視覺增強系統在應急醫療救援力量培訓的應用探討

劉夏陽，鄧 健，任東彥，蘆超越，陳國良，劉曉榮

混合現實（Mixed Reality，MR）技術作為增加現實與虛擬現實的混合連接技術，具有物景強化、疊加匹配和實時交互等特征[1]。而集成MR技術優勢的視覺增強系統在多維融合、動態可視和行為輔助等方面的表現更是可圈可點[2-4]。得益于虛擬技術領域的飛速發展，視覺增強系統在教育培訓、建筑機械、軍事科工和醫學救治等行業應用日趨廣泛[5]。應急醫療救援力量作為各類災害與突發公共事件開展緊急救治、疾病防控和衛生保障的主力軍[6]，其作用得到社會各界的關注與認可。探索視覺增強系統在應急醫療救援培訓中的應用，聚焦力量生成的難點弱點，有效打通實訓中的堵點塞點，科學降低主觀醫源性損傷概率，對夯實救援隊員的能力素養，提升現場救治成功率和增強民眾信心有著重要意義。

1 視覺增強系統的應用特征

2018 年微軟首次提出基于MR顯示的視覺增強系統概念并付諸實踐。視覺增強系統由主體控制與校正模塊、實景采集與匹配模塊、空間色彩編碼與增強模塊、視覺特性感知與算法模塊、動作標記與追蹤模塊組成，通過對使用者視野所及真實環境的虛擬渲染和精度疊加，獲得視場角度大、分布范圍廣、超視覺限制的立體仿真維度[7-8]，如圖1 所示。目前，美陸軍已將視覺增強系統用于支持未來戰場戰術戰傷救治，并取得良好效果。

圖1 視覺增強系統工作流程圖

1.1 高精度的視野還原 視覺增強系統中圖形維度模塊包含基于視野域值的標記引擎和基于自然屬性的結構引擎，利用結構光點的位移與扭曲、被動光源的搜索與修正和脈沖光束的動量與距離，對真實物理世界的體積、位置和姿態進行掃描與提取，快速完成初始化虛擬成像與特征匹配[9-10]。采用基于視野與動態鏈接擴展的特征解算，對使用者雙目所見重點目標進行局部優化和額外背景的過濾，不斷疊加比對空間原點，動態修正精度坐標和顏色坐標，確保模擬世界與渲染目標的高度一致，達到結果更豐富、更可信的增強體驗。

1.2 高頻次的行動捕捉 為保證使用者在虛擬環境的行動與真實世界維度疊加一致，視覺增強系統利用注冊標記法高速高頻捕捉變化的自由度閾值和圖像邊緣曲率，從而估計出使用者的絕對位置和相對位置信息，并傳入進虛擬相視端，促使使用者在虛擬環境的“真實”校準與“全息”連接[11]。同時，為避免因反向運動測算導致的位移跳變，視覺增強系統采用互補濾波法將位置傳感器所采集的加速度或角加速度進行基于磁阻的核算，并通過一個深部通道持續對接虛擬世界中的輪廓網格，直至所有發生跳變的節點均被阻止遮擋，從而最大限度滿足行動軌跡的準確性。

1.3 高交互的沉浸體驗 在生成目標物質特征和使用者肢體運動特征的基礎上，視覺增強系統通過感知矢量引擎采集使用者所在虛擬領域的交互向量信息并進行分層描述，生成有形對象、空間映射、軸距維度、本體姿態和交互關系等五類定義化屬性[12-13]。仿真模擬開始時，在使用者自然手勢動作數據和關鍵位點規劃數據的支持下，五類屬性通過系統交互模塊進行傳遞、檢查、對比和修正，使虛擬模型環境產生類似于現實物理空間本體感覺、認知交流和觸覺交互[14]。同時，視覺增強系統還具備多用戶空間協同聯動、四維（Four-Dimensional，4D）模型超視野擴展和“時空”邏輯成長進化等功能，極大地提升了用戶的沉浸體驗。

2 視覺增強系統在應急醫療救援力量培訓中的應用需求

受自然變異和人為因素的多重影響，我國是災害頻發的國家。各類突發事件發生后，為最大限度降低事件對生命與財產造成的傷害，維護公民的身心健康，應急醫療救援力量必須第一時間前出展開支援，并高效高質的并在抵達后迅速開展進行醫療救治與后送工作。相關資料顯示[15]：近年來雖然應急醫療救援在實際運用中得到發展，綜合防護能力得到提升，專業配比得到優化，但在應急響應、決策輔助、力量組成、救治防控和指導培訓等方面依然存在難點、堵點、痛點甚至是空白點，不少問題亟待解決。科學夯實包括組織籌劃與管理、快速反應與備變、救治技能與防控、傷病員監護與后送和衛生支援與保障等在內的核心應急醫療救援能力體系，按照“專常兼備、反應靈敏、多能一體、平戰結合”的要求將視覺增強系統融入到應急醫療救援力量生成的全鏈路之中，不斷豐富培訓模式，積極促進其技術優勢和特征優勢在崗前培訓、技術重塑與保持、組織管理、模擬演練和考核評估等方面的應用，將是一片前景廣闊的“藍海”領域。

2.1 突出在環境適應能力方面的訓練應用 外部自然環境的多變性和適應力延后是應急救援所面對的一大難題[16]。充分運用視覺增強系統中場景引擎與自然現實疊加模塊，高還原性地模擬出各類地理條件，如高原、盆地、平原、沙漠、濱海區域、海島等；各類自然災害條件，如氣象災害、海洋災害、洪水災害、地質災害、地震災害、森林與作物災害等；以及各類人文社科條件，使救援隊員在平時訓練或行前培訓時可以任意選擇體驗任務現場情景，掌握傷病員分布與產生的時域特點，對即將面對的環境有初步的判斷和了解，做好體能、心理、物資上的準備，從而避免救援隊到達預置區域后出現難啟動、難展開、難救治和非工作非戰斗減員的情況。

2.2 突出在應急響應能力方面的訓練應用 目前，存在信息資源獲取較慢、應急聯動響應反應較弱、平戰等級轉換時間較長、方案預案可操作性不強、指揮協調平臺支撐度不夠等情況[17-18]。利用視覺增強系統的多用戶聯動功能和未來事件模擬生成功能，對信息融合與傳送、規模化收攏與集結、多單位指揮與多專業協作、方案實景化實地化實物化推演、橫向平臺架構與檢驗等方面進行模擬操作，在行前技術培訓或規模化救援演練中，不同地區、不同專業屬性的救援隊伍和衛勤分隊通過視覺增加系統進行多用戶同限定環境下的實時交互配合訓練，在調動培訓對象的主觀能動性的同時找出響應鏈條中存在的薄弱之處，并在正式行動前予以修正優化，有效提升訓練質效。這樣不僅能在需要跨時跨域跨專業訓練時減少時間、人員、物資和經濟成本，也能科學布局參訓要素，避免非必要損耗，顯著提升應急救援響應能力和多隊伍間的聯合保障能力。

2.3 突出在醫療救治技能方面的訓練應用 在應急醫療救治技能方面，存在著訓練模式單一、救治流程規范性不足、現場救治能力偏弱、檢傷分類準確性較低、隊伍里與隊伍間醫技水平參差不齊等情況。借助視覺增強系統的高沉浸性和高形象化，利用系統的多維標記、頂點抽取、子網格處理、超視野還原、實物色彩渲染、遮擋回避和增強感官體驗技術，結合主體對象動靜、遠近、快慢之間的瞬時變換，模擬出基于災害現場特征，可供使用者反復練習的標準化病員角色。如身臨其境一般面對各類各種致傷效應，特別是致傷效應罕見所形成的可視化模型，如肢體殘斷、氣胸、爆震傷、窒息、大面積燒燙傷等[19]。在帶來強烈的視覺沖擊下，明確訓練綱要、突出特殊傷情處置，針對不同專業不同屬性的救援隊員開展個性化和規范化培訓。同時，還可利用視覺增強系統中語言交互功能進行醫患之間的模擬對話，提高受訓隊員在面對真實病例時的醫患交流質量。

2.4 突出在疾病防控與衛生防疫方面的訓練應用 利用視覺增強系統中的時間邏輯拓展、極限場景還原和事件成長與決策輔助等功能，以自然地理條件和本地疾病分布譜為藍本，融合系統工程場景要素模擬和影像配準，構建出災后或公共事件后可能出現的地方性疾病、區域性流行病或自然疫源性疾病等局部或大范圍肆虐流行的虛擬現場，使參與救援任務的醫療隊提前熟悉可能面對防疫情況，提前與對口部門協調溝通、接種疫苗、備變各類藥品和防護器材，分區分層開展疾病防控訓練，從而避免在救援現場出現工作時“眉毛胡子一把抓”、盲目防控、過度消殺和藥品供應失衡失量等情況。

2.5 突出在現場信息綜合處理方面的訓練應用 在應急醫療救援現場，會隨著時間推移產生大量數據信息。這些信息具有規模性、快速增長性、結構復雜性特點的同時，也具有部分錯誤失真性、延遲冗余性和消極干預性[20-21]。快速且準確的在信息流中獲取關鍵信息，對掌握救援現場態勢，提升醫療救援決策產生的時效性息息相關。利用視覺增強系統的信息注冊管理、態勢感知、用戶定義操作和多平臺兼容等功能，模擬現場各類醫療救援信息，包括環境報道、救援資訊、上級決策命令、態勢新聞、傷病員情況、物資耗損與補充情況等，產生過程，受訓者在熟悉這個過程的基礎上可以反復進行抓取分析訓練，不斷提升對科學化、定向化和精準化信息的敏感度，從而降低任務中的決策失誤概率。

3 展望和討論

應急醫療救援能力不僅針對個人，也針對救援單元和多組聯合而言。作為一級救援實體必須完成上級賦予的各類現場或后續醫療救援任務，這就需要有與之對應的保障能力，而保障能力的生成與保持在日常訓練中是密不可分的。作為現實與虛擬世界的橋梁，基于MR技術的視覺增強系統的不斷成熟與廣泛應用為應急醫療救援力量的培訓帶來全新的技術選擇和主觀體驗，在精密籌劃、精準指導、精確決策和精確復盤方面擁有巨大的優勢，為應急醫療救援的可持續發展提供了加速度。

3.1 強建設保質量，建立互通互聯的培訓模式 應急醫療救援力量的培訓根本落腳點在于優化并驗證與遂行任務相適應的指揮管理制度、專業人員組成和能力要素水平、藥材裝備配備和相關的保障標準。運用建立互通互聯的“虛擬同時空”演練模式，發現訓練中存在的短板弱項，減少人為非必要性消耗或損傷，科學研究并提供相應的解決方法和途徑，去偽存真、去蕪存菁、大膽創新，在訓練中持續改進完善各項標準，使應急救援力量的建設更加合理正規，逐步形成統一規范、高質高量、實用管用的培訓標準、演練模式和配套機制。

3.2 強體系促網絡，建立分層分級的培訓模式 隨著應急醫療救援理論和技術的發展，救援的重點從治“現病”向治“未病”轉變，培訓的模式從應付“現急”向處理“未急”轉換，培訓的對象從一對一向多元轉換，教學平臺從獨立向扁平化轉換。持續加大對體系資源的投入，充分利用視覺增強系統虛擬仿真引擎的高精度性和高還原性搭建多種類災害模擬訓練平臺，建立基于網絡化的專項演練場和減災救災教學中心，依據救援任務需求和救援力量素質組成運用視覺增強系統開展梯隊性分層分級訓練，避免培訓內容的單一性、確保課程的針對性與合理性，同時，利用病員傷情數據池在系統中形成高仿真度數字鏡像模型，依據不同的災害類別，受災地區、受災規模和受災時限動態生成不同種類、不同規模和不同訴求的傷員模型供受訓者反復練習、復盤總結，保證救援訓練科目和內容的全面覆蓋，從而不斷提升質量效益、優化救治流程，密切人員配合，確保現場救治后送和防疫防控任務的順利完成，保障以救援實體組成的醫療救援網格作用凸顯，醫療救援網點托底，促進應急救援網絡健康發展。

3.3 多渠道多模式，建立信息化支撐的培訓模式 運用視覺增強系統的數據信息兼容端口，全渠道多模式的抓取、收集、分析各類信息數據，借助5G通信優勢，通過全息監控功能和視頻評估功能加持，加快推進并建立以信息化和數據化為支撐的災害醫學仿真平臺和模擬決策平臺，整合各類優質賑災防災數據與信息資源，消除多重多源信息間的碎片化、分散化和異構化，持續匯集高質量的救援數據信息，緊緊扣住“信息數據支撐救援能力生成”這個關鍵點，實現從訓練設計、訓練實施、訓練評估和訓練反饋的全鏈條的數據信息共享與數據表征一致化，實現跨域訓練、態勢訓練和多元多類訓練的同時輸出與展開，建立目標明確、對象精準和智能判別的災害醫學救援信息體系，不斷提高應急醫療救援培訓的便利化、職能化、預貯備化和信息化。

4 小 結

近年來，隨著虛擬仿真與視覺增強技術的日趨完善，其應用的廣度與寬度也在逐步增加。視覺增強系統利用它技術的優勢運用于培訓領域，所帶來的教學質量和效果的提升也獲得了專家的肯定。面對災害的突發性、種類的多樣性、響應的時效性和救援過程的復雜性，對應急醫療救援團隊的綜合能力提出了更高的要求。如何在嚴酷的自然環境下和陌生地域中快速實現救援團隊的專業配置、精準布勢、科學展開、梯次救護、協同配合和信息甄別，行前的培訓和救援演練至關重要。應大膽將新技術、新方法和新模式應用于教學和演練中，才能不斷滿足救援任務新目標、新使命和新需求，持續提升應急醫療救援隊伍的能力水平。視覺增強系統在演練成本控制、多對象同臺同頻、背景環境架設、訓練模式切換、訓練效果評估、輔助決策、組織架構和指揮流程優化等方面均有突出的表現，增強了應急醫療救援培訓的專業性、科學性和實戰性，是從“演練場”向“實戰場”快速轉變的催化劑，值得先用先試、持續研究和推廣。