[16]。利用衛(wèi)星地圖和GIS數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建的地形補(bǔ)丁導(dǎo)入VR場景模型中，進(jìn)行初始三維環(huán)境的創(chuàng)建，再根據(jù)GIS的空間分析結(jié)果和劑量分布劃定高污染區(qū)、低污染區(qū)和安全區(qū)，并根據(jù)“任務(wù)劑量最小”和“作業(yè)高效與安全可靠”原則篩選出最優(yōu)化的安全路徑，為制訂救援方案和應(yīng)急決策提供參考依據(jù)。參訓(xùn)隊員既可采用俯視視角模式宏觀了解放射性污染的擴(kuò)散規(guī)律，又可進(jìn)入任一具體放射性污染虛擬場景中，通過虛擬漫游使其自身沉浸在事故現(xiàn)場空間環(huán)境中，提升虛擬現(xiàn)場的真實(shí)性和感染力，并利用HDM頭盔進(jìn)行場景中輻射水平檢測和傷員去污、救治模擬訓(xùn)練。

圖1 核與輻射突發(fā)事件應(yīng)急救援訓(xùn)練平臺構(gòu)建示意

4.2 構(gòu)建批量核沾染傷員模型 筆者在搜集整理國內(nèi)外核戰(zhàn)爭、核攻擊或核恐怖事件、核電站事故、放射性物質(zhì)泄漏、散布等案例資料基礎(chǔ)上，結(jié)合不同輻射劑量致傷特點(diǎn)，構(gòu)建批量傷員發(fā)生、分布模型。利用Unity 3D平臺構(gòu)建虛擬三維戰(zhàn)場或?yàn)?zāi)害事故現(xiàn)場，或運(yùn)用AR技術(shù)，通過攝像頭采集真實(shí)場景視頻圖像，采用計算機(jī)視覺跟蹤注冊方法，對真實(shí)場景中的人工標(biāo)志物信息進(jìn)行跟蹤注冊，直接將批量虛擬傷員疊加、生成在真實(shí)場景中。跟蹤注冊是AR系統(tǒng)的核心，目前主要有基于計算機(jī)視覺跟蹤注冊和利用設(shè)備傳感器、全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）進(jìn)行硬件跟蹤注冊兩類技術(shù)。由于AR顯示器能突出顯示各參訓(xùn)隊員移動位置，能為隊員的團(tuán)隊協(xié)作訓(xùn)練提供條件，使得分類檢傷組隊員在虛擬環(huán)境中以小組協(xié)作形式開展批量傷員分類檢傷訓(xùn)練成為可能。在虛擬場景中，呈現(xiàn)在參訓(xùn)隊員眼前的模擬傷員不僅具有較好的視覺還原性，而且基本符合核與輻射突發(fā)事件中傷員發(fā)生分布特點(diǎn)，既有非放射性或一般傷員，也有全身或部分放射性沾染傷員，還有伴隨傳染病傷員、心理應(yīng)激障礙傷員。每名傷員的傷情轉(zhuǎn)歸主要取決于傷員自身傷情特點(diǎn)和參訓(xùn)人員處置操作恰當(dāng)與否，如危重傷員如在規(guī)定時間內(nèi)得不到有效處置，則會自動觸發(fā)死亡程序。因此，要求醫(yī)護(hù)人員在虛擬實(shí)訓(xùn)中密切協(xié)作，用最優(yōu)化流程完成初診篩選，確保傷員迅速通過或妥善處置。在每一批次傷員處置結(jié)束后，電腦會對所用時間、誤診率、傷亡率等指標(biāo)進(jìn)行評分，隊員可對整個分類檢傷過程進(jìn)行復(fù)盤分析，并總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。

5 結(jié) 語

VR技術(shù)和AR技術(shù)作為一項(xiàng)新興的綜合性信息技術(shù)，備受國內(nèi)外各領(lǐng)域?qū)I(yè)人員的關(guān)注，其在軍事訓(xùn)練領(lǐng)域的前景已得到世界各國軍隊的高度重視。近年來，隨著和平利用核能事業(yè)的開展，核技術(shù)的發(fā)展與擴(kuò)散不可避免，全球擁有核能力的國家繼續(xù)增多。周邊國家頻發(fā)的核爆試驗(yàn)及國際上第4代核武器的研發(fā)等復(fù)雜的安全形勢，使我國核與輻射應(yīng)急救援工作面臨更大的挑戰(zhàn)[17]。因此，必須不斷創(chuàng)新訓(xùn)練手段，切實(shí)提升實(shí)戰(zhàn)化能力水平，滿足核應(yīng)急救援實(shí)際需求。而VR-AR技術(shù)能夠節(jié)約訓(xùn)練成本，提升訓(xùn)練效益，豐富訓(xùn)練手段和內(nèi)容，增強(qiáng)實(shí)戰(zhàn)化衛(wèi)勤軍事訓(xùn)練的針對性，有助于構(gòu)建從訓(xùn)練場走向戰(zhàn)（現(xiàn)）場間的能力效益的轉(zhuǎn)化橋梁，因此應(yīng)用前景廣闊，值得進(jìn)一步深入研究。

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