虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在災(zāi)害救援醫(yī)療場景?？苹?xùn)練中的應(yīng)用探討

王 新，彭碧波，董一潁

虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，VR）技術(shù)是指利用計(jì)算機(jī)模擬產(chǎn)生三維仿真系統(tǒng)，提供使用者關(guān)于各種感官的模擬及可視化的操作交互，具有浸沉感、交互性和構(gòu)想性三個(gè)重要特征，在進(jìn)行真實(shí)場景模擬訓(xùn)練方面具有仿真訓(xùn)練成本低、環(huán)境流程可編輯及數(shù)據(jù)收集能實(shí)時(shí)反饋等方面的優(yōu)勢，早期主要應(yīng)用于軍事訓(xùn)練、機(jī)械工程制造、航空航天模擬等專業(yè)領(lǐng)域。VR技術(shù)主要有3種類型：VR、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（augmented reality，AR）、混合現(xiàn)實(shí)（mixed reality，MR）。其中，AR是在VR技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展演化起來的，能夠拓展和加強(qiáng)用戶對(duì)周圍世界的感知。而MR是指合并現(xiàn)實(shí)和虛擬世界而產(chǎn)生的可視化環(huán)境，分為AR和增強(qiáng)虛擬。隨著互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)、人工智能、網(wǎng)絡(luò)通信、圖像處理等技術(shù)的井噴式發(fā)展，VR技術(shù)得到迅速普及，已逐漸在臨床技能培訓(xùn)、患者康復(fù)治療、心理治療和遠(yuǎn)程醫(yī)療等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1-3]，同時(shí)也在災(zāi)害救援醫(yī)學(xué)方面展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

1 VR技術(shù)在國內(nèi)外醫(yī)療教學(xué)訓(xùn)練中的研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀 VR技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用研究在國內(nèi)外存在很大差距，一些歐美國家在該方面的研究已有將近20年的歷史，且成果頗豐。如北卡羅來納大學(xué)的計(jì)算機(jī)系就是對(duì)VR技術(shù)研究最早且最著名的大學(xué)，其研究主要集中在分子建模、外科手術(shù)仿真、建筑仿真及航空駕駛等方面；喬治梅森大學(xué)研發(fā)了一套在動(dòng)態(tài)虛擬環(huán)境中的流體實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)；華盛頓大學(xué)技術(shù)中心的人機(jī)界面技術(shù)實(shí)驗(yàn)室將VR引入了教育教學(xué)、設(shè)計(jì)、制造及娛樂等領(lǐng)域；NEC公司研發(fā)的一種VR系統(tǒng)可讓使用者采用“代用手”去處理三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（computer aided design，CAD）中的形體模型，即主要通過數(shù)據(jù)手套將使用者的運(yùn)動(dòng)和對(duì)模型的處理結(jié)合起來。在野戰(zhàn)急救技能訓(xùn)練方面，國外已研發(fā)出許多虛擬仿真系統(tǒng)，最大程度模擬實(shí)際戰(zhàn)場情景，快速有效地培訓(xùn)軍醫(yī)、衛(wèi)生人員的戰(zhàn)創(chuàng)傷救治技能[4]。美國海軍醫(yī)學(xué)中心和德州農(nóng)工大學(xué)自2005年起合作開發(fā)的虛擬學(xué)習(xí)項(xiàng)目主要用于軍醫(yī)和衛(wèi)生院內(nèi)外科技能操作培訓(xùn)，并且集醫(yī)學(xué)教育和訓(xùn)練功能于一體[5]。為解決派遣至伊拉克戰(zhàn)爭一線的醫(yī)務(wù)人員對(duì)環(huán)甲膜切開術(shù)熟練度不足的問題，美國華盛頓地區(qū)醫(yī)學(xué)模擬中心外科模擬實(shí)驗(yàn)室和位于伊拉克的Jameson醫(yī)務(wù)兵訓(xùn)練中心合作開發(fā)了練習(xí)環(huán)甲膜切開的虛擬手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)[6]，有效提升了戰(zhàn)地醫(yī)師的實(shí)際操作能力[7]。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 目前，我國VR技術(shù)的應(yīng)用研究水平尚不成熟，但近年來隨著國內(nèi)計(jì)算機(jī)行業(yè)迅速發(fā)展，相應(yīng)的人工智能、圖形圖像學(xué)、互聯(lián)網(wǎng)及數(shù)據(jù)分析等VR相關(guān)技術(shù)均得到迅猛發(fā)展，大量VR及顯示AR技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。VR技術(shù)在醫(yī)療行業(yè)起步雖晚，但也吸引了多家科研機(jī)構(gòu)對(duì)其在醫(yī)療方面的應(yīng)用擴(kuò)展進(jìn)行了研究，其中影響力較大的有中科院自動(dòng)化研究所研制的三維醫(yī)學(xué)仿真分析軟件3DMed和基于力反饋技術(shù)的虛擬手術(shù)刀；解放軍總醫(yī)院和國防科技大學(xué)開發(fā)的虛擬鼻內(nèi)窺鏡手術(shù)仿真系統(tǒng)和膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)仿真系統(tǒng)均已在臨床中得到應(yīng)用[8]。四川大學(xué)華西臨床醫(yī)學(xué)院建立的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，擁有教學(xué)空間10 000 m2，教學(xué)資產(chǎn)近1.2億元，實(shí)驗(yàn)設(shè)備3 000臺(tái)左右，每年提供超過160 000人學(xué)時(shí)的各種類型和級(jí)別的臨床技能教學(xué)與培訓(xùn)，修改并設(shè)計(jì)了一套以虛擬體驗(yàn)為核心的“探究式體驗(yàn)課程”[9]。第三軍醫(yī)大學(xué)第一附屬醫(yī)院從2010年起著手建立災(zāi)害醫(yī)學(xué)救援平臺(tái)及相應(yīng)課程體系，從2013年開始實(shí)施課程培訓(xùn)，并設(shè)立GAP FREED虛擬仿真訓(xùn)練課程[10]；2014年建成的災(zāi)害醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，以“全軍醫(yī)學(xué)模擬訓(xùn)練中心”為基礎(chǔ)，針對(duì)我軍機(jī)動(dòng)衛(wèi)勤分隊(duì)常態(tài)化的災(zāi)害救援能力訓(xùn)練而不斷拓展，目前已建成占地2 200 m2，包含設(shè)備400件，總資產(chǎn)180萬元，可開設(shè)18個(gè)實(shí)驗(yàn)科目的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。該中心秉承“以臨床技能為基礎(chǔ)，以災(zāi)害救援為特色”“虛實(shí)互補(bǔ)，平戰(zhàn)兼顧”原則，集臨床技能三基訓(xùn)練、臨床診療實(shí)踐能力訓(xùn)練、救援指揮勤務(wù)訓(xùn)練和災(zāi)害救援合成訓(xùn)練四大模塊為一體[11]。

2 VR技術(shù)在災(zāi)害醫(yī)學(xué)救援專科場景化訓(xùn)練中應(yīng)用的研究意義

2.1 災(zāi)害醫(yī)學(xué)救援流程及場景化訓(xùn)練的必要性 災(zāi)害場景分型判斷是災(zāi)害醫(yī)學(xué)救援快速實(shí)施的前提條件，2006-01，國務(wù)院頒布的《國家突發(fā)公共事件總體應(yīng)急預(yù)案》規(guī)定，根據(jù)突發(fā)公共事件的發(fā)生過程、性質(zhì)和機(jī)理，突發(fā)公共事件主要分為自然災(zāi)害、事故災(zāi)難、公共衛(wèi)生事件及社會(huì)安全事件四類。不同性質(zhì)的災(zāi)害造成人員的傷勢、傷情、類型有很大差別（圖1），因而不同場景所需醫(yī)學(xué)救援程序側(cè)重點(diǎn)不同，如自然災(zāi)害場景下，災(zāi)害類型主要是地震、洪澇災(zāi)害等，常見的創(chuàng)傷主要窒息休克及擠壓傷；而公共衛(wèi)生事件場景，災(zāi)害類型主要是傳染病疫情和食品安全事件，主要?jiǎng)?chuàng)傷類型集中在感染、中毒等。因此根據(jù)災(zāi)害性質(zhì)對(duì)救援場景進(jìn)行劃分對(duì)提高醫(yī)學(xué)救援效率，最大限度地避免和減少災(zāi)害造成的人員傷亡具有重要意義。

2.2 場景專科化訓(xùn)練中應(yīng)用VR技術(shù)的意義 各種災(zāi)害場景下，創(chuàng)傷救治的時(shí)間緊迫，環(huán)境復(fù)雜，且傷病員集中，救治流程是確保醫(yī)療救治成功的重要環(huán)節(jié)，由于災(zāi)害性質(zhì)不同，造成人員的傷情不同，醫(yī)療救治流程也不完全相同，如傳染病救治早期以防疫和隔離救治為主：中毒傷員早期應(yīng)立即脫離毒氣環(huán)境，采取給予吸氧等急救措施[12]。傳統(tǒng)的醫(yī)療救援訓(xùn)練多是通過流程步驟及差別化的訓(xùn)練內(nèi)容，來強(qiáng)調(diào)及區(qū)別不同的?？茍鼍?，而使用VR技術(shù)的場景?？苹?xùn)練思路是建立各類災(zāi)害救援訓(xùn)練模型并建立模型評(píng)估系統(tǒng)，通過對(duì)模型系統(tǒng)的評(píng)估直接指導(dǎo)教學(xué)訓(xùn)練過程及結(jié)果，循序迭代優(yōu)化系統(tǒng)方案的準(zhǔn)確性，將這些數(shù)據(jù)結(jié)果集與真實(shí)災(zāi)

圖1 災(zāi)害場景及場景下的主要?jiǎng)?chuàng)傷類型

害救援中收集的數(shù)據(jù)結(jié)果集做比對(duì)，指導(dǎo)訓(xùn)練系統(tǒng)的改進(jìn)和應(yīng)急預(yù)案的生成[13]。對(duì)比傳統(tǒng)訓(xùn)練，使用VR技術(shù)的場景專科化訓(xùn)練能真實(shí)還原各種災(zāi)害場景的細(xì)節(jié)特點(diǎn)，便于參與者進(jìn)行精準(zhǔn)的?？苹?xùn)練，同時(shí)能得出系統(tǒng)性的評(píng)估訓(xùn)練結(jié)果，并且該訓(xùn)練方式結(jié)合實(shí)時(shí)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)和真實(shí)性的仿真訓(xùn)練模型，不但能提高?？苹瘓鼍坝?xùn)練的靈活性和準(zhǔn)確性，也可有效提高參訓(xùn)人員對(duì)于災(zāi)害場景下各類?？茍鼍暗尼t(yī)療操作體驗(yàn)。系統(tǒng)以三維仿真虛擬交互等形式提供參訓(xùn)人員基本的信息、災(zāi)害典型過程、事故結(jié)果模擬，以及各類應(yīng)急資源和救援力量等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，參訓(xùn)人員通過系統(tǒng)工具在VR的三維仿真場景中，可制定和推演細(xì)分各類災(zāi)害應(yīng)急醫(yī)療的訓(xùn)練內(nèi)容[14]。VR技術(shù)訓(xùn)練場景下的真實(shí)感效果，能使參訓(xùn)者更好地應(yīng)對(duì)現(xiàn)實(shí)中的突發(fā)事件，并熟悉救援過程中的流程細(xì)節(jié)[15,16]。

3 VR技術(shù)在災(zāi)害醫(yī)學(xué)救援?？茍鼍盎?xùn)練研究中的內(nèi)容

3.1 以醫(yī)療學(xué)科類別場景劃分 VR技術(shù)在災(zāi)害醫(yī)學(xué)教學(xué)訓(xùn)練中的應(yīng)用主要包括基礎(chǔ)醫(yī)療能力和災(zāi)害急救醫(yī)療能力訓(xùn)練兩部分。如圖2所示，基礎(chǔ)醫(yī)療能力訓(xùn)練主要包含數(shù)字仿真的人體模擬解剖、醫(yī)學(xué)機(jī)能實(shí)驗(yàn)，全科醫(yī)學(xué)學(xué)習(xí)三部分；災(zāi)害急救醫(yī)療能力訓(xùn)練主要包含創(chuàng)傷急救基本技能、熱損傷效應(yīng)評(píng)估實(shí)驗(yàn)、特殊環(huán)境病蟲媒介生物虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、災(zāi)害現(xiàn)場感染防護(hù)、救援醫(yī)療設(shè)備使用操作、創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙（post-traumatic stress disorder，PTSD）心理干預(yù)幾部分內(nèi)容。

3.2 以醫(yī)療救援流程場景劃分 災(zāi)害救援現(xiàn)場較平時(shí)醫(yī)療環(huán)境在時(shí)間上更為緊迫，加之救援場景的突發(fā)性、破壞性、群體性、復(fù)雜性等特點(diǎn)，大量傷病員需同時(shí)救治、現(xiàn)場混亂，工作環(huán)境艱苦且危險(xiǎn)。在熟悉各類災(zāi)害救援應(yīng)急方案的同時(shí)，醫(yī)療救護(hù)人員也必須熟練掌握相應(yīng)的救援流程，盡最大程度救助更多傷員，降低死傷率。因此災(zāi)害救援醫(yī)療教學(xué)訓(xùn)練中，依據(jù)時(shí)間流程劃分教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合VR技術(shù)的沉浸式交互，讓參訓(xùn)人員提早接受、適應(yīng)并熟悉災(zāi)害環(huán)境下的急救流程非常重要。如圖3所示，訓(xùn)練過程中模擬的流程，大致按照到達(dá)現(xiàn)場前、現(xiàn)場急救時(shí)和撤離災(zāi)害現(xiàn)場后三個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)。到達(dá)現(xiàn)場前主要是災(zāi)害應(yīng)急準(zhǔn)備工作，偏重于對(duì)災(zāi)情的了解分析，以及醫(yī)療隊(duì)出隊(duì)人員和物資的準(zhǔn)備工作。其充分程度直接影響醫(yī)療救援隊(duì)員進(jìn)入災(zāi)害現(xiàn)場施救時(shí)的過渡時(shí)間及展開救援的速度?，F(xiàn)場急救階段，依據(jù)災(zāi)害醫(yī)療救援工作的共性，可統(tǒng)一為現(xiàn)場急救終止損傷，通過檢傷分類，按安全級(jí)別來決定傷病員的救治順序，經(jīng)過一系列緊急救治后，將生命體征平穩(wěn)的傷員后送至附近醫(yī)院或醫(yī)療救援營區(qū)進(jìn)行病情留觀。醫(yī)療隊(duì)員撤離災(zāi)害現(xiàn)場后，除將留觀傷員交付當(dāng)?shù)蒯t(yī)院進(jìn)行后續(xù)康復(fù)治療外，可通過遠(yuǎn)程技術(shù)對(duì)傷員和救援人員進(jìn)行PTSD心理干預(yù)，指導(dǎo)傷病員的康復(fù)治療，對(duì)于當(dāng)?shù)氐臑?zāi)害救援情況，從工具儀器及救援過程提取收集的數(shù)據(jù)，進(jìn)行匯總，將結(jié)果代入到對(duì)應(yīng)的救援模型中進(jìn)行優(yōu)化，用以指導(dǎo)醫(yī)療訓(xùn)練和應(yīng)急方案的修改和更新。

4 小 結(jié)

近5年來，醫(yī)學(xué)院校和臨床醫(yī)學(xué)專家對(duì)急救醫(yī)學(xué)的研究仍集中在感染和創(chuàng)傷兩大領(lǐng)域，而對(duì)心肺復(fù)蘇、核、化、生救治的研究相對(duì)較少，災(zāi)害救援醫(yī)學(xué)方面如狹小空間救援、擠壓綜合征的現(xiàn)場救治、現(xiàn)場截肢、極端氣候下的醫(yī)療救援、空運(yùn)醫(yī)療后送、?？站仍⒍喟l(fā)傷的急救與轉(zhuǎn)送等的研究進(jìn)展緩慢。尤其是在災(zāi)害場景下的標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)急預(yù)案缺少行業(yè)規(guī)范流程，各救援組織機(jī)構(gòu)一般從外科急救流程中借鑒經(jīng)驗(yàn)，并未形成統(tǒng)一的階梯化訓(xùn)練流程和規(guī)范化標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，近幾年國內(nèi)外創(chuàng)傷醫(yī)學(xué)研究中鮮有涉及災(zāi)害救援兒童?？频?；在VR技術(shù)方面，也缺少未成年及幼齡階段的虛擬人體解剖模型等技術(shù)支持，這使得參訓(xùn)人員缺乏針對(duì)兒童的災(zāi)害現(xiàn)場急救經(jīng)驗(yàn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，今后可匯總分析大樣本量的救援實(shí)例和訓(xùn)練數(shù)據(jù)，這有助于各類場景應(yīng)急預(yù)案及訓(xùn)練模型的制訂和推演，VR技術(shù)在災(zāi)害救援?？苹?xùn)練中逐步會(huì)成為平臺(tái)化、標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)習(xí)的普遍技術(shù)工具，進(jìn)一步細(xì)分救援類型和場景細(xì)節(jié)，并與醫(yī)療?？苹瘓鼍坝?xùn)練相結(jié)合，使醫(yī)療救援過程的操作更精準(zhǔn)和安全。

圖2 以醫(yī)療學(xué)科類別劃分VR技術(shù)進(jìn)行災(zāi)害醫(yī)療教學(xué)訓(xùn)練的主要內(nèi)容

圖3 以醫(yī)療救援流程場景劃分VR技術(shù)進(jìn)行災(zāi)害醫(yī)療教學(xué)訓(xùn)練的主要內(nèi)容