虛擬現實-增強現實技術在核與輻射突發事件應急醫學救援模擬訓練中的應用探討

郭 棟 ，楊曉明 ，魚 敏

核與輻射突發事件是指由于核設施、核武器和其他輻射裝置的不正?；蚍钦斶\行與使用，導致放射性物質或其他放射源突發性非自然外泄或散布，造成或可能造成嚴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]。核與輻射突發事件應急醫學救援是國家救援和軍隊衛勤力量的重要訓練內容，但由于核與輻射突發事件的特殊性，現實情況往往無法提供災害現場的模擬訓練環境，難以達到實戰化訓練效果[2]。近年來，隨著計算機技術的發展及傳感器和顯示技術的提升，虛擬現實（virtual reality，VR）和增強現實（augmented reality，AR）技術已進入高速發展期，在包括軍事訓練在內的諸多領域呈現出巨大的應用潛力[3-5]?；赩R-AR技術能提供良好的訓練交互體驗，并為受訓者提供逼真、安全的訓練環境和可重復、低成本的訓練手段，彌補當前衛勤模擬訓練中存在的不足，因此，VR-AR技術有望成為下一步驅動核與輻射突發事件應急救援模擬訓練的重要手段。

1 VR與AR技術概述

VR技術是20世紀末興起的一門嶄新綜合性的信息技術，根據技術原理不同可分為VR、AR及混合現實（mix reality，MR）。VR技術是在綜合運用立體顯示和傳感器、動態環境建模、實時三維圖形生成、系統開發工具應用、系統集成等關鍵技術的基礎上，以高度仿真方式給用戶創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。用戶可借助頭戴式立體顯示器（headmounted display，HMD）、數據手套等輔助傳感設備，切身參與并探索仿真對象在所處環境中的作用與變化，產生沉浸感和帶入感[6，7]。AR技術是在VR技術基礎上發展起來的，是真實世界和虛擬世界的信息集成。通過將計算機生成的虛擬場景疊加到真實場景中，然后用戶利用頭盔顯示器，將真實世界與電腦圖形多重合成在一起，產生一種更為逼真的視、聽、力、觸和動等感覺的虛擬環境，具有虛實結合、實時交互的特點[8，9]。近年來，AR/VR技術引起人們的廣泛關注，尤其是2016年成為市場關注爆發點，被業內稱作“VR元年”。目前，該技術的研究應用已擴展到工業制造、軍事訓練、機器人、數據可視化、醫療、娛樂、教育等領域，并展現出良好的應用前景。

2 核與輻射突發事件應急救援模擬訓練中存在的問題

核與輻射突發事件具有突發性、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、涉及人數多、持續時間長等特點，這決定了其應急醫學救援具有技術性、復雜性和艱巨性，科學、高效的救援來源于平時的實戰化訓練。雖然近年來隨著衛勤基地化訓練的展開、標準化傷員及智能仿真模擬人的運用，衛勤模擬訓練成效顯著提升，更加向實戰化聚焦，但訓練效果距離轉化投入實戰應用、生成戰斗力和保障力尚有一定距離，目前核應急救援的實戰化訓練主要存在以下不足。（1）訓練模式單一，實戰化訓練氛圍不濃。目前，我國核與輻射衛生應急培訓，多以短期授課方式為主，內容重復單一；加之救援隊員專業背景、工作崗位不同，培訓缺乏針對性。傳統模式多采取理論授課和參觀考察方式，隊員參與感不強，忽視心理考驗，難以滿足實際需求，尤其缺乏針對應急管理人員或衛勤分隊領導風險評估、指決策能力的培訓[10]。（2）訓練內容落后，難以勝任復雜救援任務。核與輻射突發事件涉及從放射源意外照射或非爆炸性散布等小規模事件到核戰爭、核攻擊、各種核電站事故等大規模事件，不同規模等級的核與輻射突發事件訓練內容、處置流程各不相同。但由于模擬訓練條件有限，針對化訓練內容難以展開。（3）訓練效果難以得到有效檢驗。應急培訓的效果評估是培訓工作的重要環節，可起到檢驗培訓效果、總結經驗教訓、改進培訓規劃的作用?；诤伺c輻射事故獨特致傷特點和殺傷效應，在組織演訓時，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技術用于核與輻射突發事件應急救援訓練的可行性

3.1 克服訓練環境單一的弊端 美軍一直倡導運用計算機仿真模擬技術進行軍事模擬訓練，認為該訓練方式可最大限度貼近實戰，并在現代戰爭中驗證了該理念的正確性[11]。由于我軍“三防”醫學救援隊伍普遍缺乏中、大規模核與輻射突發事件應急處置實戰經驗，而在衛勤訓練中營造核戰爭、核武器事故或核輻射恐怖襲擊事件戰術背景代價昂貴、成本過高，加之當前軍隊衛勤人員大多缺乏真實條件下戰（現）場的感性認識，會在不同程度上影響平時訓練技術的實戰應用與輸出。利用VR-AR技術，可讓醫療隊員攜帶各種傳感設備，在模擬訓練環境數據庫中切換、選擇，體驗不同核與輻射突發事件現場情景，感受未來戰爭條件下核武器致傷傷員的發生、分布特點，從而提像置身現場或參加實戰一樣，鍛煉和提高參訓人員的現場救援、心理承受和戰場適應能力。

3.2 提高聯合衛勤訓練的效果 大規模核與輻射突發事件發生時，醫學應急救援的難度高、任務重、時間長，絕非某一支醫學救援隊能夠完成，需要動用數支，甚至數十支救援隊，開展“軍-軍”、“軍-地”聯合醫學救援。然而受訓練場地、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急救援演習中，目前組織不同救援隊伍協同訓練仍相當困難。而應用VR技術，不論任何性質的救援隊伍或衛勤分隊，只需借助網絡技術就可進行各種限定下的聯合訓練。不同地域的應急救援隊員通過配戴VR眼鏡或HMD，即可出現在同一虛擬的災害現場，實時進行語音交流，展開聯合核與輻射突發事件救援訓練。這不僅能顯著減少聯合衛勤訓練的時間和經濟成本，同時有助提升軍隊應對大規模核與輻射突發事件的聯合保障能力。

3.3 有助獲得真實的現場救援體驗 在基地化衛勤訓練中，雖然模擬傷員或標準化傷員經化妝后能在一定程度上使參訓人員產生戰場傷員的視覺感受，且能與其交流互動[12]，但模仿病種極為有限，且不能體現出核與輻射事件中的救援環境特點。運用VR-AR技術，可使醫護人員如同身臨戰場、直面各類真實傷員，甚至能將各種致傷效應以可視化形式展現出來，讓隊員感受整個致傷過程，視覺沖擊更為強烈。如在虛擬戰場或災害現場，構造出核爆炸時帶有放射性的灰塵飄落到地面，在爆心周圍或下風向狹長地帶形成放射性沾染區的視覺場景，或透視模擬出不同掩體、不同防護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，可引導救援隊員在執行救援任務時，更好地掌握傷員分類檢索方法并提升自身防護意識。

3.4 提升隊員的心理適應能力 現代戰爭中，由于作戰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。核輻射突發事件的應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和適應能力。但在我軍傳統的衛勤訓練中，對受訓人員心理適應力的訓練仍是一片空白。而在衛勤訓練中引入VR-AR技術，救援隊員可在虛擬的戰場或災害現場中反復感受現場救援情景，不斷提高自身的心理應激閾值。長期的VR訓練可使受訓人員產生強大的戰（現）場心理適應力，消除恐懼心理，進而建立成熟的心理防御機制，確保平時衛勤保障效能在戰時的穩定發揮[13]。

4 基于VR-AR技術的核與輻射突發事件應急救援訓練平臺的構建

核與輻射突發事件應急救援模擬訓練平臺包括系統建模、3D融合、功能仿真、顯示及決策優化五大模塊[14]。系統建模是基礎，包括場景建模、輻射源建模、傷員建模。場景建模主要基于GoPro方案和影像配準技術生成相應VR/AR模塊[15]；輻射源和傷員建模主要是在采集核爆現場、核輻射事故現場等數據基礎上構建，并結合以往救援實際經驗對各模塊復雜變量進行優化，簡化提煉出環境的主要特征；然后通過場景的3D融合形成要素齊全的工程環境，構建應急救援訓練平臺（圖1）。根據培訓任務、人員不同，訓練又分為指揮決策訓練模塊、環境檢偵訓練模塊和傷員處置訓練模塊，以滿足多樣化訓練需求。

4.1 構建放射性污染擴散模型 根據放射性污染擴散規律，構建核輻射事故發生后放射性污染擴散模型，計算或預測不同程度條件下的事故后果。目前，大氣擴散模式已被廣泛應用于放射性核素傳輸、擴散的估計和預測研究，其中，高斯模型可用于點源擴散模式，并具有計算量小、方法成熟、適用于事故早期快速評價等優點，成為核與輻射應急劑量模擬計算的首選。在高斯模型基礎上，將核與輻射突發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散影響因素，得出放射性污染擴散的空間分布模型。為方便直觀顯示放射性污染的擴散情況，可進一步引入地理信息系統（geographic information system，GIS），使放射性污染擴散模擬結果通過GIS顯示[16]。利用衛星地圖和GIS數據庫中創建的地形補丁導入VR場景模型中，進行初始三維環境的創建，再根據GIS的空間分析結果和劑量分布劃定高污染區、低污染區和安全區，并根據“任務劑量最小”和“作業高效與安全可靠”原則篩選出最優化的安全路徑，為制訂救援方案和應急決策提供參考依據。參訓隊員既可采用俯視視角模式宏觀了解放射性污染的擴散規律，又可進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場空間環境中，提升虛擬現場的真實性和感染力，并利用HDM頭盔進行場景中輻射水平檢測和傷員去污、救治模擬訓練。

圖1 核與輻射突發事件應急救援訓練平臺構建示意

4.2 構建批量核沾染傷員模型 筆者在搜集整理國內外核戰爭、核攻擊或核恐怖事件、核電站事故、放射性物質泄漏、散布等案例資料基礎上，結合不同輻射劑量致傷特點，構建批量傷員發生、分布模型。利用Unity 3D平臺構建虛擬三維戰場或災害事故現場，或運用AR技術，通過攝像頭采集真實場景視頻圖像，采用計算機視覺跟蹤注冊方法，對真實場景中的人工標志物信息進行跟蹤注冊，直接將批量虛擬傷員疊加、生成在真實場景中。跟蹤注冊是AR系統的核心，目前主要有基于計算機視覺跟蹤注冊和利用設備傳感器、全球定位系統（global positioning system，GPS）進行硬件跟蹤注冊兩類技術。由于AR顯示器能突出顯示各參訓隊員移動位置，能為隊員的團隊協作訓練提供條件，使得分類檢傷組隊員在虛擬環境中以小組協作形式開展批量傷員分類檢傷訓練成為可能。在虛擬場景中，呈現在參訓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事件中傷員發生分布特點，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、心理應激障礙傷員。每名傷員的傷情轉歸主要取決于傷員自身傷情特點和參訓人員處置操作恰當與否，如危重傷員如在規定時間內得不到有效處置，則會自動觸發死亡程序。因此，要求醫護人員在虛擬實訓中密切協作，用最優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束后，電腦會對所用時間、誤診率、傷亡率等指標進行評分，隊員可對整個分類檢傷過程進行復盤分析，并總結經驗。

5 結 語

VR技術和AR技術作為一項新興的綜合性信息技術，備受國內外各領域專業人員的關注，其在軍事訓練領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的開展，核技術的發展與擴散不可避免，全球擁有核能力的國家繼續增多。周邊國家頻發的核爆試驗及國際上第4代核武器的研發等復雜的安全形勢，使我國核與輻射應急救援工作面臨更大的挑戰[17]。因此，必須不斷創新訓練手段，切實提升實戰化能力水平，滿足核應急救援實際需求。而VR-AR技術能夠節約訓練成本，提升訓練效益，豐富訓練手段和內容，增強實戰化衛勤軍事訓練的針對性，有助于構建從訓練場走向戰（現）場間的能力效益的轉化橋梁，因此應用前景廣闊，值得進一步深入研究。

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