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戰創傷急救技能虛擬交互模型與系統研發

添加時間:2018/07/28 來源:東南國防醫藥 作者:馮逸飛 張鷺鷺 許碩貴
虛擬仿真模型不僅具有人體的形態結構, 而且具備生理機能, 包括“幾何可視虛擬人”、“物理運動虛擬人”、“生理仿真虛擬人”和“虛擬智能人”4個發展階段, 大多研究處于物理運動虛擬人, 部分單位開始探索具有生理特性仿真的虛擬人。
以下為本篇論文正文:

  摘要:傷員的“真實”發生、呈現以及傷情的轉歸、評估是戰場傷員急救訓練中的重點與難點。通過采用虛擬現實、計算機仿真、人機交互等技術, 構建具有生理特性的戰創傷虛擬人, 模擬真實的戰傷傷員;進一步分析急救虛擬交互模型與技術, 構建基于戰創傷虛擬人的急救交互系統, 實現傷情動態變化下的急救技能虛擬交互訓練, 為戰場傷員急救提供實戰化的訓練工具與技術方法。

  關鍵詞:戰創傷虛擬人; 虛擬仿真; 急救技能; 交互系統;

  Abstract:The occurrence and presentation of the“real”wounded and the outcome and assessment of the injury are the key and difficult points in first aid training for the wounded on the battlefield. Using virtual reality, computer simulation, human-computer interaction and other technologies, the battle wound virtual man with physical characteristics was constructed to mimicreal wounded soldiers. To provide“actual combat”training tools and technical methods for the first aid on the battlefield, we analyzed first aid virtual interaction models and techniques, constructed first aid interaction system based on war trauma avatars, realized virtual interactive training of first aid skills in the dynamic change of injuries.

  Keyword:battle trauma virtual man; virtual simulation; first aid skills; interactive system;

  “虛擬人”是指通過虛擬現實技術模擬真實的人體結構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結構, 而且具備生理機能, 包括“幾何可視虛擬人”、“物理運動虛擬人”、“生理仿真虛擬人”和“虛擬智能人”4個發展階段, 大多研究處于物理運動虛擬人, 部分單位開始探索具有生理特性仿真的虛擬人。目前已經在人體工效學、輔助教學、輔助體育訓練、軍事仿真領域取得了廣泛應用, 特別是在軍事模擬訓練中將虛擬人置于由虛擬現實技術建立起的作戰模型、武器平臺模型和環境模型、虛擬軍事訓練系統中, 很大程度上可以起到實彈演習的效果, 同時避免傷亡事故, 并節約設備、彈藥和人員成本[2-3]。

  戰創傷虛擬人是基于生理仿真虛擬人的進一步發展, 根據戰傷數據分析, 結合武器致傷機理建立傷情發生模型, 建立具有生理特性的戰創傷傷情仿真傷員模型。戰傷急救技能包括包扎、止血、固定、搬運、通氣、基礎生命支持, 作為戰場一線救護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], 研制戰創傷虛擬人能夠為急救訓練提供真實的訓練對象, 并通過研究基于戰創傷虛擬人的急救虛擬交互技術, 構建急救技能虛擬交互模型與系統, 實現傷情動態變化下的急救技能訓練, 為戰場傷員急救提供“實戰化”訓練工具與技術方法。

  1、戰創傷虛擬人構建

  1.1、戰創傷傷情數據庫構建

  傷員傷情根據作戰樣式不同而變化, 因此首先應該以真實作戰為牽引, 分析不同作戰樣式下參戰兵力與武器裝備數量性能等要素, 進行減員預計并且預測可能出現的傷情特點。綜合致傷武器、戰場環境、個人防護、戰場信息等, 分析不同作戰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、內臟等10個部位) , 傷型信息 (貫通傷、盲管傷、穿透傷、非貫通傷、切線傷、等) , 傷勢信息 (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) , 時間信息 (戰傷發生、接受不同救護和治療的時間) 、以及并發癥信息 (大出血、窒息、休克、抽搐、氣胸、截癱和其他) 等, 確立子要素并標準化, 編制戰創傷虛擬人傷情標準化數據庫。

  1.2、戰創傷虛擬人仿真建模

  戰傷急救技能主要針對外傷展開, 戰創傷虛擬人具有真實傷員的生理特征, 因此戰創傷虛擬人主要針對傷員肌肉 (含皮膚) 、骨骼、血液構建包括頭部和四肢傷情生理仿真模型。當虛擬傷員受到彈片擊傷或者子彈貫穿傷時, 戰創傷虛擬人的肌肉根據彈性力學形變特征, 應用計算機仿真技術進行柔性體有限元分析, 仿真計算傷員受傷部位傷口面積大小、深度等要素[5];骨骼根據剛體受力特征分析, 應用動力學仿真手段進行剛體力學分析還原真實的骨折、骨裂部位、損傷程度等要素[6];血液根據人體血液動力學特征, 參照流體力學模擬特性仿真傷員受傷后血流動態特征, 包括血流速度、時長、流量等要素[7-8]。

  依據以上主要生理特點仿真分析, 采用人工智能與計算機仿真技術構建算法模型, 以3D建模、圖像渲染為創作工具, 建立戰創傷虛擬人傷員庫, 體現戰創傷虛擬人對應的傷情神態信息, 為戰傷急救虛擬交互研究真實對象與傷情演示模型[9-11], 包括不同傷情下的傷員運動狀態 (行走、翻滾、爬行、失能等) , 生命體征 (血壓、心率、瞳孔狀態、呼吸) , 表情神態 (恐懼、痛苦、猙獰、煩躁等) , 語言表現 (呻吟、哭喊、呼救、沉默等) [12-13]。戰創傷虛擬人仿真建模要素分析見圖1。

圖1 戰創傷虛擬人仿真建模分析
圖1 戰創傷虛擬人仿真建模分析

  2、戰創傷虛擬人急救交互系統設計

  2.1、虛擬交互訓練裝備集成

  戰傷急救技能主要包括:止血、包扎、骨折固定、傷員搬運、通氣術等內容, 每一項技能對應的救治裝備不同, 相應的戰創傷虛擬人傷情也不相同, 其急救虛擬交互方案與技術設備也各有側重。因此, 在戰創傷虛擬人急救過程中, 以戰傷急救規則為準, 分解并優化急救技能操作步驟, 根據虛擬人生理指標變化規律和傷情轉歸特點有針對性地制定虛擬急救技能操作流程, 為戰傷急救虛擬交互研究提供可操作性的訓練流程規范和技術實現方案。

  根據虛擬交互操作流程, 由受訓者以虛擬交互訓練工具為急救操作器械, 結合虛擬現實交互設備如:虛擬現實頭盔、萬向跑步機、虛擬交互手柄、數據手套、空間定位等設備, 對戰創傷虛擬人進行急救交互操作, 實現訓練效果。例如:對傷員搬運可結合使用運動仿真平臺與光學定位裝置進行, 實現傷員搬運的空間位移變化;對氣道管理等“有創”操作使用虛擬手術刀對戰創傷虛擬人進行氣管切開、環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逼真的傷口形變與流血模擬形態, 達到通氣效果, 使其恢復正常呼吸心跳等生命指標[14-15]。

  2.2、急救技能虛擬仿真訓練分析

  以戰創傷虛擬人為急救訓練對象時, 能夠展現真實的傷情外形特征, 并且顯示虛擬人體的多項生理指標, 可以對受訓者展開傷情判斷, 傷情評估 (例如:以簡易戰傷評分方法為例, 可以通過戰創傷虛擬人呼吸次數、收縮壓、神志昏迷狀況數據分析出當前傷員的傷勢等級等) , 傷員分類等科目的訓練, 戰創傷虛擬人傷情評分流程見圖2。

圖2 戰創傷虛擬人傷情評分流程
圖2 戰創傷虛擬人傷情評分流程

  以戰創傷虛擬人為真實傷員展開急救操作, 當技能操作符合正確的救治方法, 虛擬傷員明顯好轉, 其生理指標根據其模型算法恢復正常;例如, 當戰創傷虛擬人仿真斷肢傷員動脈大出血時, 采用正確的止血措施后, 根據傷員血液流體力學模擬算法, 可以顯示出虛擬傷員血流量明顯減少, 傷員面色適度恢復正常, 生命體征逐步穩定。當救治措施不正確, 或者時間控制不合理時, 戰創傷虛擬人傷情出現惡化甚至于直接死亡;例如, 戰創傷虛擬人出現心臟驟停后, 受訓者應當按照心肺復蘇標準操作流程, 通過虛擬交互工具 (手柄、數據手套) 對戰創傷虛擬人進行人工呼吸與心肺復蘇, 吹氣深度、頻率, 按壓深度、頻率, 如果不符合規范操作, 根據骨骼剛體動力學智能算法虛擬人可能直接出現胸骨骨折、甚至死亡。因此, 戰創傷虛擬人是檢驗戰傷急救虛擬交互訓練預期效果的有效工具與客觀標準。

  2.3、戰創傷虛擬人急救交互訓練系統構建

  基于戰創傷虛擬人展開戰傷急救虛擬交互訓練, 以實戰化訓練為出發點, 全面考慮傷員傷情特點與急救訓練需求, 因此該系統主要可實現教學、訓練、考核等功能。按照仿真模型資源、教員教學設計、學員訓練考核共設置三大模塊。仿真模型庫以戰創傷虛擬人為核心, 提供虛擬救治傷員、器械、環境場景, 教員在此基礎上進行教學內容涉及與綜合案例設計, 實現對學員的教學與訓練工作。

  圍繞具體救治技能展開, 設置戰創傷虛擬人特定的傷情特點, 訓練難度可根據傷情設置, 例如多發傷和重傷救治一般訓練難度大一些, 單一傷及輕傷訓練難度低一些, 以戰創傷虛擬人為對象進行急救訓練操作, 構建虛擬教學環境, 例如訓練場、戰場叢林沙灘等, 以圖文形式、三維視頻、戰創傷虛擬人為教學工具, 設置一名虛擬導師實現對受訓學員進行背景介紹、理論提示、操作示范等功能, 按照戰創傷虛擬人交互訓練設計方案實施展開, 提升學員急救技能操作水平, 系統模塊設計要素見圖3。

圖3 戰創傷虛擬人急救交互系統設計要素
圖3 戰創傷虛擬人急救交互系統設計要素

  學員應用該系統展開技能考核時, 應以具體案例為背景展開, 根據預定作戰樣式發生傷員, 產生批量戰創傷虛擬人后, 由學員進行傷員傷情評估, 確定救治措施后, 展開急救操作;急救操作過程中, 戰創傷虛擬人按照仿真智能算法對急救操作進行反饋, 包括傷情轉歸上的形態變化、生命體征指標參數變化等實時反映救治效果, 并進行評判打分;在訓練系統其他輔助模塊中, 學員可以查看往往考核記錄, 自動生成學生考核成績分析等, 為學員訓練考評提供客觀真實數據結果。

  3、結語

  將基于戰創傷虛擬人的戰傷急救交互系統應用于軍醫院校、部隊衛勤訓練部門中開展戰傷救治教學訓練, 為學員提供“臨戰狀態”下的戰場感受與傷情呈現, 通過真實的急救技能操作與戰創傷虛擬人生理指標變化考核, 全面提升受訓人員的一線傷員急救技能訓練水平, 極大地降低了常規訓練成本高、組織難度大、且傷員傷情“不真實”、“有創”急救操作訓練難以展開等問題, 濃厚急救訓練“實戰化”氛圍, 是新時代軍事斗爭衛勤保障訓練的創新與發展[16-17]。

  參考文獻
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