虛擬現實技術在災害救援醫療場景專科化訓練中的應用探討

王 新，彭碧波，董一潁

虛擬現實（virtual reality，VR）技術是指利用計算機模擬產生三維仿真系統，提供使用者關于各種感官的模擬及可視化的操作交互，具有浸沉感、交互性和構想性三個重要特征，在進行真實場景模擬訓練方面具有仿真訓練成本低、環境流程可編輯及數據收集能實時反饋等方面的優勢，早期主要應用于軍事訓練、機械工程制造、航空航天模擬等專業領域。VR技術主要有3種類型：VR、增強現實（augmented reality，AR）、混合現實（mixed reality，MR）。其中，AR是在VR技術基礎上發展演化起來的，能夠拓展和加強用戶對周圍世界的感知。而MR是指合并現實和虛擬世界而產生的可視化環境，分為AR和增強虛擬。隨著互聯網大數據、人工智能、網絡通信、圖像處理等技術的井噴式發展，VR技術得到迅速普及，已逐漸在臨床技能培訓、患者康復治療、心理治療和遠程醫療等領域廣泛應用[1-3]，同時也在災害救援醫學方面展現出廣闊的應用前景。

1 VR技術在國內外醫療教學訓練中的研究現狀

1.1 國外研究現狀 VR技術在教學中的應用研究在國內外存在很大差距，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。如北卡羅來納大學的計算機系就是對VR技術研究最早且最著名的大學，其研究主要集中在分子建模、外科手術仿真、建筑仿真及航空駕駛等方面；喬治梅森大學研發了一套在動態虛擬環境中的流體實時仿真系統；華盛頓大學技術中心的人機界面技術實驗室將VR引入了教育教學、設計、制造及娛樂等領域；NEC公司研發的一種VR系統可讓使用者采用“代用手”去處理三維計算機輔助設計（computer aided design，CAD）中的形體模型，即主要通過數據手套將使用者的運動和對模型的處理結合起來。在野戰急救技能訓練方面，國外已研發出許多虛擬仿真系統，最大程度模擬實際戰場情景，快速有效地培訓軍醫、衛生人員的戰創傷救治技能[4]。美國海軍醫學中心和德州農工大學自2005年起合作開發的虛擬學習項目主要用于軍醫和衛生院內外科技能操作培訓，并且集醫學教育和訓練功能于一體[5]。為解決派遣至伊拉克戰爭一線的醫務人員對環甲膜切開術熟練度不足的問題，美國華盛頓地區醫學模擬中心外科模擬實驗室和位于伊拉克的Jameson醫務兵訓練中心合作開發了練習環甲膜切開的虛擬手術訓練系統[6]，有效提升了戰地醫師的實際操作能力[7]。

1.2 國內研究現狀 目前，我國VR技術的應用研究水平尚不成熟，但近年來隨著國內計算機行業迅速發展，相應的人工智能、圖形圖像學、互聯網及數據分析等VR相關技術均得到迅猛發展，大量VR及顯示AR技術得到廣泛應用。VR技術在醫療行業起步雖晚，但也吸引了多家科研機構對其在醫療方面的應用擴展進行了研究，其中影響力較大的有中科院自動化研究所研制的三維醫學仿真分析軟件3DMed和基于力反饋技術的虛擬手術刀；解放軍總醫院和國防科技大學開發的虛擬鼻內窺鏡手術仿真系統和膝關節鏡手術仿真系統均已在臨床中得到應用[8]。四川大學華西臨床醫學院建立的虛擬仿真實驗室，擁有教學空間10 000 m2，教學資產近1.2億元，實驗設備3 000臺左右，每年提供超過160 000人學時的各種類型和級別的臨床技能教學與培訓，修改并設計了一套以虛擬體驗為核心的“探究式體驗課程”[9]。第三軍醫大學第一附屬醫院從2010年起著手建立災害醫學救援平臺及相應課程體系，從2013年開始實施課程培訓，并設立GAP FREED虛擬仿真訓練課程[10]；2014年建成的災害醫學虛擬仿真實驗教學中心，以“全軍醫學模擬訓練中心”為基礎，針對我軍機動衛勤分隊常態化的災害救援能力訓練而不斷拓展，目前已建成占地2 200 m2，包含設備400件，總資產180萬元，可開設18個實驗科目的虛擬仿真實驗教學中心。該中心秉承“以臨床技能為基礎，以災害救援為特色”“虛實互補，平戰兼顧”原則，集臨床技能三基訓練、臨床診療實踐能力訓練、救援指揮勤務訓練和災害救援合成訓練四大模塊為一體[11]。

2 VR技術在災害醫學救援專科場景化訓練中應用的研究意義

2.1 災害醫學救援流程及場景化訓練的必要性 災害場景分型判斷是災害醫學救援快速實施的前提條件，2006-01，國務院頒布的《國家突發公共事件總體應急預案》規定，根據突發公共事件的發生過程、性質和機理，突發公共事件主要分為自然災害、事故災難、公共衛生事件及社會安全事件四類。不同性質的災害造成人員的傷勢、傷情、類型有很大差別（圖1），因而不同場景所需醫學救援程序側重點不同，如自然災害場景下，災害類型主要是地震、洪澇災害等，常見的創傷主要窒息休克及擠壓傷；而公共衛生事件場景，災害類型主要是傳染病疫情和食品安全事件，主要創傷類型集中在感染、中毒等。因此根據災害性質對救援場景進行劃分對提高醫學救援效率，最大限度地避免和減少災害造成的人員傷亡具有重要意義。

2.2 場景專科化訓練中應用VR技術的意義 各種災害場景下，創傷救治的時間緊迫，環境復雜，且傷病員集中，救治流程是確保醫療救治成功的重要環節，由于災害性質不同，造成人員的傷情不同，醫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：中毒傷員早期應立即脫離毒氣環境，采取給予吸氧等急救措施[12]。傳統的醫療救援訓練多是通過流程步驟及差別化的訓練內容，來強調及區別不同的專科場景，而使用VR技術的場景專科化訓練思路是建立各類災害救援訓練模型并建立模型評估系統，通過對模型系統的評估直接指導教學訓練過程及結果，循序迭代優化系統方案的準確性，將這些數據結果集與真實災

圖1 災害場景及場景下的主要創傷類型

害救援中收集的數據結果集做比對，指導訓練系統的改進和應急預案的生成[13]。對比傳統訓練，使用VR技術的場景專科化訓練能真實還原各種災害場景的細節特點，便于參與者進行精準的專科化訓練，同時能得出系統性的評估訓練結果，并且該訓練方式結合實時的訓練數據和真實性的仿真訓練模型，不但能提高專科化場景訓練的靈活性和準確性，也可有效提高參訓人員對于災害場景下各類專科場景的醫療操作體驗。系統以三維仿真虛擬交互等形式提供參訓人員基本的信息、災害典型過程、事故結果模擬，以及各類應急資源和救援力量等基礎數據，參訓人員通過系統工具在VR的三維仿真場景中，可制定和推演細分各類災害應急醫療的訓練內容[14]。VR技術訓練場景下的真實感效果，能使參訓者更好地應對現實中的突發事件，并熟悉救援過程中的流程細節[15,16]。

3 VR技術在災害醫學救援專科場景化訓練研究中的內容

3.1 以醫療學科類別場景劃分 VR技術在災害醫學教學訓練中的應用主要包括基礎醫療能力和災害急救醫療能力訓練兩部分。如圖2所示，基礎醫療能力訓練主要包含數字仿真的人體模擬解剖、醫學機能實驗，全科醫學學習三部分；災害急救醫療能力訓練主要包含創傷急救基本技能、熱損傷效應評估實驗、特殊環境病蟲媒介生物虛擬仿真實驗、災害現場感染防護、救援醫療設備使用操作、創傷后應激障礙（post-traumatic stress disorder，PTSD）心理干預幾部分內容。

3.2 以醫療救援流程場景劃分 災害救援現場較平時醫療環境在時間上更為緊迫，加之救援場景的突發性、破壞性、群體性、復雜性等特點，大量傷病員需同時救治、現場混亂，工作環境艱苦且危險。在熟悉各類災害救援應急方案的同時，醫療救護人員也必須熟練掌握相應的救援流程，盡最大程度救助更多傷員，降低死傷率。因此災害救援醫療教學訓練中，依據時間流程劃分教學內容，結合VR技術的沉浸式交互，讓參訓人員提早接受、適應并熟悉災害環境下的急救流程非常重要。如圖3所示，訓練過程中模擬的流程，大致按照到達現場前、現場急救時和撤離災害現場后三個時間節點。到達現場前主要是災害應急準備工作，偏重于對災情的了解分析，以及醫療隊出隊人員和物資的準備工作。其充分程度直接影響醫療救援隊員進入災害現場施救時的過渡時間及展開救援的速度。現場急救階段，依據災害醫療救援工作的共性，可統一為現場急救終止損傷，通過檢傷分類，按安全級別來決定傷病員的救治順序，經過一系列緊急救治后，將生命體征平穩的傷員后送至附近醫院或醫療救援營區進行病情留觀。醫療隊員撤離災害現場后，除將留觀傷員交付當地醫院進行后續康復治療外，可通過遠程技術對傷員和救援人員進行PTSD心理干預，指導傷病員的康復治療，對于當地的災害救援情況，從工具儀器及救援過程提取收集的數據，進行匯總，將結果代入到對應的救援模型中進行優化，用以指導醫療訓練和應急方案的修改和更新。

4 小 結

近5年來，醫學院校和臨床醫學專家對急救醫學的研究仍集中在感染和創傷兩大領域，而對心肺復蘇、核、化、生救治的研究相對較少，災害救援醫學方面如狹小空間救援、擠壓綜合征的現場救治、現場截肢、極端氣候下的醫療救援、空運醫療后送、海空救援、多發傷的急救與轉送等的研究進展緩慢。尤其是在災害場景下的標準化應急預案缺少行業規范流程，各救援組織機構一般從外科急救流程中借鑒經驗，并未形成統一的階梯化訓練流程和規范化標準。同時，近幾年國內外創傷醫學研究中鮮有涉及災害救援兒童專科的；在VR技術方面，也缺少未成年及幼齡階段的虛擬人體解剖模型等技術支持，這使得參訓人員缺乏針對兒童的災害現場急救經驗。隨著計算機技術的快速發展，今后可匯總分析大樣本量的救援實例和訓練數據，這有助于各類場景應急預案及訓練模型的制訂和推演，VR技術在災害救援專科化訓練中逐步會成為平臺化、標準化學習的普遍技術工具，進一步細分救援類型和場景細節，并與醫療專科化場景訓練相結合，使醫療救援過程的操作更精準和安全。

圖2 以醫療學科類別劃分VR技術進行災害醫療教學訓練的主要內容

圖3 以醫療救援流程場景劃分VR技術進行災害醫療教學訓練的主要內容