基于戰(zhàn)創(chuàng)傷虛擬人的急救交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馮逸飛，張鷺鷺，許碩貴，徐海洲，周潘宇，李 莉，張 義

0 引 言

“虛擬人”是指通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬真實(shí)的人體結(jié)構(gòu)而合成的三維人體模型[1]。這種虛擬仿真模型不僅具有人體的形態(tài)結(jié)構(gòu)，而且具備生理機(jī)能，包括“幾何可視虛擬人”、“物理運(yùn)動(dòng)虛擬人”、“生理仿真虛擬人”和“虛擬智能人”4個(gè)發(fā)展階段，大多研究處于物理運(yùn)動(dòng)虛擬人，部分單位開始探索具有生理特性仿真的虛擬人。目前已經(jīng)在人體工效學(xué)、輔助教學(xué)、輔助體育訓(xùn)練、軍事仿真領(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用，特別是在軍事模擬訓(xùn)練中將虛擬人置于由虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立起的作戰(zhàn)模型、武器平臺(tái)模型和環(huán)境模型、虛擬軍事訓(xùn)練系統(tǒng)中，很大程度上可以起到實(shí)彈演習(xí)的效果，同時(shí)避免傷亡事故，并節(jié)約設(shè)備、彈藥和人員成本[2-3]。

戰(zhàn)創(chuàng)傷虛擬人是基于生理仿真虛擬人的進(jìn)一步發(fā)展，根據(jù)戰(zhàn)傷數(shù)據(jù)分析，結(jié)合武器致傷機(jī)理建立傷情發(fā)生模型，建立具有生理特性的戰(zhàn)創(chuàng)傷傷情仿真?zhèn)麊T模型。戰(zhàn)傷急救技能包括包扎、止血、固定、搬運(yùn)、通氣、基礎(chǔ)生命支持，作為戰(zhàn)場(chǎng)一線救護(hù)人員的基本急救技能，其急救技能水平直接影響著傷員的傷死率和傷殘率[4]，研制戰(zhàn)創(chuàng)傷虛擬人能夠?yàn)榧本扔?xùn)練提供真實(shí)的訓(xùn)練對(duì)象，并通過研究基于戰(zhàn)創(chuàng)傷虛擬人的急救虛擬交互技術(shù)，構(gòu)建急救技能虛擬交互模型與系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)傷情動(dòng)態(tài)變化下的急救技能訓(xùn)練，為戰(zhàn)場(chǎng)傷員急救提供“實(shí)戰(zhàn)化”訓(xùn)練工具與技術(shù)方法。

1 戰(zhàn)創(chuàng)傷虛擬人構(gòu)建

1.1戰(zhàn)創(chuàng)傷傷情數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建傷員傷情根據(jù)作戰(zhàn)樣式不同而變化，因此首先應(yīng)該以真實(shí)作戰(zhàn)為牽引，分析不同作戰(zhàn)樣式下參戰(zhàn)兵力與武器裝備數(shù)量性能等要素，進(jìn)行減員預(yù)計(jì)并且預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的傷情特點(diǎn)。綜合致傷武器、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、個(gè)人防護(hù)、戰(zhàn)場(chǎng)信息等，分析不同作戰(zhàn)樣式下傷員身份信息(姓名、性別、年齡、血型、藥物過敏史等)，傷部信息(頭部(顱腦)、頜面、上肢、下肢、內(nèi)臟等10個(gè)部位)，傷型信息(貫通傷、盲管傷、穿透?jìng)?、非貫通傷、切線傷、等)，傷勢(shì)信息(輕傷、中等傷、重傷、危重四類)，傷類信息(致傷因素)(炸傷、槍彈傷、刃器傷、擠壓傷、沖擊傷、撞擊傷、燒傷等)，時(shí)間信息(戰(zhàn)傷發(fā)生、接受不同救護(hù)和治療的時(shí)間)、以及并發(fā)癥信息(大出血、窒息、休克、抽搐、氣胸、截癱和其他)等，確立子要素并標(biāo)準(zhǔn)化，編制戰(zhàn)創(chuàng)傷虛擬人傷情標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)庫(kù)。

1.2戰(zhàn)創(chuàng)傷虛擬人仿真建模戰(zhàn)傷急救技能主要針對(duì)外傷展開，戰(zhàn)創(chuàng)傷虛擬人具有真實(shí)傷員的生理特征，因此戰(zhàn)創(chuàng)傷虛擬人主要針對(duì)傷員肌肉(含皮膚)、骨骼、血液構(gòu)建包括頭部和四肢傷情生理仿真模型。當(dāng)虛擬傷員受到彈片擊傷或者子彈貫穿傷時(shí)，戰(zhàn)創(chuàng)傷虛擬人的肌肉根據(jù)彈性力學(xué)形變特征，應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行柔性體有限元分析，仿真計(jì)算傷員受傷部位傷口面積大小、深度等要素[5]；骨骼根據(jù)剛體受力特征分析，應(yīng)用動(dòng)力學(xué)仿真手段進(jìn)行剛體力學(xué)分析還原真實(shí)的骨折、骨裂部位、損傷程度等要素[6]；血液根據(jù)人體血液動(dòng)力學(xué)特征，參照流體力學(xué)模擬特性仿真?zhèn)麊T受傷后血流動(dòng)態(tài)特征，包括血流速度、時(shí)長(zhǎng)、流量等要素[7-8]。

依據(jù)以上主要生理特點(diǎn)仿真分析，采用人工智能與計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)構(gòu)建算法模型，以3D建模、圖像渲染為創(chuàng)作工具，建立戰(zhàn)創(chuàng)傷虛擬人傷員庫(kù)，體現(xiàn)戰(zhàn)創(chuàng)傷虛擬人對(duì)應(yīng)的傷情神態(tài)信息,為戰(zhàn)傷急救虛擬交互研究真實(shí)對(duì)象與傷情演示模型[9-11]，包括不同傷情下的傷員運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(行走、翻滾、爬行、失能等)，生命體征(血壓、心率、瞳孔狀態(tài)、呼吸)，表情神態(tài)(恐懼、痛苦、猙獰、煩躁等)，語言表現(xiàn)(呻吟、哭喊、呼救、沉默等)[12-13]。戰(zhàn)創(chuàng)傷虛擬人仿真建模要素分析見圖1。

圖1 戰(zhàn)創(chuàng)傷虛擬人仿真建模分析

2 戰(zhàn)創(chuàng)傷虛擬人急救交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1虛擬交互訓(xùn)練裝備集成戰(zhàn)傷急救技能主要包括：止血、包扎、骨折固定、傷員搬運(yùn)、通氣術(shù)等內(nèi)容，每一項(xiàng)技能對(duì)應(yīng)的救治裝備不同，相應(yīng)的戰(zhàn)創(chuàng)傷虛擬人傷情也不相同，其急救虛擬交互方案與技術(shù)設(shè)備也各有側(cè)重。因此，在戰(zhàn)創(chuàng)傷虛擬人急救過程中，以戰(zhàn)傷急救規(guī)則為準(zhǔn)，分解并優(yōu)化急救技能操作步驟，根據(jù)虛擬人生理指標(biāo)變化規(guī)律和傷情轉(zhuǎn)歸特點(diǎn)有針對(duì)性地制定虛擬急救技能操作流程，為戰(zhàn)傷急救虛擬交互研究提供可操作性的訓(xùn)練流程規(guī)范和技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案。

根據(jù)虛擬交互操作流程，由受訓(xùn)者以虛擬交互訓(xùn)練工具為急救操作器械，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)交互設(shè)備如：虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔、萬向跑步機(jī)、虛擬交互手柄、數(shù)據(jù)手套、空間定位等設(shè)備，對(duì)戰(zhàn)創(chuàng)傷虛擬人進(jìn)行急救交互操作，實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練效果。例如：對(duì)傷員搬運(yùn)可結(jié)合使用運(yùn)動(dòng)仿真平臺(tái)與光學(xué)定位裝置進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)傷員搬運(yùn)的空間位移變化；對(duì)氣道管理等“有創(chuàng)”操作使用虛擬手術(shù)刀對(duì)戰(zhàn)創(chuàng)傷虛擬人進(jìn)行氣管切開、環(huán)甲膜穿刺等急救措施，仿真虛擬傷員皮膚肌肉被切開及穿刺時(shí)逼真的傷口形變與流血模擬形態(tài)，達(dá)到通氣效果，使其恢復(fù)正常呼吸心跳等生命指標(biāo)[14-15]。

2.2急救技能虛擬仿真訓(xùn)練分析以戰(zhàn)創(chuàng)傷虛擬人為急救訓(xùn)練對(duì)象時(shí)，能夠展現(xiàn)真實(shí)的傷情外形特征，并且顯示虛擬人體的多項(xiàng)生理指標(biāo)，可以對(duì)受訓(xùn)者展開傷情判斷，傷情評(píng)估(例如：以簡(jiǎn)易戰(zhàn)傷評(píng)分方法為例，可以通過戰(zhàn)創(chuàng)傷虛擬人呼吸次數(shù)、收縮壓、神志昏迷狀況數(shù)據(jù)分析出當(dāng)前傷員的傷勢(shì)等級(jí)等)，傷員分類等科目的訓(xùn)練,戰(zhàn)創(chuàng)傷虛擬人傷情評(píng)分流程見圖2。

圖2 戰(zhàn)創(chuàng)傷虛擬人傷情評(píng)分流程

以戰(zhàn)創(chuàng)傷虛擬人為真實(shí)傷員展開急救操作，當(dāng)技能操作符合正確的救治方法，虛擬傷員明顯好轉(zhuǎn)，其生理指標(biāo)根據(jù)其模型算法恢復(fù)正常；例如，當(dāng)戰(zhàn)創(chuàng)傷虛擬人仿真斷肢傷員動(dòng)脈大出血時(shí)，采用正確的止血措施后，根據(jù)傷員血液流體力學(xué)模擬算法，可以顯示出虛擬傷員血流量明顯減少，傷員面色適度恢復(fù)正常，生命體征逐步穩(wěn)定。當(dāng)救治措施不正確，或者時(shí)間控制不合理時(shí)，戰(zhàn)創(chuàng)傷虛擬人傷情出現(xiàn)惡化甚至于直接死亡；例如，戰(zhàn)創(chuàng)傷虛擬人出現(xiàn)心臟驟停后，受訓(xùn)者應(yīng)當(dāng)按照心肺復(fù)蘇標(biāo)準(zhǔn)操作流程，通過虛擬交互工具(手柄、數(shù)據(jù)手套)對(duì)戰(zhàn)創(chuàng)傷虛擬人進(jìn)行人工呼吸與心肺復(fù)蘇，吹氣深度、頻率，按壓深度、頻率，如果不符合規(guī)范操作，根據(jù)骨骼剛體動(dòng)力學(xué)智能算法虛擬人可能直接出現(xiàn)胸骨骨折、甚至死亡。因此，戰(zhàn)創(chuàng)傷虛擬人是檢驗(yàn)戰(zhàn)傷急救虛擬交互訓(xùn)練預(yù)期效果的有效工具與客觀標(biāo)準(zhǔn)。

2.3戰(zhàn)創(chuàng)傷虛擬人急救交互訓(xùn)練系統(tǒng)構(gòu)建基于戰(zhàn)創(chuàng)傷虛擬人展開戰(zhàn)傷急救虛擬交互訓(xùn)練，以實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練為出發(fā)點(diǎn)，全面考慮傷員傷情特點(diǎn)與急救訓(xùn)練需求，因此該系統(tǒng)主要可實(shí)現(xiàn)教學(xué)、訓(xùn)練、考核等功能。按照仿真模型資源、教員教學(xué)設(shè)計(jì)、學(xué)員訓(xùn)練考核共設(shè)置三大模塊。仿真模型庫(kù)以戰(zhàn)創(chuàng)傷虛擬人為核心，提供虛擬救治傷員、器械、環(huán)境場(chǎng)景，教員在此基礎(chǔ)上進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容涉及與綜合案例設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)員的教學(xué)與訓(xùn)練工作。

圍繞具體救治技能展開，設(shè)置戰(zhàn)創(chuàng)傷虛擬人特定的傷情特點(diǎn)，訓(xùn)練難度可根據(jù)傷情設(shè)置，例如多發(fā)傷和重傷救治一般訓(xùn)練難度大一些，單一傷及輕傷訓(xùn)練難度低一些，以戰(zhàn)創(chuàng)傷虛擬人為對(duì)象進(jìn)行急救訓(xùn)練操作，構(gòu)建虛擬教學(xué)環(huán)境，例如訓(xùn)練場(chǎng)、戰(zhàn)場(chǎng)叢林沙灘等，以圖文形式、三維視頻、戰(zhàn)創(chuàng)傷虛擬人為教學(xué)工具，設(shè)置一名虛擬導(dǎo)師實(shí)現(xiàn)對(duì)受訓(xùn)學(xué)員進(jìn)行背景介紹、理論提示、操作示范等功能，按照戰(zhàn)創(chuàng)傷虛擬人交互訓(xùn)練設(shè)計(jì)方案實(shí)施展開，提升學(xué)員急救技能操作水平，系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)要素見圖3。

圖3 戰(zhàn)創(chuàng)傷虛擬人急救交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)要素

學(xué)員應(yīng)用該系統(tǒng)展開技能考核時(shí)，應(yīng)以具體案例為背景展開，根據(jù)預(yù)定作戰(zhàn)樣式發(fā)生傷員，產(chǎn)生批量戰(zhàn)創(chuàng)傷虛擬人后，由學(xué)員進(jìn)行傷員傷情評(píng)估，確定救治措施后，展開急救操作；急救操作過程中，戰(zhàn)創(chuàng)傷虛擬人按照仿真智能算法對(duì)急救操作進(jìn)行反饋，包括傷情轉(zhuǎn)歸上的形態(tài)變化、生命體征指標(biāo)參數(shù)變化等實(shí)時(shí)反映救治效果，并進(jìn)行評(píng)判打分；在訓(xùn)練系統(tǒng)其他輔助模塊中，學(xué)員可以查看往往考核記錄，自動(dòng)生成學(xué)生考核成績(jī)分析等，為學(xué)員訓(xùn)練考評(píng)提供客觀真實(shí)數(shù)據(jù)結(jié)果。

3 結(jié) 語

將基于戰(zhàn)創(chuàng)傷虛擬人的戰(zhàn)傷急救交互系統(tǒng)應(yīng)用于軍醫(yī)院校、部隊(duì)衛(wèi)勤訓(xùn)練部門中開展戰(zhàn)傷救治教學(xué)訓(xùn)練，為學(xué)員提供“臨戰(zhàn)狀態(tài)”下的戰(zhàn)場(chǎng)感受與傷情呈現(xiàn)，通過真實(shí)的急救技能操作與戰(zhàn)創(chuàng)傷虛擬人生理指標(biāo)變化考核，全面提升受訓(xùn)人員的一線傷員急救技能訓(xùn)練水平，極大地降低了常規(guī)訓(xùn)練成本高、組織難度大、且傷員傷情“不真實(shí)”、“有創(chuàng)”急救操作訓(xùn)練難以展開等問題，濃厚急救訓(xùn)練“實(shí)戰(zhàn)化”氛圍，是新時(shí)代軍事斗爭(zhēng)衛(wèi)勤保障訓(xùn)練的創(chuàng)新與發(fā)展[16-17]。