基于虛擬現(xiàn)實(shí)的戰(zhàn)傷急救技能訓(xùn)練系統(tǒng)思考

楊 武，薛 峰，馮欣偉，馮逸飛，張 義

(1.海軍軍醫(yī)大學(xué)第三附屬醫(yī)院醫(yī)務(wù)處,上海 200438；2.海軍軍醫(yī)大學(xué)第三附屬醫(yī)院，上海 200438；3.海軍軍醫(yī)大學(xué)第二附屬醫(yī)院血管外科，上海 200003；4.海軍特色醫(yī)學(xué)中心研究部海洋生物醫(yī)藥與極地醫(yī)學(xué)研究室，上海 200433；5.海軍軍醫(yī)大學(xué)衛(wèi)生勤務(wù)學(xué)系衛(wèi)生勤務(wù)學(xué)教研室，上海 200433)

基于模擬人的戰(zhàn)傷急救實(shí)現(xiàn)了戰(zhàn)救理論、單項(xiàng)技能和案例教學(xué)的基礎(chǔ)訓(xùn)練，但戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下人裝結(jié)合的能力型訓(xùn)練尚未開展，“實(shí)戰(zhàn)化”訓(xùn)練效果不明顯。虛擬現(xiàn)實(shí)是一種可以創(chuàng)建和體現(xiàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)技術(shù)，能夠模擬現(xiàn)實(shí)世界。因此，采用該技術(shù)構(gòu)建戰(zhàn)場(chǎng)交戰(zhàn)環(huán)境，如地理環(huán)境、人文環(huán)境等，建立傷員傷情與急救技能的仿真交互模型，開展“沉浸式”戰(zhàn)傷急救技能訓(xùn)練研究，探索戰(zhàn)傷急救“實(shí)戰(zhàn)化”訓(xùn)練的手段與方法，具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)況

1.1 美軍美軍對(duì)模擬訓(xùn)練研究與應(yīng)用高度重視，投入大量的物力、財(cái)力和技術(shù)力量，積極探索模擬訓(xùn)練的新方法、新手段。20世紀(jì)90年代初，美軍率先將虛擬技術(shù)應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，基本覆蓋從戰(zhàn)役到戰(zhàn)術(shù)、從分隊(duì)到單兵、從戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境到武器運(yùn)用等軍隊(duì)全方位、可視化、人機(jī)交互的模擬訓(xùn)練，具備運(yùn)用虛擬技術(shù)直接為實(shí)戰(zhàn)服務(wù)的能力[1]。同時(shí)，美軍醫(yī)學(xué)模擬訓(xùn)練中心(MSTCs)研制的模擬人能夠針對(duì)性地模擬槍傷、碎片割傷、炸傷、燒傷等戰(zhàn)傷傷情，配套建立第一個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)傷員急救模擬培訓(xùn)——救助者課程，目前已經(jīng)在全球18個(gè)培訓(xùn)點(diǎn)正式展開，可以根據(jù)個(gè)別學(xué)員的不同程度和能力進(jìn)行針對(duì)性訓(xùn)練[2-3]，初步實(shí)現(xiàn)虛擬仿真環(huán)境下戰(zhàn)傷急救的能力訓(xùn)練。

1.2 我軍自軍委總部提出“實(shí)戰(zhàn)化”衛(wèi)勤訓(xùn)練的要求起，部分單位嘗試使用戰(zhàn)傷急救模擬訓(xùn)練器材進(jìn)行訓(xùn)練，通過預(yù)設(shè)簡(jiǎn)易傷情和初級(jí)處置模式，進(jìn)行戰(zhàn)傷急救單項(xiàng)技能(如心肺復(fù)蘇、包扎、輸液、輸血、吸氧等)的模擬訓(xùn)練，試圖通過解決傷員的“真實(shí)性”實(shí)現(xiàn)貼近“實(shí)戰(zhàn)”的訓(xùn)練效果[4-5]，但缺乏在實(shí)戰(zhàn)背景下的批量傷員救治訓(xùn)練，特別是模擬訓(xùn)練體系不明確、模擬訓(xùn)練器材易損壞等，導(dǎo)致訓(xùn)練效果不佳，“實(shí)戰(zhàn)化”訓(xùn)練效果不明顯[6]。同時(shí)，也有部分單位積極開展“實(shí)兵演練”、“基地化訓(xùn)練”等多樣化的戰(zhàn)傷急救訓(xùn)練、“模擬訓(xùn)練”和仿真訓(xùn)練研究，但仍處于探索和研究階段，而美軍已形成針對(duì)性虛擬仿真訓(xùn)練，我軍在戰(zhàn)傷急救虛擬仿真訓(xùn)練方面與美軍存在差距。

2 系統(tǒng)研制

2.1 數(shù)據(jù)庫分析戰(zhàn)傷急救訓(xùn)練過程中涉及的傷員信息、傷情信息及設(shè)備信息，確定影響傷員傷情和救治效果的影響因素。將這些因素進(jìn)行細(xì)分，確定子因素并標(biāo)準(zhǔn)化，建立系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫分為傷員信息庫(傷員姓名、負(fù)傷時(shí)間、負(fù)傷地點(diǎn)等)、傷情數(shù)據(jù)庫(致傷原因、致傷部位、傷員傷情、生命體征、救治操作等)和物資裝備庫(救治器材、救治耗材)3類，為基于VR的戰(zhàn)傷急救技能訓(xùn)練系統(tǒng)研制提供數(shù)據(jù)支撐。

2.2 仿真模型

2.2.1 戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真 戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境包含作戰(zhàn)地形(河流、道路、沙灘等)、自然環(huán)境(晴、陰、雨等)、作戰(zhàn)背景(設(shè)置武器裝備和作戰(zhàn)人員)、交戰(zhàn)環(huán)境(交戰(zhàn)狀況下武器、設(shè)施、建筑損毀情況)等要素，采用仿真建模技術(shù)，構(gòu)建戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真模型，為訓(xùn)練提供“沉浸式”戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境(圖1)。

圖1 戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境建模流程

2.2.2 傷員傷情仿真 傷員傷情包含致傷武器、傷部、傷類、傷型等要素，通過分析戰(zhàn)創(chuàng)傷特點(diǎn)，結(jié)合仿真建模技術(shù)，構(gòu)建傷員傷情仿真模型，通過生命體征變化體現(xiàn)傷員傷情變化，為訓(xùn)練提供“真實(shí)的”傷員傷情(圖2)。

2.3 訓(xùn)練系統(tǒng)仿真模型構(gòu)建完成后，分解戰(zhàn)傷急救技能的操作步驟，明確步驟中需要進(jìn)行虛擬交互的操作要點(diǎn)，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)、系統(tǒng)集成等技術(shù)，研制基于VR的戰(zhàn)傷急救技能訓(xùn)練系統(tǒng)，系統(tǒng)可分為電腦端和VR端。其中，電腦端的角色設(shè)置為教員，包含課程設(shè)置、信息管理、訓(xùn)練考核3個(gè)模塊。VR端的角色設(shè)置為教員和學(xué)員，主要功能模塊為訓(xùn)練考核。

① 課程設(shè)置

教員可根據(jù)訓(xùn)練對(duì)象設(shè)置不同的課程，設(shè)置中的內(nèi)容從數(shù)據(jù)庫中調(diào)取，包含基礎(chǔ)信息、傷員傷類、參訓(xùn)角色3部分。其中，基礎(chǔ)信息主要包含課程的想定名稱、訓(xùn)練場(chǎng)景(灘頭、艦艇、碼頭救護(hù)所、醫(yī)院船等)、訓(xùn)練天氣(晴天、暴雨、大雪、暴風(fēng)等)、場(chǎng)景內(nèi)傷員數(shù)量(1～5人)及參訓(xùn)者數(shù)量(1～5人)，為訓(xùn)練提供課程背景想定。傷員傷類的數(shù)量對(duì)應(yīng)基礎(chǔ)信息中選擇的場(chǎng)景內(nèi)傷員數(shù)量，可設(shè)置傷員的傷類(槍彈傷、炸傷、彈片傷、燒傷等)和傷部(四肢、頭部、胸背部、頜面部等)，為訓(xùn)練提供傷員傷情。參訓(xùn)角色的數(shù)量對(duì)應(yīng)基礎(chǔ)信息中選擇的參訓(xùn)者數(shù)量，可設(shè)置訓(xùn)練者的角色(軍醫(yī)、衛(wèi)生員)和急救設(shè)備(軍醫(yī)背囊、衛(wèi)生員背囊、三角巾等)，為學(xué)員提供角色對(duì)應(yīng)的戰(zhàn)傷急救技能和選定的急救設(shè)備。通過制定針對(duì)不同對(duì)象的課程背景想定與考核標(biāo)準(zhǔn)，提高學(xué)員戰(zhàn)傷急救能力(圖3)。

圖2 傷員傷情建模流程

圖3 課程設(shè)置

② 訓(xùn)練考核

訓(xùn)練考核包括訓(xùn)練模式、考核模式和成績(jī)分析3個(gè)部分。訓(xùn)練模式是學(xué)員對(duì)戰(zhàn)傷急救技能的學(xué)習(xí)鞏固；考核模式是學(xué)員在教員設(shè)計(jì)的案例中進(jìn)行技能考核；成績(jī)分析是在學(xué)員完成考核后，對(duì)學(xué)員的成績(jī)進(jìn)行的多維度分析。在虛擬場(chǎng)景中，學(xué)員可環(huán)顧四周尋找傷員，發(fā)現(xiàn)傷員后通過語音交互進(jìn)行傷員傷情評(píng)估，利用VR手柄選擇救治技術(shù)和急救設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)戰(zhàn)傷急救操作，救治后通過傷員生命體征的變化體現(xiàn)救治效果。學(xué)員進(jìn)行訓(xùn)練的同時(shí)，教員在電腦端實(shí)時(shí)觀看學(xué)員操作，通過過程回放、技能解析、理論分析等功能進(jìn)行學(xué)員成績(jī)分析(圖4)。

圖4 考核評(píng)分

3 系統(tǒng)應(yīng)用

系統(tǒng)研制完成后，在30名學(xué)員中進(jìn)行初步的應(yīng)用，利用虛擬交互方式，通過手柄對(duì)虛擬傷員進(jìn)行戰(zhàn)傷止血、戰(zhàn)傷包扎等戰(zhàn)傷急救，與傳統(tǒng)理論教學(xué)和模擬教學(xué)相比，虛擬教學(xué)有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：①虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)增加“實(shí)戰(zhàn)化”戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，增強(qiáng)環(huán)境沉浸感，提高學(xué)員訓(xùn)練的積極性；②系統(tǒng)中加入傷員傷情，隨著救治技術(shù)的實(shí)施和時(shí)間的變化，傷員的傷情發(fā)生改變，傷情變化多，便于學(xué)員了解“真實(shí)的”傷員傷情；③系統(tǒng)以虛擬傷員為救治對(duì)象，可應(yīng)用于軍隊(duì)院校、軍隊(duì)衛(wèi)勤訓(xùn)練部門等單位，適用于軍醫(yī)、衛(wèi)生員等衛(wèi)勤人員的訓(xùn)練，可實(shí)現(xiàn)“實(shí)戰(zhàn)化”戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和“真實(shí)的”傷員傷情，訓(xùn)練方式更具創(chuàng)新性，擴(kuò)充戰(zhàn)傷急救技能訓(xùn)練的手段和工具[7]。