動態(tài)模擬技術在醫(yī)療后送領域的發(fā)展

◆齊 亮 劉振全 劉曉榮 陳國良 賀 祥 劉 建 劉文寶

1 相關概念

1．1 模擬技術

模擬過程之中，并可通過更友好的方式定制輸出結果，幫助理解與改進模型。

模擬技術是指設計基于數(shù)學公式的模型并用該模型進行試驗，來真實反映某一系統(tǒng)過程。模擬的目的是為了更好、更方便地理解系統(tǒng)行為或者評估系統(tǒng)在指定條件下的變化。使用計算機軟件進行模擬是技術分析和設計領域使用最頻繁的方法之一［1］，其在建立真實世界的數(shù)學模型方面有許多優(yōu)勢，可用于新技術的探索、復雜系統(tǒng)的分析與評價［2］。與單純數(shù)學建模方法相比，計算機模擬不再需要人為地連接大量的數(shù)學公式，計算機可以將真實的事件連接到

1．2 動態(tài)模擬技術

動態(tài)模擬技術是指將系統(tǒng)通過常微分方程或偏微分方程描述出來，然后通過電腦程序建立實時的系統(tǒng)行為模型。簡單地說，動態(tài)模擬即數(shù)字模擬，需要通過得到近似的導數(shù)曲線下的面積而計算其積分來得到結果。1967年，Thomas H．Naylor和 J．M．Finger從科學哲學、經(jīng)濟理論和統(tǒng)計方面證明了動態(tài)模擬中的模型有效性［3］。目前動態(tài)模擬技術已經(jīng)廣泛應用于核動力、汽車制造、電力、經(jīng)濟學建模、生態(tài)系統(tǒng)、人工智能、藥代動力研究等領域。

1．3 醫(yī)療后送

廣義上講，醫(yī)療后送通常分為戰(zhàn)時和平時2種情況。在戰(zhàn)爭中，醫(yī)療后送是醫(yī)療后送保障的簡稱，指傷病員通過各級救治機構的分級救治與后送，逐步完成治療的衛(wèi)勤保障活動［4］。如果不是特指軍事領域，醫(yī)療后送還包括對處于災害或事故現(xiàn)場的傷病員進行救治和后送。目前國際上通行的概念為有2個，一為醫(yī)療后送(Medical Evacuation，Medevac)，是廣義上的后送;另一個是傷病員后送(Casualty Evacuation，Casevac)，專 指 軍事意義上的后送［5］。Medevac與Casevac的主要區(qū)別是 Medevac使用專業(yè)后送工具并提供后送途中的醫(yī)療保障，而 Casevac一般不提供醫(yī)療保障［6］。

2 動態(tài)模型的建立

2．1 建模工具的發(fā)展

模擬過程是指針對已存在或者設想的系統(tǒng)建立模型，以此來識別和理解控制系統(tǒng)及決定系統(tǒng)未來走勢的因素。選擇合適的建模工具是建模過程的第一步。建模工具分為2大類:建模語言類型和模擬器類型［7］。前者是廣義上的模擬工具，提供普遍意義上的建模平臺，包括以福特蘭語言(FORTRAN)為代表的高級編程語言和以通用系統(tǒng)模擬程序(General－Purpose System Simulator，GPSS)為代表的通用建模語言。建模語言可以實現(xiàn)任何情景，但是需要耗費大量時間和精力。1980年模擬器的出現(xiàn)，則解決了建模只能由少部分精通專業(yè)建模語言的人實施的問題［8］。如今兩種類型建模工具的區(qū)別已經(jīng)漸漸模糊，盡管模擬器類型的模擬工具仍占有主導地位，但是也逐漸開始支持編程語言，允許建模人員進行自由定義［10］。

2．2 建模工具的選擇

如何選擇合適的工具成為亟需解決的問題。Christy和Watson的調(diào)查顯示，62%的建模工具之所以能夠被選擇使用，是因為得到了組織內(nèi)部關鍵人物的支持，而不是因為該工具真的最適合［11］。這有可能產(chǎn)生因工具選擇不當而導致建模失敗的問題，造成時間和經(jīng)濟上的損失。1995年，V latka開發(fā)的SimSelect系統(tǒng)是第一個用于選擇建模工具的軟件工具［10］。它通過收集、分析用戶需求和各種建模工具的性能及適用性，然后按照匹配程度列出工具清單并加以排序，幫助建模人員找到最合適的工具［12］。然而，到目前為止，還沒有一種成熟可靠的方法學或執(zhí)行技術標準能夠起到規(guī)范化的作用，人們選擇工具，很大程度上仍然簡單的取決于自己的喜好。

2．3 動態(tài)模型建立的步驟

動態(tài)模型的特點是系統(tǒng)隨時間不斷變化，常用來對系統(tǒng)行為進行預測。建立步驟一般為:(1)定義建模的目標;(2)建立概念模型;(3)建立數(shù)學模型;(4)量化系統(tǒng)輸入?yún)?shù);(5)使用計算機工具執(zhí)行數(shù)學模型;(6)評估、分析和解釋運行結果。值得注意的是，動態(tài)模型需要專門設定時間參數(shù)，設定時要按照建模需要，確定時間長度，在建立非確定性模型時還需要額外設定模擬次數(shù)。

3 動態(tài)模擬技術在戰(zhàn)爭醫(yī)療后送領域的發(fā)展

3．1 模擬技術理論在軍事領域的發(fā)展

自從模擬技術出現(xiàn)以來，關于以模擬為目的建立的模型應用分類，就存在許多爭論。Davies和 O＇Keefe認為，模型分為3種:預測性模型、比較性模型和調(diào)查性模型［13］。1989 年，Rosenhead總結后列出了一項包含6個條目的模型分類表，對模型進行了細致分類［14］。由于此種類型的列表能夠有效區(qū)分不同類型的模型，因而被稱之為“系統(tǒng)方法學的系統(tǒng)”［15］。Stewart Robinson將模型分為3類:軟件仿真工程模型、組織變化過程模型、簡化現(xiàn)實模型(組織變化過程模型的特例)。

3．2 在戰(zhàn)爭醫(yī)療后送領域的發(fā)展

模擬技術最早應用于戰(zhàn)爭準備是在中世紀，那時的指揮官用小型兵馬在棋盤上進行模擬戰(zhàn)爭游戲［18］。最廣泛的軍事應用是在飛行模擬器方面［19］。1930年，Edwin Link發(fā)明了世界上第一個飛行模擬器［20］。由此開啟了現(xiàn)代模擬技術在軍事上的應用。直到1990年，軍事應用占到了全部模擬技術應用的80%。在醫(yī)療后送方面，模擬技術主要應用于醫(yī)學和軍事訓練，同時也包含了衛(wèi)勤指揮人員的決策支持和計劃制定等應用。戰(zhàn)爭醫(yī)療后送領域的模擬技術主要包含4個方面:電子傷情卡、戰(zhàn)斗傷員模擬器、綜合傷病員模擬器、傷病員模擬軟件。另外，基于Flash和網(wǎng)絡動畫的模擬工具也是一種新的嘗試，它可以更容易地顯示出戰(zhàn)斗情景、傷員流等醫(yī)療后送的過程細節(jié)，實現(xiàn)可視化的動態(tài)系統(tǒng)。

4 動態(tài)模擬技術在非戰(zhàn)爭醫(yī)療后送領域的發(fā)展

4．1 模擬技術在醫(yī)學領域的發(fā)展

模擬技術在醫(yī)學領域起步較晚，但是發(fā)展迅速。1958年，Asmund Laerdal首次引入了Resusci－Anne這一人體模型，其真實的外觀和功能，以及較好的可承受性和靈活性，使得它得到了廣泛的認可［21］。隨后心臟病人體模型 Harvey由邁阿密大學研發(fā)成功。直到80年代，隨著制作成本的下降，人體模型才得到真正意義上的廣泛應用。90年代，模擬器被引入到醫(yī)學領域，世界各地都積極地成立醫(yī)學模擬中心［23］。Jaron Lanier發(fā)明了一個簡化后的可視化腹腔解剖模型，幫助學生實踐膽囊切除術。1993年，KISMET模擬器的出現(xiàn)，使得遠程模擬手術成為可能。1994年，美國國家醫(yī)學圖書館完成了可視化人體工程，使用真實人類尸體的可視化數(shù)據(jù)實現(xiàn)了三維的解剖操作功能［24］。如今，醫(yī)學模擬技術已經(jīng)成為了醫(yī)學教育和研究中的重要方法，逐漸演化成為了5種類型:基礎解剖模型、局部功能性訓練模型、計算機輔助模型、虛擬培訓系統(tǒng)、生理驅動型模擬系統(tǒng)［25］。

4．2 在非戰(zhàn)爭醫(yī)療后送領域的發(fā)展

從1963年起，美國南加州大學就開始引入病人演員，向三年級的醫(yī)學實習生教授神經(jīng)學［26］。隨后，標準化病人(Standardized Patients，SP)的設計被提上日程，1993年才由加拿大醫(yī)學委員會首次引入到醫(yī)生資質考核中，到2004年，SP考核成為了美國醫(yī)學生拿到醫(yī)師職業(yè)資格必備條件之一。伴隨著這些標準的發(fā)展，包括急診科醫(yī)生在內(nèi)的醫(yī)學從業(yè)人員才逐漸在學習和實踐中開始接受正規(guī)化的模擬訓練。加州大學設計的Sleeper軟件，集合了復雜的生理性和藥理學原理動態(tài)，如今已發(fā)展成為了著名的BodySim軟件系統(tǒng)。直到1983年，世界上才有了第一款用于人體復蘇操作訓練的軟件，1986年 Mad Scientist軟件問世，其研發(fā)團隊之后又開發(fā)了許多優(yōu)秀的急診醫(yī)學動態(tài)模擬軟件。1992年，Rhythm and Pluse軟件問世，它的升級版本Anesthesia Simulator Consultant(ASC)模擬器成為了當時麻醉人員緊急訓練時的主流模擬工具［27］。后來出現(xiàn)的帶有多媒體特性的 M icroSim，也是專門為急診部門用于人員復蘇訓練和管理而設計的。2002年 Program Ace設計的后送模擬器，已經(jīng)實現(xiàn)了三維畫面的高真實性動態(tài)模擬過程，突出體現(xiàn)了時間參數(shù)是模擬過程中的關鍵因素，而這既是未來動態(tài)模擬技術的發(fā)展方向，也是動態(tài)模擬技術能夠在醫(yī)療后送領域發(fā)揮作用的主要原因。

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