非接触式伤情探测技术在卫勤领域的应用进展

赵志明,邢鲁艳,王 铀

陆军第948医院创伤神经外科,新疆 乌苏 833000

未来的边境军事冲突中,恶劣的自然条件和多变的战场环境不仅提高了作战伤员的搜救难度,而且在相当大程度上影响了参与搜救人员的身体健康,极有可能导致伤员及搜救人员发生意外,甚至发生生命风险,这将严重影响我军在未来作战中的卫勤保障效率[1]。如何在极端环境下快速、准确地对伤员进行搜救并评估其生命体征仍是军事卫勤保障研究中一个迫切需要解决的问题。目前的战场伤情探测技术指在战争或突发灾害事件发生后,在现场利用相关技术设备搜索、寻找伤病员,并采集患者生命体征信息,同时对患者伤情进行现场评估和分类,从而能够尽快找到伤员并给予及时救治的技术[2]。战场伤情探测技术从数据采集方面分为伤员搜寻和伤情检测评估。从检测设备是否需要与检测对象接触方面,又可将伤情探测技术分为接触式和非接触式。接触式伤情探测技术与目前临床上使用的心电监护仪一样,需要将电极片、血压袖带、体温传感器、血氧探头等检测元件连接到患者身上,因为连接过程复杂、检测不能远距离脱离患者,不适用于伤病员在复杂多变战场一线环境的快速救治需求。而非接触式伤情探测技术则是指在探测设备与患者远距离间隔的情况下,仍能够探测伤员位置、生命体征信号以及伤情等信息,为后续战现场救治、伤员后送、制定卫勤保障方案提供数据依据的技术[3]。非接触式伤情探测技术通常通过直接接收人体发出的热信号、光学信号以及气味信号等对人体实施非接触监测,也可以通过探测设备内置的信号发射装置对人体发射电磁波信号,该信号接触到人体后产生回波,通过对回波信号进行数据分析,就可以得出患者相应的呼吸、心跳等生命体征数据。因为不需要电极片以及探头等设备与人体接触,非接触式伤情探测技术可以实现远距离对目标伤员的搜救以及生命体征的实时监测[4]。因此,非接触式伤情探测技术具有对探测对象无约束、远距离、监测方便快速等优点,将其应用到未来战争的卫勤保障中,能提高我军的卫勤保障效率。

1 发展现状

近些年来随着大数据、VR、雷达工程、人工智能等技术的发展,在医疗、军事等领域如何快速、便捷、准确地获取患者生命体征数据的技术需求也日益迫切,非接触式生命监测技术应运而生[5]。目前许多国际化的科技公司都非常关注非接触式生命监测技术的研究,与运动手环、智能手表等可穿戴设备不同,非接触式的生命体征监测设备不需要接触人体,远距离就可监测人体的生命信号,因而其具有更高的舒适性和便捷性,非接触式生命体征监测设备将是继运动手环、智能手表等可穿戴设备的热潮之后的下一个热点。目前的非接触式战场伤情探测技术主要从声学信号、光学信号、气味信号以及微波信号四类信号对目标进行探测[4]。

1.1声学信号 基于声学信号的非接触式伤情探测技术主要是通过声波探测器在搜救现场进行声学信号收集,从而远距离探测伤员位置[6]。此类非接触式声波伤情探测系统通常由高灵敏度传感器、高精度数据采集系统以及多功能专用计算机处理系统组成。在嘈杂的战场环境中,人类并不能有效地通过有限的听觉对患者进行准确的搜救定位;而通过音频探测仪,不仅能清晰地“听到”从1～3 000Hz的任何声音,更重要的是能探测和分析幸存者的移动、敲击和呼救(甚至是通过介质发出的微小震动),经由计算机对信号进行处理,则能够准确地定位伤病员位置[7]。其中的音频探测仪的优点是能够穿透战场中的阻碍物,并且灵敏度高;缺点则是易受搜救环境的干扰,探测时需要在安静的环境,才能保证搜救准确性。

1.2光学信号 基于光学信号的非接触式伤情探测技术则主要通过应用可见光和红外线对伤员进行搜救。1945年夏美军就在冲绳岛战役中,将红外夜视仪应用于军事行动,为歼灭日军起到重要作用。目前应用于市场的红外夜视仪、蛇眼生命探测仪、微光夜视仪、热成像仪等均是基于光学信号的探测设备,这些光学探测设备的检测距离可从数米至数千米,在人们的日常生活中已得到广泛使用[8]。现在在医疗领域应用最成熟的光学非接触式伤情探测技术是血氧饱和度仪和红外线体温计[9-11]。

1.3气味信号 在基于气味信号对伤员的探测方面,受搜救犬通过气味搜寻伤员的启发,人们利用敏感材料与气体分子之间的相互作用,将气味信号转化为电信号,从而研制出气体探测设备[12]。目前有研究人员正努力将气体探测设备应用于搜救伤员及伤情检测[13],试图通过利用伤员发出的气味定位伤员位置,并通过伤员发出的气味进行信号分析,从而有效评估目标伤员的伤情,制定救治方案。电子鼻就是一种用于分析、识别气味物质总体特征的新型监测仪器,它能感知战场伤病员的特殊气味并通过模式识别算法提取特征。

1.4微波信号 微波信号方面,目前应用的最广泛的是生物雷达(BioRadar)[14]。生物雷达主要可以用于实现间隔一定距离、穿透一定厚度的介质对人体的生命体征进行非接触检测[15],能够非接触检测人体姿态、心率及呼吸频率,如跌倒、睡眠、驾驶员生命体征、车内儿童安全、肿瘤筛查、血压等[16-17],可应用于医疗健康、家庭监护、智能汽车、智慧城市、智能家居、军事医学、灾害医学、城市反恐等领域[18-19]。生物雷达是国际科技界公认的一个非常重要的前沿技术领域。目前在战场环境下生物雷达技术已可以利用几百兆赫兹到几吉赫兹之间的低频穿透废墟,对压埋伤员进行搜寻、探测和定位,并且对伤员是否存在气胸进行快速非接触检测识别,为伤员正确处理、后送提供指导,甚至可以通过相关计算得到血流、血压等相关信息[20]。在非接触式生物雷达体征监测领域,国内技术积累已有近30年的时间,只是研发成果一直未得到广泛应用。空军军医大学研究人员利用较低频段的超宽谱微波信号研制了多通道搜救雷达。该雷达采用多自由度折叠臂天线阵列技术,可以适应在崎岖的废墟表面从多个角度穿透废墟进行探测,实现多个人体目标的探测定位,在一定程度上解决了目标之间的遮蔽效应问题[15]。国防科学技术大学的研究已经能够在实验室环境下采用4D生物成像雷达实现多个目标生物信号的同时摄取,并成功提取目标伤员的心跳及呼吸信号[21],但还需要进一步研究才能形成能够应用于实战的产品。美国一直致力于把伤员定位搜救系统与后方医疗单元连接起来,因为伤员定位搜救系统除了核心的伤员精确定位功能外,还能够通过非接触式伤情探测技术实时监测伤员的生命体征,并将数据传至后方,实现远程会诊、远程指导等功能,从而实现对作战伤员的精准治疗,降低搜救难度,提高搜救成功率。20世纪末,美国国防部海空系统指挥部开发了全世界第一套具备搜集伤员数据的伤员搜救系统,即营救作战生存人员探测器系统。同时,美军还开发了智能评价分析系统用于在院前转运途中收集和分析伤者生命体征,从而帮助战场医护人员制定救治方案[22]。我国军事科学院也在致力于将非接触式伤情探测技术应用于其研发的智能检伤分类系统中,可对伤员自动进行重要生理指标的采集、伤情评分和分级,给出优化的急救处置建议,但其在战现场环境中的信号抗干扰能力、生理信号检测种类、信号处理算法等方面还有待进一步研究[23]。

2 存在的问题

虽然非接触式伤情探测技术取得了一定的进步,但是面对随时变化的复杂战场环境,目前研发的非接触式伤情探测技术在快捷性、准确性、便携性和稳定性方面还不能适应多变的战现场环境。

2.1缺乏适用于战场环境下的非接触式伤情探测卫勤装备 现代战争中的多发伤、复合伤以及失血性休克的危重症伤员越来越多,快速、及时、准确地探测患者生命体征,对危重症患者进行救治能够有效提高伤员存活率[24]。但在应用杀伤力更强的现代武器战斗过程中,如何尽快了解重伤员的生命体征尚缺乏有效的军用产品。加之相应产品的研发还需要雷达技术的应用、精密传感器的研发、计算机程序的开发等多方面技术的融合,因而此类非接触式伤情探测系统的研发及应用于实战还存在很多困难。

2.2非接触式伤情探测技术尚不成熟 虽然非接触式伤情探测技术在光学信号、声学信号、气味信号和微波信号方面取得了一定的进步,但面对多发伤和复合伤患者,目前的非接触式伤情探测技术仅能检测患者的呼吸、心率等一些比较简单的生命体征,对患者的血压、意识、出血量、创伤程度缺乏有效的评估技术[25-26]。同时面对高温、高湿、高海拔、高噪音、浓烟雾的战场多变环境,通过声学以及光学等非接触手段检测伤员生命体征必定会受到很大的影响,还需要从超宽谱微波信号入手,开发效率更高的微波发射设备及信号处理算法,提高非接触式伤情探测技术的抗干扰能力。另外,受到战场通讯能力和计算能力的限制,战现场伤员的批量识别,非接触式伤情探测系统面临巨大挑战,而战现场伤员的自动批量识别尚需要大量的人工智能程序开发做支撑。

2.3非接触式伤情探测技术需要与其他平台进一步集成 目前卫勤上采用的非接触式伤情探测设备多数只有单一功能,还缺乏与医疗信息系统的集成,无法提供医疗信息的实时共享。未来可进一步研究,将非接触式伤情探测系统采集的患者数据通过无线信号进行传输,使得战现场获取的批量伤员医疗数据和伤员实时生命体征在伤病员后送途中即能传输给下一级医疗机构,使后方医疗机构能够实时监测伤员生命体征,并对转运伤员的伤情进行评估,制定相应治疗方案,有效贯通战场救治链,从而提升伤员救治效率[27]。

2.4非接触式伤情探测设备野战部署尚需时日 目前还没有非接触式伤情探测设备在极端环境中的使用研究。例如我国高原边境线长达3 000多千米,其中高原海拔>3 000m的地区,氧浓度大多不足平原地区的70%。在海拔5 000m以上的边防地区,氧浓度更是降到平原地区的50%左右,高原寒区极端气温在-50℃,积雪厚,紫外线强,自然气候变化骤剧,高原道路崎岖,高原峡谷地带雪崩、山洪等自然灾害多,导致在高原寒区进行伤员搜救十分困难。非接触式伤情探测设备在高原极端环境中能否正常运行尚需要进行大量的实践研究,克服战现场环境和自然环境的干扰[28]。此外,还需要尽量降低非接触式伤情探测系统的机械复杂性,以及提高其操作的简洁性。

3 发展趋势

未来战争面临的是全时空、多域化的作战环境,可能会涉及作战力量更大的分散部署,从而导致卫勤力量的严重不足以及医疗人力资源短缺。非接触式伤情探测技术的发展,为未来多域战空间卫勤行动提供了保障。未来非接触式伤情探测技术的进一步发展,将能够批量地采集战现场伤员的生命体征信息,利用音频探测仪探测伤员方位,利用微波技术探测伤员的呼吸、心率、血流动力学以及骨折情况等信号,利用光学技术探测患者的体温信号、血氧饱和度等,将多种信号进行综合分析,最终给出伤员的伤情状况评估,同时将患者的生命信息上传到卫勤保障系统,有助于按实时战场伤员情况制定卫勤保障方案[29]。随着新能源技术、5G技术以及AI等其他领域各种新技术的发展,非接触式战场伤情探测技术与其他各类新技术的结合将在卫勤保障领域发挥更大的作用。与无人设备(无人机、机器人等)结合的非接触式伤情探测设备将具有更高的灵活性和机动性,从而大大扩展其探测范围、增加应用场景、减少搜救人员的危险[30]。非接触式战场伤情探测技术还可以与卫勤保障信息管理平台相结合,能够更加全面系统地了解战场伤员数量、伤情严重程度,为卫勤方案制定提供数据支持。

4 启示建议

我军非接触式伤情探测装备在卫勤领域的应用仍处在起步阶段,未来可从以下方面进行进一步研究。

4.1加强非接触式伤情探测卫勤保障装备的统一规划 非接触式伤情探测卫勤保障装备的研发目前正处在起步阶段,我国目前缺乏统一的规划部署,在未来信息化条件下将是我军卫勤保障的重要组成力量。因此,其研发要结合我国未来的作战需求,从顶层进行设计,全面合理地保障伤情探测装备的研发。

4.2模块化非接触式伤情探测装备与无人化平台结合 在卫勤保障领域,无人操控的无人救援车、无人救援飞机甚至战场救援机器人的研发已经取得了许多科研成果,甚至有的研究成果已经实现转化应用并列装到部队。可以利用目前无人化平台取得的研究成果,进行卫勤保障装备模块化研究[31]。使得非接触式伤情探测装备能够模块化地安装到无人化卫勤装备上,对伤员进行实时状态监控,提升伤员后送的安全性。

4.3加快新技术在非接触式伤情探测装备的应用转化 随着5G技术以及AI发展的日新月异,将此类新技术应用于非接触式伤情探测系统的研发,能极大地提高战场伤员的检测效率[32]。非接触式战场伤情探测技术与AI联合将覆盖战场救护的所有主要环节,如伤员搜救、伤情监测、伤员治疗、医疗信息管理等,必将对提高我军卫勤保障能力、减少伤亡具有重要意义。因此,应加快5G技术、人工智能与生物雷达等伤情探测技术的融合,促进人工智能化非接触式伤情探测系统的诞生,将能进一步提升我军伤情探测数据采集的准确性、信息传输的快捷性、数据分析的智能性[33],给军事医学带来重大革新。

5 结语

随着科技的发展,现代武器的种类变多,而且打击精度、杀伤威力以及覆盖面积都得到了提升,进而未来战争作战的伤类伤情将愈发复杂,非接触式伤情探测装备在战现场的应用既能保障战场搜救人员的安全,同时能够迅速批量评估战场伤员受伤情况,对伤员进行快速分类并制定抢救方案,提高我军战现场搜救和治疗水平,增强我军未来战现场卫勤保障力量。

作者贡献声明：赵志明:论文撰写;邢鲁艳:资料收集、论文修改;王铀:资料收集