动态模拟技术在医疗后送领域的发展

◆齐 亮 刘振全 刘晓荣 陈国良 贺 祥 刘 建 刘文宝

1 相关概念

1．1 模拟技术

模拟过程之中，并可通过更友好的方式定制输出结果，帮助理解与改进模型。

模拟技术是指设计基于数学公式的模型并用该模型进行试验，来真实反映某一系统过程。模拟的目的是为了更好、更方便地理解系统行为或者评估系统在指定条件下的变化。使用计算机软件进行模拟是技术分析和设计领域使用最频繁的方法之一［1］，其在建立真实世界的数学模型方面有许多优势，可用于新技术的探索、复杂系统的分析与评价［2］。与单纯数学建模方法相比，计算机模拟不再需要人为地连接大量的数学公式，计算机可以将真实的事件连接到

1．2 动态模拟技术

动态模拟技术是指将系统通过常微分方程或偏微分方程描述出来，然后通过电脑程序建立实时的系统行为模型。简单地说，动态模拟即数字模拟，需要通过得到近似的导数曲线下的面积而计算其积分来得到结果。1967年，Thomas H．Naylor和 J．M．Finger从科学哲学、经济理论和统计方面证明了动态模拟中的模型有效性［3］。目前动态模拟技术已经广泛应用于核动力、汽车制造、电力、经济学建模、生态系统、人工智能、药代动力研究等领域。

1．3 医疗后送

广义上讲，医疗后送通常分为战时和平时2种情况。在战争中，医疗后送是医疗后送保障的简称，指伤病员通过各级救治机构的分级救治与后送，逐步完成治疗的卫勤保障活动［4］。如果不是特指军事领域，医疗后送还包括对处于灾害或事故现场的伤病员进行救治和后送。目前国际上通行的概念为有2个，一为医疗后送(Medical Evacuation，Medevac)，是广义上的后送;另一个是伤病员后送(Casualty Evacuation，Casevac)，专 指 军事意义上的后送［5］。Medevac与Casevac的主要区别是 Medevac使用专业后送工具并提供后送途中的医疗保障，而 Casevac一般不提供医疗保障［6］。

2 动态模型的建立

2．1 建模工具的发展

模拟过程是指针对已存在或者设想的系统建立模型，以此来识别和理解控制系统及决定系统未来走势的因素。选择合适的建模工具是建模过程的第一步。建模工具分为2大类:建模语言类型和模拟器类型［7］。前者是广义上的模拟工具，提供普遍意义上的建模平台，包括以福特兰语言(FORTRAN)为代表的高级编程语言和以通用系统模拟程序(General－Purpose System Simulator，GPSS)为代表的通用建模语言。建模语言可以实现任何情景，但是需要耗费大量时间和精力。1980年模拟器的出现，则解决了建模只能由少部分精通专业建模语言的人实施的问题［8］。如今两种类型建模工具的区别已经渐渐模糊，尽管模拟器类型的模拟工具仍占有主导地位，但是也逐渐开始支持编程语言，允许建模人员进行自由定义［10］。

2．2 建模工具的选择

如何选择合适的工具成为亟需解决的问题。Christy和Watson的调查显示，62%的建模工具之所以能够被选择使用，是因为得到了组织内部关键人物的支持，而不是因为该工具真的最适合［11］。这有可能产生因工具选择不当而导致建模失败的问题，造成时间和经济上的损失。1995年，V latka开发的SimSelect系统是第一个用于选择建模工具的软件工具［10］。它通过收集、分析用户需求和各种建模工具的性能及适用性，然后按照匹配程度列出工具清单并加以排序，帮助建模人员找到最合适的工具［12］。然而，到目前为止，还没有一种成熟可靠的方法学或执行技术标准能够起到规范化的作用，人们选择工具，很大程度上仍然简单的取决于自己的喜好。

2．3 动态模型建立的步骤

动态模型的特点是系统随时间不断变化，常用来对系统行为进行预测。建立步骤一般为:(1)定义建模的目标;(2)建立概念模型;(3)建立数学模型;(4)量化系统输入参数;(5)使用计算机工具执行数学模型;(6)评估、分析和解释运行结果。值得注意的是，动态模型需要专门设定时间参数，设定时要按照建模需要，确定时间长度，在建立非确定性模型时还需要额外设定模拟次数。

3 动态模拟技术在战争医疗后送领域的发展

3．1 模拟技术理论在军事领域的发展

自从模拟技术出现以来，关于以模拟为目的建立的模型应用分类，就存在许多争论。Davies和 O＇Keefe认为，模型分为3种:预测性模型、比较性模型和调查性模型［13］。1989 年，Rosenhead总结后列出了一项包含6个条目的模型分类表，对模型进行了细致分类［14］。由于此种类型的列表能够有效区分不同类型的模型，因而被称之为“系统方法学的系统”［15］。Stewart Robinson将模型分为3类:软件仿真工程模型、组织变化过程模型、简化现实模型(组织变化过程模型的特例)。

3．2 在战争医疗后送领域的发展

模拟技术最早应用于战争准备是在中世纪，那时的指挥官用小型兵马在棋盘上进行模拟战争游戏［18］。最广泛的军事应用是在飞行模拟器方面［19］。1930年，Edwin Link发明了世界上第一个飞行模拟器［20］。由此开启了现代模拟技术在军事上的应用。直到1990年，军事应用占到了全部模拟技术应用的80%。在医疗后送方面，模拟技术主要应用于医学和军事训练，同时也包含了卫勤指挥人员的决策支持和计划制定等应用。战争医疗后送领域的模拟技术主要包含4个方面:电子伤情卡、战斗伤员模拟器、综合伤病员模拟器、伤病员模拟软件。另外，基于Flash和网络动画的模拟工具也是一种新的尝试，它可以更容易地显示出战斗情景、伤员流等医疗后送的过程细节，实现可视化的动态系统。

4 动态模拟技术在非战争医疗后送领域的发展

4．1 模拟技术在医学领域的发展

模拟技术在医学领域起步较晚，但是发展迅速。1958年，Asmund Laerdal首次引入了Resusci－Anne这一人体模型，其真实的外观和功能，以及较好的可承受性和灵活性，使得它得到了广泛的认可［21］。随后心脏病人体模型 Harvey由迈阿密大学研发成功。直到80年代，随着制作成本的下降，人体模型才得到真正意义上的广泛应用。90年代，模拟器被引入到医学领域，世界各地都积极地成立医学模拟中心［23］。Jaron Lanier发明了一个简化后的可视化腹腔解剖模型，帮助学生实践胆囊切除术。1993年，KISMET模拟器的出现，使得远程模拟手术成为可能。1994年，美国国家医学图书馆完成了可视化人体工程，使用真实人类尸体的可视化数据实现了三维的解剖操作功能［24］。如今，医学模拟技术已经成为了医学教育和研究中的重要方法，逐渐演化成为了5种类型:基础解剖模型、局部功能性训练模型、计算机辅助模型、虚拟培训系统、生理驱动型模拟系统［25］。

4．2 在非战争医疗后送领域的发展

从1963年起，美国南加州大学就开始引入病人演员，向三年级的医学实习生教授神经学［26］。随后，标准化病人(Standardized Patients，SP)的设计被提上日程，1993年才由加拿大医学委员会首次引入到医生资质考核中，到2004年，SP考核成为了美国医学生拿到医师职业资格必备条件之一。伴随着这些标准的发展，包括急诊科医生在内的医学从业人员才逐渐在学习和实践中开始接受正规化的模拟训练。加州大学设计的Sleeper软件，集合了复杂的生理性和药理学原理动态，如今已发展成为了著名的BodySim软件系统。直到1983年，世界上才有了第一款用于人体复苏操作训练的软件，1986年 Mad Scientist软件问世，其研发团队之后又开发了许多优秀的急诊医学动态模拟软件。1992年，Rhythm and Pluse软件问世，它的升级版本Anesthesia Simulator Consultant(ASC)模拟器成为了当时麻醉人员紧急训练时的主流模拟工具［27］。后来出现的带有多媒体特性的 M icroSim，也是专门为急诊部门用于人员复苏训练和管理而设计的。2002年 Program Ace设计的后送模拟器，已经实现了三维画面的高真实性动态模拟过程，突出体现了时间参数是模拟过程中的关键因素，而这既是未来动态模拟技术的发展方向，也是动态模拟技术能够在医疗后送领域发挥作用的主要原因。

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