視覺增強(qiáng)系統(tǒng)在應(yīng)急醫(yī)療救援力量培訓(xùn)的應(yīng)用探討

劉夏陽，鄧 健，任東彥，蘆超越，陳國良，劉曉榮

混合現(xiàn)實（Mixed Reality，MR）技術(shù)作為增加現(xiàn)實與虛擬現(xiàn)實的混合連接技術(shù)，具有物景強(qiáng)化、疊加匹配和實時交互等特征[1]。而集成MR技術(shù)優(yōu)勢的視覺增強(qiáng)系統(tǒng)在多維融合、動態(tài)可視和行為輔助等方面的表現(xiàn)更是可圈可點(diǎn)[2-4]。得益于虛擬技術(shù)領(lǐng)域的飛速發(fā)展，視覺增強(qiáng)系統(tǒng)在教育培訓(xùn)、建筑機(jī)械、軍事科工和醫(yī)學(xué)救治等行業(yè)應(yīng)用日趨廣泛[5]。應(yīng)急醫(yī)療救援力量作為各類災(zāi)害與突發(fā)公共事件開展緊急救治、疾病防控和衛(wèi)生保障的主力軍[6]，其作用得到社會各界的關(guān)注與認(rèn)可。探索視覺增強(qiáng)系統(tǒng)在應(yīng)急醫(yī)療救援培訓(xùn)中的應(yīng)用，聚焦力量生成的難點(diǎn)弱點(diǎn)，有效打通實訓(xùn)中的堵點(diǎn)塞點(diǎn)，科學(xué)降低主觀醫(yī)源性損傷概率，對夯實救援隊員的能力素養(yǎng)，提升現(xiàn)場救治成功率和增強(qiáng)民眾信心有著重要意義。

1 視覺增強(qiáng)系統(tǒng)的應(yīng)用特征

2018 年微軟首次提出基于MR顯示的視覺增強(qiáng)系統(tǒng)概念并付諸實踐。視覺增強(qiáng)系統(tǒng)由主體控制與校正模塊、實景采集與匹配模塊、空間色彩編碼與增強(qiáng)模塊、視覺特性感知與算法模塊、動作標(biāo)記與追蹤模塊組成，通過對使用者視野所及真實環(huán)境的虛擬渲染和精度疊加，獲得視場角度大、分布范圍廣、超視覺限制的立體仿真維度[7-8]，如圖1 所示。目前，美陸軍已將視覺增強(qiáng)系統(tǒng)用于支持未來戰(zhàn)場戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)傷救治，并取得良好效果。

圖1 視覺增強(qiáng)系統(tǒng)工作流程圖

1.1 高精度的視野還原 視覺增強(qiáng)系統(tǒng)中圖形維度模塊包含基于視野域值的標(biāo)記引擎和基于自然屬性的結(jié)構(gòu)引擎，利用結(jié)構(gòu)光點(diǎn)的位移與扭曲、被動光源的搜索與修正和脈沖光束的動量與距離，對真實物理世界的體積、位置和姿態(tài)進(jìn)行掃描與提取，快速完成初始化虛擬成像與特征匹配[9-10]。采用基于視野與動態(tài)鏈接擴(kuò)展的特征解算，對使用者雙目所見重點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行局部優(yōu)化和額外背景的過濾，不斷疊加比對空間原點(diǎn)，動態(tài)修正精度坐標(biāo)和顏色坐標(biāo)，確保模擬世界與渲染目標(biāo)的高度一致，達(dá)到結(jié)果更豐富、更可信的增強(qiáng)體驗。

1.2 高頻次的行動捕捉 為保證使用者在虛擬環(huán)境的行動與真實世界維度疊加一致，視覺增強(qiáng)系統(tǒng)利用注冊標(biāo)記法高速高頻捕捉變化的自由度閾值和圖像邊緣曲率，從而估計出使用者的絕對位置和相對位置信息，并傳入進(jìn)虛擬相視端，促使使用者在虛擬環(huán)境的“真實”校準(zhǔn)與“全息”連接[11]。同時，為避免因反向運(yùn)動測算導(dǎo)致的位移跳變，視覺增強(qiáng)系統(tǒng)采用互補(bǔ)濾波法將位置傳感器所采集的加速度或角加速度進(jìn)行基于磁阻的核算，并通過一個深部通道持續(xù)對接虛擬世界中的輪廓網(wǎng)格，直至所有發(fā)生跳變的節(jié)點(diǎn)均被阻止遮擋，從而最大限度滿足行動軌跡的準(zhǔn)確性。

1.3 高交互的沉浸體驗 在生成目標(biāo)物質(zhì)特征和使用者肢體運(yùn)動特征的基礎(chǔ)上，視覺增強(qiáng)系統(tǒng)通過感知矢量引擎采集使用者所在虛擬領(lǐng)域的交互向量信息并進(jìn)行分層描述，生成有形對象、空間映射、軸距維度、本體姿態(tài)和交互關(guān)系等五類定義化屬性[12-13]。仿真模擬開始時，在使用者自然手勢動作數(shù)據(jù)和關(guān)鍵位點(diǎn)規(guī)劃數(shù)據(jù)的支持下，五類屬性通過系統(tǒng)交互模塊進(jìn)行傳遞、檢查、對比和修正，使虛擬模型環(huán)境產(chǎn)生類似于現(xiàn)實物理空間本體感覺、認(rèn)知交流和觸覺交互[14]。同時，視覺增強(qiáng)系統(tǒng)還具備多用戶空間協(xié)同聯(lián)動、四維（Four-Dimensional，4D）模型超視野擴(kuò)展和“時空”邏輯成長進(jìn)化等功能，極大地提升了用戶的沉浸體驗。

2 視覺增強(qiáng)系統(tǒng)在應(yīng)急醫(yī)療救援力量培訓(xùn)中的應(yīng)用需求

受自然變異和人為因素的多重影響，我國是災(zāi)害頻發(fā)的國家。各類突發(fā)事件發(fā)生后，為最大限度降低事件對生命與財產(chǎn)造成的傷害，維護(hù)公民的身心健康，應(yīng)急醫(yī)療救援力量必須第一時間前出展開支援，并高效高質(zhì)的并在抵達(dá)后迅速開展進(jìn)行醫(yī)療救治與后送工作。相關(guān)資料顯示[15]：近年來雖然應(yīng)急醫(yī)療救援在實際運(yùn)用中得到發(fā)展，綜合防護(hù)能力得到提升，專業(yè)配比得到優(yōu)化，但在應(yīng)急響應(yīng)、決策輔助、力量組成、救治防控和指導(dǎo)培訓(xùn)等方面依然存在難點(diǎn)、堵點(diǎn)、痛點(diǎn)甚至是空白點(diǎn)，不少問題亟待解決。科學(xué)夯實包括組織籌劃與管理、快速反應(yīng)與備變、救治技能與防控、傷病員監(jiān)護(hù)與后送和衛(wèi)生支援與保障等在內(nèi)的核心應(yīng)急醫(yī)療救援能力體系，按照“專常兼?zhèn)?、反?yīng)靈敏、多能一體、平戰(zhàn)結(jié)合”的要求將視覺增強(qiáng)系統(tǒng)融入到應(yīng)急醫(yī)療救援力量生成的全鏈路之中，不斷豐富培訓(xùn)模式，積極促進(jìn)其技術(shù)優(yōu)勢和特征優(yōu)勢在崗前培訓(xùn)、技術(shù)重塑與保持、組織管理、模擬演練和考核評估等方面的應(yīng)用，將是一片前景廣闊的“藍(lán)海”領(lǐng)域。

2.1 突出在環(huán)境適應(yīng)能力方面的訓(xùn)練應(yīng)用 外部自然環(huán)境的多變性和適應(yīng)力延后是應(yīng)急救援所面對的一大難題[16]。充分運(yùn)用視覺增強(qiáng)系統(tǒng)中場景引擎與自然現(xiàn)實疊加模塊，高還原性地模擬出各類地理條件，如高原、盆地、平原、沙漠、濱海區(qū)域、海島等；各類自然災(zāi)害條件，如氣象災(zāi)害、海洋災(zāi)害、洪水災(zāi)害、地質(zhì)災(zāi)害、地震災(zāi)害、森林與作物災(zāi)害等；以及各類人文社科條件，使救援隊員在平時訓(xùn)練或行前培訓(xùn)時可以任意選擇體驗任務(wù)現(xiàn)場情景，掌握傷病員分布與產(chǎn)生的時域特點(diǎn)，對即將面對的環(huán)境有初步的判斷和了解，做好體能、心理、物資上的準(zhǔn)備，從而避免救援隊到達(dá)預(yù)置區(qū)域后出現(xiàn)難啟動、難展開、難救治和非工作非戰(zhàn)斗減員的情況。

2.2 突出在應(yīng)急響應(yīng)能力方面的訓(xùn)練應(yīng)用 目前，存在信息資源獲取較慢、應(yīng)急聯(lián)動響應(yīng)反應(yīng)較弱、平戰(zhàn)等級轉(zhuǎn)換時間較長、方案預(yù)案可操作性不強(qiáng)、指揮協(xié)調(diào)平臺支撐度不夠等情況[17-18]。利用視覺增強(qiáng)系統(tǒng)的多用戶聯(lián)動功能和未來事件模擬生成功能，對信息融合與傳送、規(guī)模化收攏與集結(jié)、多單位指揮與多專業(yè)協(xié)作、方案實景化實地化實物化推演、橫向平臺架構(gòu)與檢驗等方面進(jìn)行模擬操作，在行前技術(shù)培訓(xùn)或規(guī)?；仍菥氈?，不同地區(qū)、不同專業(yè)屬性的救援隊伍和衛(wèi)勤分隊通過視覺增加系統(tǒng)進(jìn)行多用戶同限定環(huán)境下的實時交互配合訓(xùn)練，在調(diào)動培訓(xùn)對象的主觀能動性的同時找出響應(yīng)鏈條中存在的薄弱之處，并在正式行動前予以修正優(yōu)化，有效提升訓(xùn)練質(zhì)效。這樣不僅能在需要跨時跨域跨專業(yè)訓(xùn)練時減少時間、人員、物資和經(jīng)濟(jì)成本，也能科學(xué)布局參訓(xùn)要素，避免非必要損耗，顯著提升應(yīng)急救援響應(yīng)能力和多隊伍間的聯(lián)合保障能力。

2.3 突出在醫(yī)療救治技能方面的訓(xùn)練應(yīng)用 在應(yīng)急醫(yī)療救治技能方面，存在著訓(xùn)練模式單一、救治流程規(guī)范性不足、現(xiàn)場救治能力偏弱、檢傷分類準(zhǔn)確性較低、隊伍里與隊伍間醫(yī)技水平參差不齊等情況。借助視覺增強(qiáng)系統(tǒng)的高沉浸性和高形象化，利用系統(tǒng)的多維標(biāo)記、頂點(diǎn)抽取、子網(wǎng)格處理、超視野還原、實物色彩渲染、遮擋回避和增強(qiáng)感官體驗技術(shù)，結(jié)合主體對象動靜、遠(yuǎn)近、快慢之間的瞬時變換，模擬出基于災(zāi)害現(xiàn)場特征，可供使用者反復(fù)練習(xí)的標(biāo)準(zhǔn)化病員角色。如身臨其境一般面對各類各種致傷效應(yīng)，特別是致傷效應(yīng)罕見所形成的可視化模型，如肢體殘斷、氣胸、爆震傷、窒息、大面積燒燙傷等[19]。在帶來強(qiáng)烈的視覺沖擊下，明確訓(xùn)練綱要、突出特殊傷情處置，針對不同專業(yè)不同屬性的救援隊員開展個性化和規(guī)范化培訓(xùn)。同時，還可利用視覺增強(qiáng)系統(tǒng)中語言交互功能進(jìn)行醫(yī)患之間的模擬對話，提高受訓(xùn)隊員在面對真實病例時的醫(yī)患交流質(zhì)量。

2.4 突出在疾病防控與衛(wèi)生防疫方面的訓(xùn)練應(yīng)用 利用視覺增強(qiáng)系統(tǒng)中的時間邏輯拓展、極限場景還原和事件成長與決策輔助等功能，以自然地理條件和本地疾病分布譜為藍(lán)本，融合系統(tǒng)工程場景要素模擬和影像配準(zhǔn)，構(gòu)建出災(zāi)后或公共事件后可能出現(xiàn)的地方性疾病、區(qū)域性流行病或自然疫源性疾病等局部或大范圍肆虐流行的虛擬現(xiàn)場，使參與救援任務(wù)的醫(yī)療隊提前熟悉可能面對防疫情況，提前與對口部門協(xié)調(diào)溝通、接種疫苗、備變各類藥品和防護(hù)器材，分區(qū)分層開展疾病防控訓(xùn)練，從而避免在救援現(xiàn)場出現(xiàn)工作時“眉毛胡子一把抓”、盲目防控、過度消殺和藥品供應(yīng)失衡失量等情況。

2.5 突出在現(xiàn)場信息綜合處理方面的訓(xùn)練應(yīng)用 在應(yīng)急醫(yī)療救援現(xiàn)場，會隨著時間推移產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)信息。這些信息具有規(guī)模性、快速增長性、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性特點(diǎn)的同時，也具有部分錯誤失真性、延遲冗余性和消極干預(yù)性[20-21]。快速且準(zhǔn)確的在信息流中獲取關(guān)鍵信息，對掌握救援現(xiàn)場態(tài)勢，提升醫(yī)療救援決策產(chǎn)生的時效性息息相關(guān)。利用視覺增強(qiáng)系統(tǒng)的信息注冊管理、態(tài)勢感知、用戶定義操作和多平臺兼容等功能，模擬現(xiàn)場各類醫(yī)療救援信息，包括環(huán)境報道、救援資訊、上級決策命令、態(tài)勢新聞、傷病員情況、物資耗損與補(bǔ)充情況等，產(chǎn)生過程，受訓(xùn)者在熟悉這個過程的基礎(chǔ)上可以反復(fù)進(jìn)行抓取分析訓(xùn)練，不斷提升對科學(xué)化、定向化和精準(zhǔn)化信息的敏感度，從而降低任務(wù)中的決策失誤概率。

3 展望和討論

應(yīng)急醫(yī)療救援能力不僅針對個人，也針對救援單元和多組聯(lián)合而言。作為一級救援實體必須完成上級賦予的各類現(xiàn)場或后續(xù)醫(yī)療救援任務(wù)，這就需要有與之對應(yīng)的保障能力，而保障能力的生成與保持在日常訓(xùn)練中是密不可分的。作為現(xiàn)實與虛擬世界的橋梁，基于MR技術(shù)的視覺增強(qiáng)系統(tǒng)的不斷成熟與廣泛應(yīng)用為應(yīng)急醫(yī)療救援力量的培訓(xùn)帶來全新的技術(shù)選擇和主觀體驗，在精密籌劃、精準(zhǔn)指導(dǎo)、精確決策和精確復(fù)盤方面擁有巨大的優(yōu)勢，為應(yīng)急醫(yī)療救援的可持續(xù)發(fā)展提供了加速度。

3.1 強(qiáng)建設(shè)保質(zhì)量，建立互通互聯(lián)的培訓(xùn)模式 應(yīng)急醫(yī)療救援力量的培訓(xùn)根本落腳點(diǎn)在于優(yōu)化并驗證與遂行任務(wù)相適應(yīng)的指揮管理制度、專業(yè)人員組成和能力要素水平、藥材裝備配備和相關(guān)的保障標(biāo)準(zhǔn)。運(yùn)用建立互通互聯(lián)的“虛擬同時空”演練模式，發(fā)現(xiàn)訓(xùn)練中存在的短板弱項，減少人為非必要性消耗或損傷，科學(xué)研究并提供相應(yīng)的解決方法和途徑，去偽存真、去蕪存菁、大膽創(chuàng)新，在訓(xùn)練中持續(xù)改進(jìn)完善各項標(biāo)準(zhǔn)，使應(yīng)急救援力量的建設(shè)更加合理正規(guī)，逐步形成統(tǒng)一規(guī)范、高質(zhì)高量、實用管用的培訓(xùn)標(biāo)準(zhǔn)、演練模式和配套機(jī)制。

3.2 強(qiáng)體系促網(wǎng)絡(luò)，建立分層分級的培訓(xùn)模式 隨著應(yīng)急醫(yī)療救援理論和技術(shù)的發(fā)展，救援的重點(diǎn)從治“現(xiàn)病”向治“未病”轉(zhuǎn)變，培訓(xùn)的模式從應(yīng)付“現(xiàn)急”向處理“未急”轉(zhuǎn)換，培訓(xùn)的對象從一對一向多元轉(zhuǎn)換，教學(xué)平臺從獨(dú)立向扁平化轉(zhuǎn)換。持續(xù)加大對體系資源的投入，充分利用視覺增強(qiáng)系統(tǒng)虛擬仿真引擎的高精度性和高還原性搭建多種類災(zāi)害模擬訓(xùn)練平臺，建立基于網(wǎng)絡(luò)化的專項演練場和減災(zāi)救災(zāi)教學(xué)中心，依據(jù)救援任務(wù)需求和救援力量素質(zhì)組成運(yùn)用視覺增強(qiáng)系統(tǒng)開展梯隊性分層分級訓(xùn)練，避免培訓(xùn)內(nèi)容的單一性、確保課程的針對性與合理性，同時，利用病員傷情數(shù)據(jù)池在系統(tǒng)中形成高仿真度數(shù)字鏡像模型，依據(jù)不同的災(zāi)害類別，受災(zāi)地區(qū)、受災(zāi)規(guī)模和受災(zāi)時限動態(tài)生成不同種類、不同規(guī)模和不同訴求的傷員模型供受訓(xùn)者反復(fù)練習(xí)、復(fù)盤總結(jié)，保證救援訓(xùn)練科目和內(nèi)容的全面覆蓋，從而不斷提升質(zhì)量效益、優(yōu)化救治流程，密切人員配合，確保現(xiàn)場救治后送和防疫防控任務(wù)的順利完成，保障以救援實體組成的醫(yī)療救援網(wǎng)格作用凸顯，醫(yī)療救援網(wǎng)點(diǎn)托底，促進(jìn)應(yīng)急救援網(wǎng)絡(luò)健康發(fā)展。

3.3 多渠道多模式，建立信息化支撐的培訓(xùn)模式 運(yùn)用視覺增強(qiáng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息兼容端口，全渠道多模式的抓取、收集、分析各類信息數(shù)據(jù)，借助5G通信優(yōu)勢，通過全息監(jiān)控功能和視頻評估功能加持，加快推進(jìn)并建立以信息化和數(shù)據(jù)化為支撐的災(zāi)害醫(yī)學(xué)仿真平臺和模擬決策平臺，整合各類優(yōu)質(zhì)賑災(zāi)防災(zāi)數(shù)據(jù)與信息資源，消除多重多源信息間的碎片化、分散化和異構(gòu)化，持續(xù)匯集高質(zhì)量的救援?dāng)?shù)據(jù)信息，緊緊扣住“信息數(shù)據(jù)支撐救援能力生成”這個關(guān)鍵點(diǎn)，實現(xiàn)從訓(xùn)練設(shè)計、訓(xùn)練實施、訓(xùn)練評估和訓(xùn)練反饋的全鏈條的數(shù)據(jù)信息共享與數(shù)據(jù)表征一致化，實現(xiàn)跨域訓(xùn)練、態(tài)勢訓(xùn)練和多元多類訓(xùn)練的同時輸出與展開，建立目標(biāo)明確、對象精準(zhǔn)和智能判別的災(zāi)害醫(yī)學(xué)救援信息體系，不斷提高應(yīng)急醫(yī)療救援培訓(xùn)的便利化、職能化、預(yù)貯備化和信息化。

4 小 結(jié)

近年來，隨著虛擬仿真與視覺增強(qiáng)技術(shù)的日趨完善，其應(yīng)用的廣度與寬度也在逐步增加。視覺增強(qiáng)系統(tǒng)利用它技術(shù)的優(yōu)勢運(yùn)用于培訓(xùn)領(lǐng)域，所帶來的教學(xué)質(zhì)量和效果的提升也獲得了專家的肯定。面對災(zāi)害的突發(fā)性、種類的多樣性、響應(yīng)的時效性和救援過程的復(fù)雜性，對應(yīng)急醫(yī)療救援團(tuán)隊的綜合能力提出了更高的要求。如何在嚴(yán)酷的自然環(huán)境下和陌生地域中快速實現(xiàn)救援團(tuán)隊的專業(yè)配置、精準(zhǔn)布勢、科學(xué)展開、梯次救護(hù)、協(xié)同配合和信息甄別，行前的培訓(xùn)和救援演練至關(guān)重要。應(yīng)大膽將新技術(shù)、新方法和新模式應(yīng)用于教學(xué)和演練中，才能不斷滿足救援任務(wù)新目標(biāo)、新使命和新需求，持續(xù)提升應(yīng)急醫(yī)療救援隊伍的能力水平。視覺增強(qiáng)系統(tǒng)在演練成本控制、多對象同臺同頻、背景環(huán)境架設(shè)、訓(xùn)練模式切換、訓(xùn)練效果評估、輔助決策、組織架構(gòu)和指揮流程優(yōu)化等方面均有突出的表現(xiàn)，增強(qiáng)了應(yīng)急醫(yī)療救援培訓(xùn)的專業(yè)性、科學(xué)性和實戰(zhàn)性，是從“演練場”向“實戰(zhàn)場”快速轉(zhuǎn)變的催化劑，值得先用先試、持續(xù)研究和推廣。