视觉增强系统在应急医疗救援力量培训的应用探讨

刘夏阳，邓 健，任东彦，芦超越，陈国良，刘晓荣

混合现实（Mixed Reality，MR）技术作为增加现实与虚拟现实的混合连接技术，具有物景强化、叠加匹配和实时交互等特征[1]。而集成MR技术优势的视觉增强系统在多维融合、动态可视和行为辅助等方面的表现更是可圈可点[2-4]。得益于虚拟技术领域的飞速发展，视觉增强系统在教育培训、建筑机械、军事科工和医学救治等行业应用日趋广泛[5]。应急医疗救援力量作为各类灾害与突发公共事件开展紧急救治、疾病防控和卫生保障的主力军[6]，其作用得到社会各界的关注与认可。探索视觉增强系统在应急医疗救援培训中的应用，聚焦力量生成的难点弱点，有效打通实训中的堵点塞点，科学降低主观医源性损伤概率，对夯实救援队员的能力素养，提升现场救治成功率和增强民众信心有着重要意义。

1 视觉增强系统的应用特征

2018 年微软首次提出基于MR显示的视觉增强系统概念并付诸实践。视觉增强系统由主体控制与校正模块、实景采集与匹配模块、空间色彩编码与增强模块、视觉特性感知与算法模块、动作标记与追踪模块组成，通过对使用者视野所及真实环境的虚拟渲染和精度叠加，获得视场角度大、分布范围广、超视觉限制的立体仿真维度[7-8]，如图1 所示。目前，美陆军已将视觉增强系统用于支持未来战场战术战伤救治，并取得良好效果。

图1 视觉增强系统工作流程图

1.1 高精度的视野还原 视觉增强系统中图形维度模块包含基于视野域值的标记引擎和基于自然属性的结构引擎，利用结构光点的位移与扭曲、被动光源的搜索与修正和脉冲光束的动量与距离，对真实物理世界的体积、位置和姿态进行扫描与提取，快速完成初始化虚拟成像与特征匹配[9-10]。采用基于视野与动态链接扩展的特征解算，对使用者双目所见重点目标进行局部优化和额外背景的过滤，不断叠加比对空间原点，动态修正精度坐标和颜色坐标，确保模拟世界与渲染目标的高度一致，达到结果更丰富、更可信的增强体验。

1.2 高频次的行动捕捉 为保证使用者在虚拟环境的行动与真实世界维度叠加一致，视觉增强系统利用注册标记法高速高频捕捉变化的自由度阈值和图像边缘曲率，从而估计出使用者的绝对位置和相对位置信息，并传入进虚拟相视端，促使使用者在虚拟环境的“真实”校准与“全息”连接[11]。同时，为避免因反向运动测算导致的位移跳变，视觉增强系统采用互补滤波法将位置传感器所采集的加速度或角加速度进行基于磁阻的核算，并通过一个深部通道持续对接虚拟世界中的轮廓网格，直至所有发生跳变的节点均被阻止遮挡，从而最大限度满足行动轨迹的准确性。

1.3 高交互的沉浸体验 在生成目标物质特征和使用者肢体运动特征的基础上，视觉增强系统通过感知矢量引擎采集使用者所在虚拟领域的交互向量信息并进行分层描述，生成有形对象、空间映射、轴距维度、本体姿态和交互关系等五类定义化属性[12-13]。仿真模拟开始时，在使用者自然手势动作数据和关键位点规划数据的支持下，五类属性通过系统交互模块进行传递、检查、对比和修正，使虚拟模型环境产生类似于现实物理空间本体感觉、认知交流和触觉交互[14]。同时，视觉增强系统还具备多用户空间协同联动、四维（Four-Dimensional，4D）模型超视野扩展和“时空”逻辑成长进化等功能，极大地提升了用户的沉浸体验。

2 视觉增强系统在应急医疗救援力量培训中的应用需求

受自然变异和人为因素的多重影响，我国是灾害频发的国家。各类突发事件发生后，为最大限度降低事件对生命与财产造成的伤害，维护公民的身心健康，应急医疗救援力量必须第一时间前出展开支援，并高效高质的并在抵达后迅速开展进行医疗救治与后送工作。相关资料显示[15]：近年来虽然应急医疗救援在实际运用中得到发展，综合防护能力得到提升，专业配比得到优化，但在应急响应、决策辅助、力量组成、救治防控和指导培训等方面依然存在难点、堵点、痛点甚至是空白点，不少问题亟待解决。科学夯实包括组织筹划与管理、快速反应与备变、救治技能与防控、伤病员监护与后送和卫生支援与保障等在内的核心应急医疗救援能力体系，按照“专常兼备、反应灵敏、多能一体、平战结合”的要求将视觉增强系统融入到应急医疗救援力量生成的全链路之中，不断丰富培训模式，积极促进其技术优势和特征优势在岗前培训、技术重塑与保持、组织管理、模拟演练和考核评估等方面的应用，将是一片前景广阔的“蓝海”领域。

2.1 突出在环境适应能力方面的训练应用 外部自然环境的多变性和适应力延后是应急救援所面对的一大难题[16]。充分运用视觉增强系统中场景引擎与自然现实叠加模块，高还原性地模拟出各类地理条件，如高原、盆地、平原、沙漠、滨海区域、海岛等；各类自然灾害条件，如气象灾害、海洋灾害、洪水灾害、地质灾害、地震灾害、森林与作物灾害等；以及各类人文社科条件，使救援队员在平时训练或行前培训时可以任意选择体验任务现场情景，掌握伤病员分布与产生的时域特点，对即将面对的环境有初步的判断和了解，做好体能、心理、物资上的准备，从而避免救援队到达预置区域后出现难启动、难展开、难救治和非工作非战斗减员的情况。

2.2 突出在应急响应能力方面的训练应用 目前，存在信息资源获取较慢、应急联动响应反应较弱、平战等级转换时间较长、方案预案可操作性不强、指挥协调平台支撑度不够等情况[17-18]。利用视觉增强系统的多用户联动功能和未来事件模拟生成功能，对信息融合与传送、规模化收拢与集结、多单位指挥与多专业协作、方案实景化实地化实物化推演、横向平台架构与检验等方面进行模拟操作，在行前技术培训或规模化救援演练中，不同地区、不同专业属性的救援队伍和卫勤分队通过视觉增加系统进行多用户同限定环境下的实时交互配合训练，在调动培训对象的主观能动性的同时找出响应链条中存在的薄弱之处，并在正式行动前予以修正优化，有效提升训练质效。这样不仅能在需要跨时跨域跨专业训练时减少时间、人员、物资和经济成本，也能科学布局参训要素，避免非必要损耗，显著提升应急救援响应能力和多队伍间的联合保障能力。

2.3 突出在医疗救治技能方面的训练应用 在应急医疗救治技能方面，存在着训练模式单一、救治流程规范性不足、现场救治能力偏弱、检伤分类准确性较低、队伍里与队伍间医技水平参差不齐等情况。借助视觉增强系统的高沉浸性和高形象化，利用系统的多维标记、顶点抽取、子网格处理、超视野还原、实物色彩渲染、遮挡回避和增强感官体验技术，结合主体对象动静、远近、快慢之间的瞬时变换，模拟出基于灾害现场特征，可供使用者反复练习的标准化病员角色。如身临其境一般面对各类各种致伤效应，特别是致伤效应罕见所形成的可视化模型，如肢体残断、气胸、爆震伤、窒息、大面积烧烫伤等[19]。在带来强烈的视觉冲击下，明确训练纲要、突出特殊伤情处置，针对不同专业不同属性的救援队员开展个性化和规范化培训。同时，还可利用视觉增强系统中语言交互功能进行医患之间的模拟对话，提高受训队员在面对真实病例时的医患交流质量。

2.4 突出在疾病防控与卫生防疫方面的训练应用 利用视觉增强系统中的时间逻辑拓展、极限场景还原和事件成长与决策辅助等功能，以自然地理条件和本地疾病分布谱为蓝本，融合系统工程场景要素模拟和影像配准，构建出灾后或公共事件后可能出现的地方性疾病、区域性流行病或自然疫源性疾病等局部或大范围肆虐流行的虚拟现场，使参与救援任务的医疗队提前熟悉可能面对防疫情况，提前与对口部门协调沟通、接种疫苗、备变各类药品和防护器材，分区分层开展疾病防控训练，从而避免在救援现场出现工作时“眉毛胡子一把抓”、盲目防控、过度消杀和药品供应失衡失量等情况。

2.5 突出在现场信息综合处理方面的训练应用 在应急医疗救援现场，会随着时间推移产生大量数据信息。这些信息具有规模性、快速增长性、结构复杂性特点的同时，也具有部分错误失真性、延迟冗余性和消极干预性[20-21]。快速且准确的在信息流中获取关键信息，对掌握救援现场态势，提升医疗救援决策产生的时效性息息相关。利用视觉增强系统的信息注册管理、态势感知、用户定义操作和多平台兼容等功能，模拟现场各类医疗救援信息，包括环境报道、救援资讯、上级决策命令、态势新闻、伤病员情况、物资耗损与补充情况等，产生过程，受训者在熟悉这个过程的基础上可以反复进行抓取分析训练，不断提升对科学化、定向化和精准化信息的敏感度，从而降低任务中的决策失误概率。

3 展望和讨论

应急医疗救援能力不仅针对个人，也针对救援单元和多组联合而言。作为一级救援实体必须完成上级赋予的各类现场或后续医疗救援任务，这就需要有与之对应的保障能力，而保障能力的生成与保持在日常训练中是密不可分的。作为现实与虚拟世界的桥梁，基于MR技术的视觉增强系统的不断成熟与广泛应用为应急医疗救援力量的培训带来全新的技术选择和主观体验，在精密筹划、精准指导、精确决策和精确复盘方面拥有巨大的优势，为应急医疗救援的可持续发展提供了加速度。

3.1 强建设保质量，建立互通互联的培训模式 应急医疗救援力量的培训根本落脚点在于优化并验证与遂行任务相适应的指挥管理制度、专业人员组成和能力要素水平、药材装备配备和相关的保障标准。运用建立互通互联的“虚拟同时空”演练模式，发现训练中存在的短板弱项，减少人为非必要性消耗或损伤，科学研究并提供相应的解决方法和途径，去伪存真、去芜存菁、大胆创新，在训练中持续改进完善各项标准，使应急救援力量的建设更加合理正规，逐步形成统一规范、高质高量、实用管用的培训标准、演练模式和配套机制。

3.2 强体系促网络，建立分层分级的培训模式 随着应急医疗救援理论和技术的发展，救援的重点从治“现病”向治“未病”转变，培训的模式从应付“现急”向处理“未急”转换，培训的对象从一对一向多元转换，教学平台从独立向扁平化转换。持续加大对体系资源的投入，充分利用视觉增强系统虚拟仿真引擎的高精度性和高还原性搭建多种类灾害模拟训练平台，建立基于网络化的专项演练场和减灾救灾教学中心，依据救援任务需求和救援力量素质组成运用视觉增强系统开展梯队性分层分级训练，避免培训内容的单一性、确保课程的针对性与合理性，同时，利用病员伤情数据池在系统中形成高仿真度数字镜像模型，依据不同的灾害类别，受灾地区、受灾规模和受灾时限动态生成不同种类、不同规模和不同诉求的伤员模型供受训者反复练习、复盘总结，保证救援训练科目和内容的全面覆盖，从而不断提升质量效益、优化救治流程，密切人员配合，确保现场救治后送和防疫防控任务的顺利完成，保障以救援实体组成的医疗救援网格作用凸显，医疗救援网点托底，促进应急救援网络健康发展。

3.3 多渠道多模式，建立信息化支撑的培训模式 运用视觉增强系统的数据信息兼容端口，全渠道多模式的抓取、收集、分析各类信息数据，借助5G通信优势，通过全息监控功能和视频评估功能加持，加快推进并建立以信息化和数据化为支撑的灾害医学仿真平台和模拟决策平台，整合各类优质赈灾防灾数据与信息资源，消除多重多源信息间的碎片化、分散化和异构化，持续汇集高质量的救援数据信息，紧紧扣住“信息数据支撑救援能力生成”这个关键点，实现从训练设计、训练实施、训练评估和训练反馈的全链条的数据信息共享与数据表征一致化，实现跨域训练、态势训练和多元多类训练的同时输出与展开，建立目标明确、对象精准和智能判别的灾害医学救援信息体系，不断提高应急医疗救援培训的便利化、职能化、预贮备化和信息化。

4 小 结

近年来，随着虚拟仿真与视觉增强技术的日趋完善，其应用的广度与宽度也在逐步增加。视觉增强系统利用它技术的优势运用于培训领域，所带来的教学质量和效果的提升也获得了专家的肯定。面对灾害的突发性、种类的多样性、响应的时效性和救援过程的复杂性，对应急医疗救援团队的综合能力提出了更高的要求。如何在严酷的自然环境下和陌生地域中快速实现救援团队的专业配置、精准布势、科学展开、梯次救护、协同配合和信息甄别，行前的培训和救援演练至关重要。应大胆将新技术、新方法和新模式应用于教学和演练中，才能不断满足救援任务新目标、新使命和新需求，持续提升应急医疗救援队伍的能力水平。视觉增强系统在演练成本控制、多对象同台同频、背景环境架设、训练模式切换、训练效果评估、辅助决策、组织架构和指挥流程优化等方面均有突出的表现，增强了应急医疗救援培训的专业性、科学性和实战性，是从“演练场”向“实战场”快速转变的催化剂，值得先用先试、持续研究和推广。