虚拟现实-增强现实技术在核与辐射突发事件应急医学救援模拟训练中的应用探讨

郭 栋 ，杨晓明 ，鱼 敏

核与辐射突发事件是指由于核设施、核武器和其他辐射装置的不正常或非正当运行与使用，导致放射性物质或其他放射源突发性非自然外泄或散布，造成或可能造成严重影响公共健康的紧急事件，目前主要分为核与辐射事故和核与辐射恐怖袭击两大类[1]。核与辐射突发事件应急医学救援是国家救援和军队卫勤力量的重要训练内容，但由于核与辐射突发事件的特殊性，现实情况往往无法提供灾害现场的模拟训练环境，难以达到实战化训练效果[2]。近年来，随着计算机技术的发展及传感器和显示技术的提升，虚拟现实（virtual reality，VR）和增强现实（augmented reality，AR）技术已进入高速发展期，在包括军事训练在内的诸多领域呈现出巨大的应用潜力[3-5]。基于VR-AR技术能提供良好的训练交互体验，并为受训者提供逼真、安全的训练环境和可重复、低成本的训练手段，弥补当前卫勤模拟训练中存在的不足，因此，VR-AR技术有望成为下一步驱动核与辐射突发事件应急救援模拟训练的重要手段。

1 VR与AR技术概述

VR技术是20世纪末兴起的一门崭新综合性的信息技术，根据技术原理不同可分为VR、AR及混合现实（mix reality，MR）。VR技术是在综合运用立体显示和传感器、动态环境建模、实时三维图形生成、系统开发工具应用、系统集成等关键技术的基础上，以高度仿真方式给用户创造的一个三维虚拟世界，具有多感知性、存在感、交互性、自主性等重要特点。用户可借助头戴式立体显示器（headmounted display，HMD）、数据手套等辅助传感设备，切身参与并探索仿真对象在所处环境中的作用与变化，产生沉浸感和带入感[6，7]。AR技术是在VR技术基础上发展起来的，是真实世界和虚拟世界的信息集成。通过将计算机生成的虚拟场景叠加到真实场景中，然后用户利用头盔显示器，将真实世界与电脑图形多重合成在一起，产生一种更为逼真的视、听、力、触和动等感觉的虚拟环境，具有虚实结合、实时交互的特点[8，9]。近年来，AR/VR技术引起人们的广泛关注，尤其是2016年成为市场关注爆发点，被业内称作“VR元年”。目前，该技术的研究应用已扩展到工业制造、军事训练、机器人、数据可视化、医疗、娱乐、教育等领域，并展现出良好的应用前景。

2 核与辐射突发事件应急救援模拟训练中存在的问题

核与辐射突发事件具有突发性、放射性污染途径多、释放放射性核素多、组织照射性危害隐蔽及影响范围广、涉及人数多、持续时间长等特点，这决定了其应急医学救援具有技术性、复杂性和艰巨性，科学、高效的救援来源于平时的实战化训练。虽然近年来随着卫勤基地化训练的展开、标准化伤员及智能仿真模拟人的运用，卫勤模拟训练成效显著提升，更加向实战化聚焦，但训练效果距离转化投入实战应用、生成战斗力和保障力尚有一定距离，目前核应急救援的实战化训练主要存在以下不足。（1）训练模式单一，实战化训练氛围不浓。目前，我国核与辐射卫生应急培训，多以短期授课方式为主，内容重复单一；加之救援队员专业背景、工作岗位不同，培训缺乏针对性。传统模式多采取理论授课和参观考察方式，队员参与感不强，忽视心理考验，难以满足实际需求，尤其缺乏针对应急管理人员或卫勤分队领导风险评估、指决策能力的培训[10]。（2）训练内容落后，难以胜任复杂救援任务。核与辐射突发事件涉及从放射源意外照射或非爆炸性散布等小规模事件到核战争、核攻击、各种核电站事故等大规模事件，不同规模等级的核与辐射突发事件训练内容、处置流程各不相同。但由于模拟训练条件有限，针对化训练内容难以展开。（3）训练效果难以得到有效检验。应急培训的效果评估是培训工作的重要环节，可起到检验培训效果、总结经验教训、改进培训规划的作用。基于核与辐射事故独特致伤特点和杀伤效应，在组织演训时，模拟伤员分诊难度较大，救援队员也无法判断自身是否受到沾染。

3 VR-AR技术用于核与辐射突发事件应急救援训练的可行性

3.1 克服训练环境单一的弊端 美军一直倡导运用计算机仿真模拟技术进行军事模拟训练，认为该训练方式可最大限度贴近实战，并在现代战争中验证了该理念的正确性[11]。由于我军“三防”医学救援队伍普遍缺乏中、大规模核与辐射突发事件应急处置实战经验，而在卫勤训练中营造核战争、核武器事故或核辐射恐怖袭击事件战术背景代价昂贵、成本过高，加之当前军队卫勤人员大多缺乏真实条件下战（现）场的感性认识，会在不同程度上影响平时训练技术的实战应用与输出。利用VR-AR技术，可让医疗队员携带各种传感设备，在模拟训练环境数据库中切换、选择，体验不同核与辐射突发事件现场情景，感受未来战争条件下核武器致伤伤员的发生、分布特点，从而提像置身现场或参加实战一样，锻炼和提高参训人员的现场救援、心理承受和战场适应能力。

3.2 提高联合卫勤训练的效果 大规模核与辐射突发事件发生时，医学应急救援的难度高、任务重、时间长，绝非某一支医学救援队能够完成，需要动用数支，甚至数十支救援队，开展“军-军”、“军-地”联合医学救援。然而受训练场地、保障条件及编制体制等诸多因素影响，除非在大型核与辐射应急救援演习中，目前组织不同救援队伍协同训练仍相当困难。而应用VR技术，不论任何性质的救援队伍或卫勤分队，只需借助网络技术就可进行各种限定下的联合训练。不同地域的应急救援队员通过配戴VR眼镜或HMD，即可出现在同一虚拟的灾害现场，实时进行语音交流，展开联合核与辐射突发事件救援训练。这不仅能显著减少联合卫勤训练的时间和经济成本，同时有助提升军队应对大规模核与辐射突发事件的联合保障能力。

3.3 有助获得真实的现场救援体验 在基地化卫勤训练中，虽然模拟伤员或标准化伤员经化妆后能在一定程度上使参训人员产生战场伤员的视觉感受，且能与其交流互动[12]，但模仿病种极为有限，且不能体现出核与辐射事件中的救援环境特点。运用VR-AR技术，可使医护人员如同身临战场、直面各类真实伤员，甚至能将各种致伤效应以可视化形式展现出来，让队员感受整个致伤过程，视觉冲击更为强烈。如在虚拟战场或灾害现场，构造出核爆炸时带有放射性的灰尘飘落到地面，在爆心周围或下风向狭长地带形成放射性沾染区的视觉场景，或透视模拟出不同掩体、不同防护措施下伤员身体放射性沾染分布情况，以及不同受照剂量下脏器损伤情况，可引导救援队员在执行救援任务时，更好地掌握伤员分类检索方法并提升自身防护意识。

3.4 提升队员的心理适应能力 现代战争中，由于作战方式造成的心理损伤与物理损伤或火力杀伤相比更具威胁，尤其是使用核武器、“脏弹”恐怖袭击极易引起人员恐慌，给救援队员带来巨大心理压力。核辐射突发事件的应急救援工作带有危险性和不确定性，要求救援人员必须具备良好的心理素质和适应能力。但在我军传统的卫勤训练中，对受训人员心理适应力的训练仍是一片空白。而在卫勤训练中引入VR-AR技术，救援队员可在虚拟的战场或灾害现场中反复感受现场救援情景，不断提高自身的心理应激阈值。长期的VR训练可使受训人员产生强大的战（现）场心理适应力，消除恐惧心理，进而建立成熟的心理防御机制，确保平时卫勤保障效能在战时的稳定发挥[13]。

4 基于VR-AR技术的核与辐射突发事件应急救援训练平台的构建

核与辐射突发事件应急救援模拟训练平台包括系统建模、3D融合、功能仿真、显示及决策优化五大模块[14]。系统建模是基础，包括场景建模、辐射源建模、伤员建模。场景建模主要基于GoPro方案和影像配准技术生成相应VR/AR模块[15]；辐射源和伤员建模主要是在采集核爆现场、核辐射事故现场等数据基础上构建，并结合以往救援实际经验对各模块复杂变量进行优化，简化提炼出环境的主要特征；然后通过场景的3D融合形成要素齐全的工程环境，构建应急救援训练平台（图1）。根据培训任务、人员不同，训练又分为指挥决策训练模块、环境检侦训练模块和伤员处置训练模块，以满足多样化训练需求。

4.1 构建放射性污染扩散模型 根据放射性污染扩散规律，构建核辐射事故发生后放射性污染扩散模型，计算或预测不同程度条件下的事故后果。目前，大气扩散模式已被广泛应用于放射性核素传输、扩散的估计和预测研究，其中，高斯模型可用于点源扩散模式，并具有计算量小、方法成熟、适用于事故早期快速评价等优点，成为核与辐射应急剂量模拟计算的首选。在高斯模型基础上，将核与辐射突发事件中放射性核素的干沉积、湿沉积、障碍物遮挡、放射性衰变及感生放射性等纳入扩散影响因素，得出放射性污染扩散的空间分布模型。为方便直观显示放射性污染的扩散情况，可进一步引入地理信息系统（geographic information system，GIS），使放射性污染扩散模拟结果通过GIS显示[16]。利用卫星地图和GIS数据库中创建的地形补丁导入VR场景模型中，进行初始三维环境的创建，再根据GIS的空间分析结果和剂量分布划定高污染区、低污染区和安全区，并根据“任务剂量最小”和“作业高效与安全可靠”原则筛选出最优化的安全路径，为制订救援方案和应急决策提供参考依据。参训队员既可采用俯视视角模式宏观了解放射性污染的扩散规律，又可进入任一具体放射性污染虚拟场景中，通过虚拟漫游使其自身沉浸在事故现场空间环境中，提升虚拟现场的真实性和感染力，并利用HDM头盔进行场景中辐射水平检测和伤员去污、救治模拟训练。

图1 核与辐射突发事件应急救援训练平台构建示意

4.2 构建批量核沾染伤员模型 笔者在搜集整理国内外核战争、核攻击或核恐怖事件、核电站事故、放射性物质泄漏、散布等案例资料基础上，结合不同辐射剂量致伤特点，构建批量伤员发生、分布模型。利用Unity 3D平台构建虚拟三维战场或灾害事故现场，或运用AR技术，通过摄像头采集真实场景视频图像，采用计算机视觉跟踪注册方法，对真实场景中的人工标志物信息进行跟踪注册，直接将批量虚拟伤员叠加、生成在真实场景中。跟踪注册是AR系统的核心，目前主要有基于计算机视觉跟踪注册和利用设备传感器、全球定位系统（global positioning system，GPS）进行硬件跟踪注册两类技术。由于AR显示器能突出显示各参训队员移动位置，能为队员的团队协作训练提供条件，使得分类检伤组队员在虚拟环境中以小组协作形式开展批量伤员分类检伤训练成为可能。在虚拟场景中，呈现在参训队员眼前的模拟伤员不仅具有较好的视觉还原性，而且基本符合核与辐射突发事件中伤员发生分布特点，既有非放射性或一般伤员，也有全身或部分放射性沾染伤员，还有伴随传染病伤员、心理应激障碍伤员。每名伤员的伤情转归主要取决于伤员自身伤情特点和参训人员处置操作恰当与否，如危重伤员如在规定时间内得不到有效处置，则会自动触发死亡程序。因此，要求医护人员在虚拟实训中密切协作，用最优化流程完成初诊筛选，确保伤员迅速通过或妥善处置。在每一批次伤员处置结束后，电脑会对所用时间、误诊率、伤亡率等指标进行评分，队员可对整个分类检伤过程进行复盘分析，并总结经验。

5 结 语

VR技术和AR技术作为一项新兴的综合性信息技术，备受国内外各领域专业人员的关注，其在军事训练领域的前景已得到世界各国军队的高度重视。近年来，随着和平利用核能事业的开展，核技术的发展与扩散不可避免，全球拥有核能力的国家继续增多。周边国家频发的核爆试验及国际上第4代核武器的研发等复杂的安全形势，使我国核与辐射应急救援工作面临更大的挑战[17]。因此，必须不断创新训练手段，切实提升实战化能力水平，满足核应急救援实际需求。而VR-AR技术能够节约训练成本，提升训练效益，丰富训练手段和内容，增强实战化卫勤军事训练的针对性，有助于构建从训练场走向战（现）场间的能力效益的转化桥梁，因此应用前景广阔，值得进一步深入研究。

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