虚拟现实技术在武警卫勤无缝救援系统中的应用

冯基，韩波

武警山西总队医院 信息科，山西 太原 030006

虚拟现实技术在武警卫勤无缝救援系统中的应用

冯基，韩波

武警山西总队医院 信息科，山西 太原 030006

虚拟现实正逐渐成为信息领域中不可或缺的技术，这种技术可以使人与人或人与环境以一种舒适的方式进行交互和交流，给人一种身临其境的体验。目前有很多应用领域均引入虚拟现实技术，武警卫勤无缝救援系统已经具备实时性、高效性等特点。本文以武警卫勤无缝救援系统为背景，利用虚拟现实技术实现救援系统智能化运作，把虚拟现实技术应用于武警卫勤无缝救援系统，能够在救援活动中提供更高效，更安全的救援方法。

虚拟现实；远程协助；救援系统；场景模拟；远程医疗

引言

虚拟现实技术就是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统。这种系统生成的各种虚拟环境，作用于用户的视觉、听觉、触觉，使用户沉浸其中，产生身临其境的感觉[1]。虚拟现实技术有以下几个特点：

（1）沉浸性。虚拟现实技术创造的虚拟环境，使用户相信虚拟环境中的事物或人是确实存在的，与现实环境基本没有差别[2]。

（2）交互性。在虚拟环境中，用户如同在真实环境中一样，与其中的人物、事物发生交互关系。

（3）构想性。虚拟现实技术可以启发人的创造性活动，可以把用户对事物的认识过程由被动地接受变为主动地寻求、探索。随着科技的进步，虚拟现实技术将会为人类带来一场大众市场的革命[3]。所以，目前有很多应用领域均引入虚拟现实技术。

武警卫勤无缝救援系统能够在第一时间将医学专家的指导意见用于救援前线，医学专家手持移动终端设备可以与救援前线的医务工作人员在转运途中进行数据传输和音视频会话，实现了救援过程中的统一调度指挥。此系统通过实时调用病史体征、急救预案、医学专家知识库以及指挥调度数据库，为医务工作者提供有价值的参考资料，对患者进行有效的治疗。武警卫勤无缝救援系统还具备数据挖掘功能，对今后救援工作起到预测和分类作用[4]。本文将虚拟现实技术与武警卫勤救援系统相结合，可以使武警卫勤救援系统的实时性更高、画面更真实，从而提高军队数字化卫勤工作的效率。

1 虚拟现实技术在医学领域的研究进展

1.1 虚拟手术

虚拟手术系统是专门用来对手术全过程进行仿真的虚拟现实应用系统，主要包括虚拟建模、医学数据的可视化、人体组织器官的应力形变仿真、传感与反馈、高速图形显示与图像处理等几部分[5]。在实际手术中，医生主要依靠视觉和触觉的反馈信息对病人模型进行手术操作，通过高速宽带将动作信息传送给手术机器人，由手术机器人对病人进行手术。手术的实际进展情况通过在手术机器人上配置的高清摄像机传回医生佩戴的虚拟现实头盔，医生可以实时掌握手术的情况并及时发出手术指令[6]。因此，虚拟手术系统大都是针对视觉与触觉两大方面的仿真研究，通过视觉反馈直观地呈现出逼真的虚拟手术场景及操作对象，利用触觉反馈感受虚拟环境中力的作用并对操作作出及时、正确的判断[7]。

目前，国内多所大学和科研机构均对虚拟手术技术进行了研究，其中影响力较大的有：中科院自动化所研制的三维医学仿真分析软件3DMed[8]和基于力反馈技术的虚拟手术刀；解放军总医院和国防科技大学开发完成的虚拟鼻内窥镜手术仿真系统[9]和膝关节镜手术仿真系统[10]，并且这两个系统已在临床中得到应用。

而在国际上，多所研究机构和商业公司在虚拟手术仿真领域的研究也取得了较大的成果，美国的Chanthasopeephan等[11]设计的基于有限元软组织切割的手术仿真器；日本的Yusuke等[12]设计了高质量可视化的虚拟手术仿真系统；德国的Fuchs等[13]采用CT数据进行三维重建并对儿童肝脏血管畸形设计了手术仿真治疗规划系统。

1.2 虚拟现实场景模拟

随着虚拟现实技术的不断发展，在医学领域，研究人员应用虚拟现实技术构建了一套典型的应用系统，用于自然灾害、紧急救援等场景的模拟[14]。相关组织可以利用这些系统对目标场景各种复杂情况的模拟，对救援人员进行训练，可以有效增强救援人员在极端情况下的应急能力和心理素质，减少不必要的耗费，即便救援人员在模拟训练时犯了严重的错误，也不会造成严重的后果，还会获得实际的救援经验。

目前，虚拟现实场景模拟的研究呈现多样化，孟凡兴等[15]将虚拟现实技术应用于火灾紧急疏散系统，利用近似真实虚拟火灾场景进行训练，有效提高了人们在火灾中的逃生能力；丘京松[16]将虚拟现实技术用于反恐和突发紧急伤害事件中，可以对救援人员提供了丰富、真实的内容以及长期有效的训练方法，也提高了公众在危机时刻的救援和自我保护能力。

也有许多学者对虚拟现实模拟场景应用于救治演练做了相关研究，如暴力恐怖袭击[17]、自然灾害、战争及战后康复[18]等救治演练的应用也取得了很好的效果。这些研究表明，虚拟现实技术带来的真实效果，可以使相关人员更好地应对现实中的突发事件[19]。虚拟现实技术也为紧急情况演练提供了新的方法。

1.3 虚拟现实技术应用于理论教学

利用虚拟现实技术构建虚拟人体或人体器官是通过计算机技术将人体或器官的结构进行数字化处理，转换成计算机的语言信号，再现现实的人体或器官的模型。虚拟人体可以通过调控模仿现实人的各种反应，虚拟出的器官可以进行任意旋转，医学工作者可以根据需要对器官的结构和尺寸进行任意调节，这样可以更加直观地了解各器官之间的结构和关系[20]。

目前，我国在这个领域的研究还在初始阶段，仅在上海、重庆、广州等大城市构建了部分虚拟人体数据集。在国际上，最好的人体解剖图谱数据库是由美国国家医学图书馆发起的可视化人计划建立的三维人体的断层成像、核磁共振成像和解剖切面的数字化人体图像库[21]。此外，Satava等[22]开发出一个腹部的虚拟现实模型，该模型允许使用者从器官的外部观察解剖结构。Lim等[23]开发了一系列连续的简短局部组织解剖模型，用以演示局部麻醉相关的解剖标志和针头的控制水平。Zito等[24]在大量组织显微数码照片的基础上，利用VR技术生成高分辨率的组织病理切片，从而使病理教学摆脱了显微镜的束缚，大大降低了病理切片的数量和成本。

2 虚拟现实技术在武警卫勤无缝救援系统中的应用

武警卫勤无缝救援系统已经具备实时性、高效性等特点，但是，在救援过程中，该系统提供或获取的只是二维数据，由于二维数据表现形式的局限性，并不能带来身临救援现场那样真实的感受。再者，医学专家如果不到达救援前线，就只能通过音视频对前线医务人员进行指导，不能进行实际操作。考虑到目前武警卫勤无缝救援系统的不足，可以对系统做如下改进措施。

2.1 虚拟现实头盔的配备

虚拟现实立体头盔的光学技术设计和制造技术日趋完善，不仅作为个人应用显示器，它还是紧凑型大屏幕投影系统设计的基础，可将小型LCD显示器件的影像透过光学系统做成全像大屏幕。除了在现代先进军事电子技术中得到普遍应用成为单兵作战系统的必备装备外，还拓展到民用电子技术中，虚拟现实电子技术系统首先应用了虚拟现实立体头盔。

虚拟现实技术最先可能引发革命性变化的，极有可能是在医疗领域[25-26]。在医学领域，虚拟现实头盔能将病人的信息以逼真的立体形式呈现给医学专家，使医学专家感觉像是在病人的身边，从而使医学专家对现场情况的掌握程度远远高于目前系统所提供的的二维模式。例如，导管插入动脉的模拟器，可以反复实践导管插入动脉时的操作。眼睛手术模拟器，根据人眼的前眼结构创造出三维立体图像，并带有实时的触觉反馈，利用它可以观察模拟移去晶状体的全过程，并观察到眼睛前部结构的血管、虹膜和巩膜组织及角膜的透明度等。在救援过程中，医学专家佩戴虚拟现实头盔，可以身临其境地获取现场信息，与伤员进行交流，伤员感觉医学专家就好像在自己身边，这样可以减轻伤员的伤痛和心理压力。虚拟现实头盔应用于手术机器人，能更好的满足卫勤无缝救援系统。

2.2 虚拟现实技术对远程医疗技术发展的促进

目前，卫勤无缝救援系统已经具备了使用计算机以及远距离通信来对伤员的情况进行远距离的诊断、治疗的能力。运用虚拟现实技术和传感器技术，后方医学专家可以与伤员进行面对面交流，医学专家也可以方便地了解伤员的各种体征信息，并且可以对伤员提供远程手术服务。

在救援前线，救护车上目前只配备了在紧急情况下救援所需的基本医疗设备，这些医疗设备可以准确获取病人的体征信息，但是对病人的救治非常有限，尤其是在需要立即进行手术的极端情况下，以目前救护车上的条件，且医学专家不在现场，是无法及时进行手术的。手术机器人可以通过自身配备的高端摄像机将病人的图像传输给后方的医学专家，医学专家对虚拟人体或器官进行操作，操作命令通过无线网络传输给手术机器人，手术机器人接收到命令后，可以精确高效地完成手术，从而对病人进行及时的救治。

2.3 救援场景的模拟

运用虚拟现实的场景模拟技术可以模拟各种逼真的救援场景，如战场、自然灾害等特殊环境，帮助医护人员熟悉各种救援环境。最重要的是在这种逼真的救援环境中，既使医护人员犯了严重的错误，也不会造成严重的后果，医护人员通过多次演练，可以提升自身的心理素质和熟练程度。

此外，通过对特殊救援环境的模拟，可以提升医护人员处理特殊救援环境的应急能力，使伤员在这种极端环境下的生存几率大大提高，比如海洋战争环境的处理、地震等灾害环境的处理等。通过模拟大量的伤员，可以对救援程序及相关技术进行训练，使医护人员能在紧急情况下，以最高的效率完成救援任务。虚拟现实技术模拟出的各种救援环境，是将多学科的知识加以融合，如内科学、外科学、护理学、军队卫生学、流行病学等，不是各科训练的简单累加[27]。虚拟现实技术的目的是为了提高医护人员的运用专业知识的能力，判断决策的能力。而模拟救援场景任务的完成，能提高各学科人员的团队协作精神，从而更好地适应复杂环境下救援任务的需要。

3 展望

当前，虚拟现实技术在医学领域的应用还在萌芽阶段，有很多不足，并且与国际水平还有差距[28-29]。未来，伴随着人工智能和网络技术的发展，武警卫勤无缝救援系统将实现机器人获取病人体征记录，后方医学专家采用虚拟现实技术控制机器人完成对病人的各项救治，病人身临其境的体验也对病情的好转起到促进作用；医学专家操作虚拟人体或器官控制手术机器人，手术机器人可以更加精确、高效地完成更多的专业手术；得益于虚拟救援场景的搭建，救援人员的在极端环境下的救援水平将进一步提高，随着无线网络的覆盖范围的扩大和传输能力的提高，救援系统的救援范围也将进一步扩大，延伸到目前无法覆盖到的地方。在紧急的救援任务中，武警卫勤无缝救援系统将以高度仿真化、高度智能化的硬件设备，主动地完成在恶劣环境下的救援任务。

[1] Parisi T.Learning Virtual Reality[M].Sebastopol:O'Reilly,2015.

[2] 庄春华.虚拟现实技术及其应用[M].北京:电子工业出版社, 2010.

[3] 张占龙,罗辞勇,何为.虚拟现实技术概述[J].计算机仿真,2005,22(3):1-3.

[4] 袁慧欣,赵建国,李小萍.武警卫勤无缝救援系统研究[J].武警医学,2013,24(12):1032-1034.

[5] 张晗.虚拟现实技术在医学教育中的应用探讨[J].西北医学教育,2010,18(1):48-51.

[6] 潘新华,谭珂.虚拟医学手术仿真技术概述[J].中国医学教育技术,2011,25(4):352-355.

[7] 朱玲.虚拟手术中软组织形变与切割技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2012.

[8] Tian J,Dai YK,Deng KX.MITK & 3DMed:an integrated platform applicable for the development of computer assisted invention systems[A].Workshop on Systems and Archiectures for Computer Assisted Inventional MICCAI 2008[C].New York:MICCAI,2008.

[9] 谭珂,郭光友,潘新华,等.一种鼻内窥镜虚拟手术仿真系统[J].计算机工程,2006,32(16):243-244.

[10] 谭珂,郭光友,潘新华,等.一种膝关节镜手术仿真系统[J].系统仿真学报,2007,19(20):4649-4653.

[11] Chanthasopeephan T,Desai JP,Lau AC.Modeling soft-tissue deformation prior to cutting for surgical simulation: finite element analysis and study of cutting parameters[J].IEEE Traas on Biom Engi,2007,54(3):349-359.

[12] Yusuke L,Yodfitah M.Development of surgical siratdator with high quality visualization based on finite-element method and deformable volume rendering[J].Syst Comput Jap,2006,37(5):67-76.

[13] Fuchs J,Warmarm SW,Sieverding L,et al.Impact of virtualimaging procedures on treatment strategies in children with hepatic vascular malformations[J].J Pediatr Gastroenterol Nutr,2010,50(1):67-73.

[14] Jain S,McLean C.Simulation for emergency response: a framework for modeling and simulation for emergency response[A].Proceedings of the 35th Conference on Winter Simulation: Driving Innovation[C].New York:winter simulation conference,2003:1068-1076.

[15] 孟凡兴,张伟.火灾下紧急逃生的虚拟现实系统开发与评估[J].人类工效学,2013,19(2):23-26.

[16] 丘京松.虚拟现实技术在公共安全、突发紧急事件中的应用前景[J].警察技术,2005(1):47-49.

[17] Shendarkar A,Vasudevan K,Lee S,et al.Crowd simulation for emergency response using BDI agent based on virtual reality[A].Proceedings of the 38th Conference on Winter Simulation[C].New York:winter simulation conference, 2006:545-553.

[18] Rizzo A,Parsons TD,Lange B,et al.Virtual reality goes to war: a brief review of the future of military behavioral healthcare[J]. J Clin Psychol Med Settings,2011,18(12):176-187.

[19] Balasubramanian V,Massaguer D,Mehrotra S,et al.DrillSim: a simulation framework for emergency response drills[A]. IEEE International Conference on Intelligence and Security Informatics[C].BerlinZ:Springer-Verlag,2006:237-248.

[20] Reznek M,Harter P,Krummel T.Virtual reality and simulation: training the future emergency physician[J].Acad Emerg Med,2002,9(1):78-87.

[21] 杨轶璐,胡英,刘纪红,等.虚拟现实技术及其在现代医学中的应用[J].信息与控制,2003,32(3):251-255.

[22] Satava RM,Fried MP.A methodology for objective assessment of errors:An example using an endoscopic sinus surgery simulator[J].Otolaryngol Clin North Am,2002,35(6):1289-1301.

[23] Lim MW,Burt G,Rutter SV.Use of three-dimensional animation for regional anaesthesia teaching:Application to interscalene brachial plexus blockade[J].Br J Anaesth,2005,94(3):372-377.

[24] Zito FA,Marzullo F,D'Errico D,et a1.Quicktime virtual reality technology in light micros copy to support medical education in pathology[J].Mod Pat hol,2004,17(6):728-731.

[25] 谢文,刘胜林,孔维佳,等.虚拟现实技术在微创外科手术学的应用[J].中国医疗设备,2010,25(7):76-77.

[26] 王文恽,余文兵,谭秀华.虚拟现实技术在医学中的应用[A].2010系统仿真技术及其应用学术会议论文集[C].长春:系统仿真技术及其应用学术会议,2010:199-203.

[27] 陈瑶,桂莉,顾申,等.虚拟现实技术在医学中的应用及对野战救护培训的启示[J].解放军护理杂志,2009,26(10):38-40.

[28] 罗伟,吴明灿.基于虚拟现实技术的腹腔镜操作培训系统的研制[J].中国医疗设备,2013,28(11):117-119.

[29] 杨源,马乐,陈仲本,等.基于虚拟现实技术的脑卒中患者康复训练系统[J].中国医疗设备,2014,29(3):1-4.

本文编辑 王婷

Application of Virtual Reality Technology in the Seamless Rescue System of Armed Police Medical Service

FENG Ji, HAN Bo

Department of Information, Shanxi Provincial Corps Hospital, Chinese People’s Armed Police Forces, Taiyuan Shanxi 030006, China

Virtual reality technology, which makes people and the environment interact with each other in a comfortable way, is becoming an indispensable technology in the field of information. At present, there are a lot of applications in the field of virtual reality technology, such as the seamless rescue system of armed police medical service, which has the characteristics of real-time, high efficiency and so on. This paper achieved seamless intelligent operation rescue system based on the background of seamless rescue system of armed police medical service and virtual reality technology. The seamless rescue system of armed police medical service could provide a more efficient and secure method to rescue activities when the virtual reality technology was applied.

virtual reality; remote assistance; rescue system; situation simulation; remote medical treatment

TP391.9

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.08.029

1674-1633(2017)08-0108-04

2017-03-03

2017-03-21

冯基，副主任医师，主要研究方向为医疗信息化。

作者邮箱：790847532@qq.com