虚拟现实技术在灾害救援医疗急救手术教学训练中的应用

王 新，彭碧波，董一颍

虚拟现实（virtual reality， VR）技术，目前已经成熟广泛地应用于游戏设计、机械工程模拟、通用教学辅助中。而灾害救援医疗急救场景下的手术教学训练，存在场景难以重建，建筑物实景模拟成本高昂，流程操作易受环境及特殊情境影响难以标准化等问题。随着计算机和互联网等电子信息技术的快速发展，VR技术在该领域已逐渐得到研究应用。

1 VR技术概述

1.1 用户的沉浸式体验 很多文献在定义VR技术时，都把“用户的沉浸式体验”作为一种不可或缺的技术效果来描述，可以认为“用户的沉浸式体验”是VR技术的终极目标和根本特征。虚拟与现实这两个词本来代表一对含义截然相反的概念，把两个反义的词汇组合在一起命名一种新的技术，体现了这种技术的最大特点，那就是虚拟与现实的相似和模糊。依托于不同领域算法模型的计算机仿真成就了这种相似性，结合了多形式传感器的人机交互设备在用户的意识里，模糊了虚拟与现实的界限。计算机仿真和人机交互设备共同构成了“沉浸式体验”的技术基础。从这个理解来看，计算机仿真引导了VR技术的产生，独占用户感觉器官的人机交互设备造就了VR技术的成型。目前，代表VR技术发展方向的头部显示设备，已经完全占用了用户的视觉交互通道[1]。

1.2 VR技术目前的应用领域 VR技术目前的应用领域非常广泛，在工业制造、军事、航天、娱乐、医学等领域的应用极具代表性，在一定程度上实现了仿真模型和人机交互设备的完美结合。VR技术在医学领域的应用，尤其具有重要的现实价值。由于手术示教需要引导，VR技术在医学领域的应用以手术模拟为代表。其中的仿真模型即是“虚拟的人体模型”，人机交互设备则包括了与手术操作相关的头部显示设备、感觉手套及一系列的位置传感器等。在医学手术领域已经实用化的VR应用包括：导管插入动脉的模拟、眼睛手术模拟、口腔手术模拟等。相比较之下，灾害救援场景下的急救手术尚无实用化的VR应用。

2 灾害救援医疗急救手术的特点和难点

2.1 伤病员伤情复杂，并发症多 灾害救援所面对的灾害类型多样，包括地震、火灾、台风、雪灾、空难、矿难、沉船事故、传染病疫情、暴恐袭击等[2]，多样的灾害类型造成复杂的伤亡情况，伤病员呈现伤情复杂，并发症多的特点。手术所面临的伤情可能包括：昏迷、气胸、眼球破裂伤、脑膨出、肠脱出、离断肢、脊柱损伤、大面积烧伤、创伤性休克、创伤性感染、放射性污染、化学中毒、海水浸泡等[3]。这些伤情在医师平时的诊疗过程中并不多见，尽管相关的理论研究已十分充分，但手术处理毕竟需要医师的实践，救治效果也与其经验密切相关，因此伤情复杂是灾害急救手术的最大难点。

2.2 手术目的以快速急救为主 灾害救援队伍中，携带手术装备的救援队伍人数有限，其部署地域有很大可能并未覆盖全部受灾地区，这决定了灾害救援的手术要依托整个救援体系展开，要考虑后送医疗支持。因此，手术目的主要以快速急救为主，为后送争取时间，并尽量抢救更多的伤员，这是灾害救援手术这一最大特点。

2.3 手术准备时间有限 灾害往往发生突然，为能在“黄金救援时间”赶赴现场，救援队员准备时间有限。到达现场后，一旦发现伤员，也需立即抢救，缺乏充足的准备时间。这个特点使现场医师需在手术方式的选择上做出权衡，手术准备时间有限的特点也限制了现场手术的适用范围，是灾害救援时进行手术的另一难点。

2.4 医疗救援队员身心疲劳，心理压力大 医疗救援队员数量有限，而灾害事件往往在短时间内造成大量伤员。如果后勤保障受环境限制，手术医师的饮食和休息就得不到保障，容易疲劳。灾害现场环境与伤员的伤情也会对救援队员产生严重的心理冲击。因此，医疗救援队员身心疲劳，心理压力大，是灾害急救手术的又一难点。

3 VR技术在灾害救援医疗急救手术教学训练中的可行性

3.1 训练场景贴近实战适应提高训练针对性的要求训练是实战的预演，提高训练针对性，可达到熟悉救援流程，锻炼队员技能和心理素质的效果，而尽可能地让训练场景的布置贴近灾害救援现场实际，才能达到这一目的。目前的救援演练除了提前布置救援场景，还会采用播放真实录像的方式，让参训队员自己想象和体会所处环境的状态[4]。但演练前的心理预期，现场整洁有序的装备都会削弱和干扰队员对灾害环境的想象。VR技术独占队员的某种或某几种感觉通道，通过场景模型构建，让队员们在感官层面产生身处灾害现场的印象，可在场景环境方面提高训练针对性，提升训练效果。

3.2 遂行非战争军事行动需要战略前瞻性和场景预见性 参与灾害救援是军事救援力量执行的典型非战争军事行动。因灾害类型多样、发生时间不定、损毁程度不能快速估计，灾害救援的训练成为以往灾害救援的复盘推演，这使训练失去了前瞻性。而通过训练总结的经验在指导后续救援行动前，需通过模拟训练的检验，这又使得技能提升和流程优化的周期拉长，表现为救援行动对灾害场景的预见性不足。VR技术在灾害场景建模方面的优势，能使灾害场景的构建具有前瞻性，不仅可模拟已发生的灾害情形，且可依据现有模型参数推演可能的灾害情形。同时，依托模型优化和高性能计算技术，VR技术构建的救援形势可随训练的推进而不断演化，使训练场景的切换周期缩短，训练节奏加快，训练经验也能以更短的周期纳入实际救援操作中。

3.3 手术装备信息化水平的提升依赖于多层次的实践提炼 虽然目前的灾害救援装备已能支撑灾害救援的手术操作，但仍存在便携性不足、信息化整合程度有限等问题。在手术装备信息化整合方面，来自救援实践的反馈最有意义。手术装备信息系统与灾害救援信息系统互联可提升救援指挥对灾害现场态势的感知能力，而手术装备信息化水平的提升需多层次实践提炼。这对灾害救援训练的信息化水平提出了更高要求。VR技术在手术装备操作中的应用，不仅可检验现有手术装备在不同灾害场景中的适用性，并能从手术使用、系统互联等多个层次提炼改进方向，帮助提升手术装备的信息化水平。

3.4 VR技术的支撑是远程手术救援的基础 远程手术救援是灾害救援医疗的延伸：（1）可提供手术方式、范围等方面的远程指导；（2）能在现场手术遭遇突发风险时，提供风险评估和应对指导；（3）可根据现场手术情况，提前准备伤病员的后续手术措施，减少因信息不畅或手术条件不同而导致的后送延迟和逐级转运。远程手术救援中的上述应用需VR技术的支撑，一方面VR技术可精确记录现场伤员的受伤情况，另一方面VR技术的模型重建可为远程手术救援的个性化手术方案提供验证。因此，VR技术可成为远程手术救援应用的基础支撑系统。

4 VR技术在灾害救援医疗急救手术教学训练中的优势及意义

进行灾害救援急救手术教学训练时，VR技术可构建多重数学模型，与灾害救援信息系统的对接，进行人机交互设备与手术环境的匹配，训练过程中操作者能够积累学习数据，了解参与者的操作技能情况，这些数据结果集可指导训练系统进行模型的智能优化，便于参与者在沉浸式体验灾害救援医疗情景下进行急救手术的实际流程训练和细节演练。

4.1 使用多重数学模型构建的优势 多重数学模型，泛指VR场景的实时响应性质所需的从微观操作到宏观态势的所有数学模型。具体包括：视听觉实景模型，用以模拟不同灾害类型的救援现场环境给救援队员带来的视听觉冲击；救治态势模型，用以评估和响应不同的检伤分类方法与手术方式对伤病员救治进程的影响；伤病员伤亡模型，评估模拟在不同灾害现场产生的不同数量的伤亡人员，甚至可以模拟每位伤病员的伤害部位、严重程度等；手术预后模型，用以模拟手术救治后伤病员的转归情况及对后送治疗资源的要求等。在以上所述的模型中，手术预后模型可从急诊急救手术示教的样本中提取加工，其余数学模型可从以往的仿真训练、技术总结中提炼加工。

4.2 与灾害救援信息系统对接的优势 灾害救援信息系统泛指灾害救援过程中涉及的组织指挥、通信保障、搜救定位、远程医疗等信息系统[5]，广义上还包括现场与后方的相关医技信息系统。灾害救援医疗急救的过程，是需要考虑特殊场景下综合多方面因素的系统工程，参与救援的医护人员得到的辅助信息越多，受训演练时接触的灾害场景下急救具体操作越真实，医护人员在实际救援行动中的医疗操作水平越稳定。用了VR技术的手术教学训练系统至少可与远程医疗、医技检查等信息系统对接。这种对接还可为未来的灾害救援现场的增强现实技术应用提供便利。

4.3 推进匹配手术环境的人机交互设备研发的意义目前已有为手术示教而研发的可穿戴录音录像设备，在匹配手术环境方面做出了多项改进设计。穿戴方式与位置的选择，形状与重量的设计等，都需考虑特殊场景下手术环境中的要求。比如不遮挡手术视野，不因穿戴调整而分散医师注意力等。目前为游戏娱乐而研发的头部显示设备，配备了位置和姿态传感系统，显示的画面更贴近实际，并能实时更新和反馈。以上两方面的研发经验和技术成果可供VR人机交互设备采用，目前多应用于常规手术环境，针对灾害救援医疗急救这类场景的特殊性不强，需大量的数据及训练样本做交互设备的持续改进。

4.4 数据积累与自学习的意义 数据积累与自学习是VR与人工智能结合的应用领域。在大样本量的数据分析方面，基于深度学习的人工智能模型已取得超越人类的突破。在以往的医学教育实践中，临床技能学习和训练很大程度上是在实际临床工作中、在真实的患者身上进行的。这种传统模式存在几个明显的弊端，缺乏临床经验的学生直接参与对患者的操作会增加事故风险，单项操作的训练量和频次难以控制等[6，7]。而灾害救援积累的数据有限，要在有限的数据基础上，不断验证和改进VR技术，需借助人工智能的成熟算法。在对有限数据进行分析处理后，生成类似、合理的模型数据，这也是提高灾害救援训练前瞻性和场景预见性的可选措施。同时，每一次基于VR模型的训练都可为模型的改进提供数据积累，使VR模型自我进化，贴近灾害救援实际，这对于整个灾害救援医疗急救手术教学训练系统的持续改进和优化方面有着显著优势和重要意义，能更好地降低学习训练成本，标准化特殊场景下的急救流程，提高操作训练水平。

[1]黑科技VR带你飞——这里有你所不知道的VR未来[EB/OL].（ 2016-11-15）[2018-01-04]. https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIwNTQxMjY0MQ%3D%3D&idx=1&mi d=2247484078&sn=5c37d9a933670a26a7882c3646fd0fab.

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[4]毛建亭 ， 彭 飞 ， 高宏杰 ， 等 . 灾害医疗救援仿真模拟训练研究 [J]. 解放军医院管理杂志 ， 2012， 19（5）: 490-492. DOI: 10.3969/j.issn.1008-9985.2012.05.041.

[5]邬小军 ， 杨卓轶 ， 刘月婷 ， 等.灾害医学救援行动信息化研究 [J].中华灾害救援医学 ， 2013， 1（1）: 16-19.DOI: 10.13919/j.issn.2095-6274.2013.01.014.

[6]原宝华， 王素萍. 现代教育技术在医学生临床技能及医德培养中的应用探讨[J]. 中国医学伦理学， 2011，24（4）: 435-437. DOI: 10.3969/j.issn.1001-8565.2011.04.008.

[7]Murphy J G， Cremonini F， Kane G C， et al. Is simulation based medicine training the future of clinical medicine?[J].Eur Rev Med Pharmacol Sci， 2007， 11（1）: 1-8.