李遠(yuǎn)轍，謝康寧，王文軍，顏澤棟，羅二平，湯 池

(空軍軍醫(yī)大學(xué)：1軍事生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)系，2教研保障中心，陜西 西安 710032)

方艙醫(yī)院是擁有先進(jìn)醫(yī)療設(shè)備、優(yōu)良作業(yè)環(huán)境和配套救治條件的現(xiàn)代化機(jī)動醫(yī)療系統(tǒng)，具有機(jī)動性好、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、展開部署快速等優(yōu)點，受到世界各國的高度重視[1-2]。近年來，我軍新型方艙醫(yī)院加速發(fā)展，并相繼在汶川、玉樹、武漢等應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援任務(wù)中發(fā)揮了重要的作用[3-7]。然而，方艙醫(yī)院作為一種典型的大型醫(yī)療衛(wèi)生裝備，由于其價格高昂、體積龐大和操作訓(xùn)練不便等特點，對從業(yè)技術(shù)人員提出了更高的要求，操作不熟練或失誤，將嚴(yán)重降低展收效率，進(jìn)而制約救治任務(wù)實施[8]。

目前，世界各國軍隊正在掀起以模擬化為標(biāo)志的訓(xùn)練革命，其目的就是充分運用以計算機(jī)為核心的現(xiàn)代虛擬現(xiàn)實(virtual reality，VR)技術(shù)，實現(xiàn)軍事訓(xùn)練的躍升，以最大的效費比實現(xiàn)戰(zhàn)斗力的有機(jī)生成[9-10]。VR是20世紀(jì)發(fā)展起來的一項全新的實用技術(shù)，綜合計算機(jī)圖形技術(shù)、多媒體技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、仿真技術(shù)等多種技術(shù)為一體，其基本實現(xiàn)方式是計算機(jī)模擬虛擬環(huán)境從而給人以環(huán)境沉浸感[11-12]。目前，VR技術(shù)已廣泛應(yīng)用于教育、軍事、工業(yè)、醫(yī)療、藝術(shù)等領(lǐng)域，特別是在虛擬培訓(xùn)方面表現(xiàn)尤為突出。由于VR技術(shù)的沉浸性和交互性,學(xué)生能夠在虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中扮演一個角色,全身心地投入學(xué)習(xí)，對技能性教學(xué)有著無比強(qiáng)大的推動作用[13]，尤其適合針對體積大、價格貴、風(fēng)險高、成本高的項目進(jìn)行模擬訓(xùn)練[14]。運用VR技術(shù)進(jìn)行大型裝備模擬訓(xùn)練，是一種效費比高、最大限度貼近實際的訓(xùn)練方式。

本研究針對方艙醫(yī)院這種大型衛(wèi)生裝備缺乏實踐教學(xué)手段的難題，基于VR技術(shù)開發(fā)方艙醫(yī)院訓(xùn)練系統(tǒng)，利用現(xiàn)代的虛擬教學(xué)手段完成現(xiàn)實中難以達(dá)到的實踐教學(xué)效果。通過系統(tǒng)功能設(shè)計和技術(shù)開發(fā)，能夠沉浸式地還原方艙醫(yī)院實景效果，開展方艙醫(yī)院的結(jié)構(gòu)布局、展收操作等訓(xùn)練，既可應(yīng)用于軍事醫(yī)學(xué)工程人才的院校教育，又可用于方艙醫(yī)療隊的部隊訓(xùn)練實踐，從而提高我軍大型衛(wèi)生裝備設(shè)備的完好率和可靠性，有效提升部隊?wèi)?zhàn)傷救治訓(xùn)練水平，具有重要的實際意義和應(yīng)用價值。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)總體采用C/S架構(gòu)設(shè)計，硬件部分主要由主服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)單元、VR客戶端構(gòu)成。其中，主服務(wù)器主要對學(xué)員信息進(jìn)行管理，收集匯總學(xué)員在VR端的學(xué)習(xí)、考核等數(shù)據(jù)。VR客戶端由VR頭顯、手柄和圖形計算機(jī)組成，系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)單元可實現(xiàn)多個VR客戶端接入。軟件部分由服務(wù)器平臺軟件及VR客戶端軟件組成。服務(wù)器平臺軟件采用MySQL數(shù)據(jù)庫設(shè)計，采用Pycharm編程對訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。VR客戶端軟件采用三維建模、動態(tài)采集、光線追蹤以及VR等系列技術(shù)設(shè)計，選擇藍(lán)圖與C++的混合軟件開發(fā)，Unreal Engine 4引擎自帶藍(lán)圖腳本語言并支持C++編寫，使用Maya和ZBrush進(jìn)行環(huán)境建模[15]。

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

基于方艙醫(yī)院展收訓(xùn)練的需求分析，進(jìn)行訓(xùn)練系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(圖1)。

圖1 方艙醫(yī)院訓(xùn)練系統(tǒng)功能模塊設(shè)計圖

按照教學(xué)功能，主要設(shè)計分為三大模塊。①示范教學(xué)模塊：采用語音講解和示范操作演示形式，按訓(xùn)練科目分類演示方艙醫(yī)院各環(huán)節(jié)的展收操作，學(xué)員無需干預(yù)和操作；②模擬訓(xùn)練模塊：采用文字和標(biāo)識引導(dǎo)方式，引導(dǎo)學(xué)員按訓(xùn)練科目獨立完成方艙醫(yī)院各環(huán)節(jié)的展收操作，操作錯誤會有提示；③考核評估模塊：無語音文字提示和標(biāo)識引導(dǎo)，學(xué)員獨立完成方艙醫(yī)院各訓(xùn)練科目的展收操作，系統(tǒng)和考官依據(jù)考核標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行操作打分。

按照訓(xùn)練科目，主要設(shè)計分為四大功能單元。①結(jié)構(gòu)布局：采用沙盤推演和積木搭建方式，使學(xué)員能夠?qū)Ψ脚撫t(yī)院中各功能方艙聯(lián)接順序和位置布局進(jìn)行總體訓(xùn)練。該單元涵蓋12個功能方艙，學(xué)員需將方艙模型依據(jù)正確順序搭建至相應(yīng)位置；②艙室裝卸：沉浸式模擬真實功能方艙從自裝卸車輛上的卸載操作與位置布局過程。該單元涵蓋12個功能方艙，學(xué)員使用模擬平板電腦依據(jù)方艙展開順序選擇車輛并調(diào)整車輛至合適位置，模擬方艙卸載全過程；③連接展開：模擬艙室卸載后，依次進(jìn)行電站、水站、氣站三個保障方艙與功能方艙的聯(lián)接方式訓(xùn)練，以及主功能方艙雙側(cè)擴(kuò)展和功能方艙之間通道連接的展收操作全過程；④艙內(nèi)展收：艙室裝卸、展開聯(lián)接完成后，進(jìn)入方艙醫(yī)院內(nèi)部，進(jìn)行功能方艙內(nèi)部主要醫(yī)療設(shè)備展收訓(xùn)練。主要設(shè)計分為急救方艙、手術(shù)方艙和X射線方艙三個主功能艙室，艙內(nèi)展收訓(xùn)練設(shè)備包括手術(shù)床、器械臺、無影燈、高頻電刀、監(jiān)護(hù)儀、X射線機(jī)等。

2 系統(tǒng)開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 3D虛擬場景設(shè)計與實現(xiàn)

2.1.1 3D模型的制作 利用數(shù)字采集模型設(shè)備數(shù)據(jù)，實地實裝進(jìn)行高精數(shù)據(jù)采集，采集建模包括12類醫(yī)療方艙、自裝卸車輛、衛(wèi)生帳篷，以及艙內(nèi)手術(shù)床、呼吸機(jī)、監(jiān)護(hù)儀、高頻電刀、除顫器、X射線機(jī)等重要醫(yī)療設(shè)備。將取得的數(shù)據(jù)通過程序腳本工具，以柵格化的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行空間轉(zhuǎn)換，形成3D高度映射模型。為進(jìn)一步加強(qiáng)真實性，可以配合同等坐標(biāo)的高精度照片作為shader的texture生成初級的3D模型。此3D數(shù)據(jù)屬于粗模，尚不具備空間坐標(biāo)，儀器及位置真實度較低，僅能應(yīng)用于一般性質(zhì)的虛擬醫(yī)療設(shè)備。

2.1.2 設(shè)備及材質(zhì)的加入 針對粗模加入模型細(xì)節(jié)、坐標(biāo)等信息，加強(qiáng)真實感和現(xiàn)場感。通過采集真實場景信息，使用3D Studio Max或者M(jìn)aya等軟件，對取得的真實數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，包括儀器內(nèi)部和場景可破壞屬性(儀器故障外觀)等特殊訓(xùn)練要求。關(guān)于儀器設(shè)備部分，可在Maya中設(shè)計仿真場景中相應(yīng)環(huán)境所特有的物件。

2.1.3 物理特性模擬和最終渲染 在儀器設(shè)備模型和場景物件基礎(chǔ)上，對場景的交互屬性進(jìn)行設(shè)置，對場景加入physX物理屬性，從而產(chǎn)生引力和風(fēng)力等力場，使虛擬場景中的諸物體和現(xiàn)實中的場景有一致性。調(diào)整lighting及shading，以帶細(xì)節(jié)法線方式、高分辨率逐像素?zé)艄夥绞綄鼍斑M(jìn)行prelighting照明，調(diào)整LOD以提高渲染效率，形成最終VR虛擬場景。

2.2 VR系統(tǒng)人機(jī)交互界面設(shè)計與實現(xiàn)

2.2.1 開發(fā)引擎與硬件接口設(shè)計 使用Unreal引擎內(nèi)置C++語言腳本，對硬件API接口部分重定義，使多個硬件設(shè)備在同一Unreal場景中使用時達(dá)到同步，以符合VR虛擬訓(xùn)練的要求，達(dá)到在Unreal引擎中的實時互動以及定義互動具體內(nèi)容。本系統(tǒng)基于Unreal Engine 4引擎軟件開發(fā)，該引擎對光線追蹤技術(shù)相應(yīng)地有著很好的適配，貼近真實世界的保真度，更符合本訓(xùn)練系統(tǒng)嚴(yán)肅主題所需要的渲染風(fēng)格。同時，該引擎契合光線追蹤技術(shù)需求，系統(tǒng)強(qiáng)大，擴(kuò)展性更豐富。

2.2.2 裝備實訓(xùn)科目設(shè)置 依據(jù)功能設(shè)計中方艙醫(yī)院展收訓(xùn)練科目要求，設(shè)計人機(jī)交互內(nèi)容及形式，以及在手柄和萬向跑步機(jī)上的按鍵和功能的設(shè)置，以符合訓(xùn)練要求。此部分包括設(shè)計虛擬手柄的具體功能設(shè)置(含按鈕及Gesture控制)、跑步機(jī)速度(與虛擬空間同步)，以及在虛擬空間中存在但現(xiàn)實中不存在的物體的交互方案等技術(shù)問題。

2.2.3 多人交互網(wǎng)絡(luò)互聯(lián) 對于多學(xué)員參與的訓(xùn)練模式，通過局域網(wǎng)TCP/IP協(xié)議進(jìn)行多個不同的節(jié)點之間的互聯(lián)設(shè)計，進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換，實現(xiàn)同一場景內(nèi)多個參訓(xùn)學(xué)員之間的互動，包括真實人物之間的互動、真實人物與虛擬物體的互動、真實人物借助虛擬物體關(guān)聯(lián)互動、以及進(jìn)一步的互動方式的設(shè)計。

2.3 VR系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)庫建立

2.3.1 后臺故障機(jī)數(shù)據(jù)庫建立 此部分?jǐn)?shù)據(jù)庫包括數(shù)據(jù)框架以及外在視覺表現(xiàn)部分，在VR訓(xùn)練中故障機(jī)模型是由后臺數(shù)據(jù)庫自動生成。通過教師專用控制端在數(shù)據(jù)庫中選擇故障類型、機(jī)器種類和型號、損壞程度等，由Ragdoll系統(tǒng)調(diào)配數(shù)據(jù)，生成檢測3D模型。也可以由系統(tǒng)隨機(jī)生成，由教師判斷訓(xùn)練操作是否合理，并最終發(fā)布到系統(tǒng)。

2.3.2 考核標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)平臺建立 建立基本的裝備使用數(shù)據(jù)，以及通過3D Scan配合手工建模方式將真實裝備3D模型導(dǎo)入到系統(tǒng)中，由后臺控制其基本屬性，由3D模型構(gòu)成VR中的視覺部分。數(shù)據(jù)平臺包括后臺架構(gòu)、服務(wù)器及客戶端，以區(qū)分教師端和學(xué)員端。由教師在其專用端通過選擇場景、任務(wù)和特定條件等，生成考核任務(wù)，由學(xué)員在VR端進(jìn)行訓(xùn)練，教師進(jìn)行考核結(jié)果評判打分，最終由系統(tǒng)生成考核報告。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)與建設(shè)效能

方艙醫(yī)院VR訓(xùn)練系統(tǒng)由空軍軍醫(yī)大學(xué)與聯(lián)勤保障部隊第九八八醫(yī)院聯(lián)合攻關(guān)研制完成。為實現(xiàn)沉浸式訓(xùn)練過程中的真實感，該系統(tǒng)通過實景測量方艙醫(yī)院全部裝備，針對每個部件細(xì)節(jié)實施單獨建模，建模類型達(dá)千余種，實時處理多邊形達(dá)5億面，視場角度達(dá)110°。系統(tǒng)包括四大訓(xùn)練單元和急救艙、手術(shù)艙、X射線艙、檢驗艙等12個艙室，百余套裝備訓(xùn)練科目，畫面品質(zhì)達(dá)AAA級標(biāo)準(zhǔn)，能夠真實還原90%以上裝備細(xì)節(jié)。關(guān)鍵部位進(jìn)行了交互式設(shè)計，可沉浸式實景重現(xiàn)野戰(zhàn)方艙醫(yī)院的功能和結(jié)構(gòu)(圖2)。

A：系統(tǒng)全景；B：功能界面；C：結(jié)構(gòu)布局；D：艙室裝卸；E：內(nèi)部通道；F：急救方艙。

目前，該訓(xùn)練系統(tǒng)已在空軍軍醫(yī)大學(xué)部分本科生、研究生和任職培訓(xùn)等《軍隊衛(wèi)生裝備》相關(guān)課程和訓(xùn)練任務(wù)中投入使用，2021年入選全軍“為戰(zhàn)抓教”教育訓(xùn)練成果展(實物參展)。在教學(xué)實訓(xùn)中，學(xué)員逐一上手開展實訓(xùn)，青年學(xué)員對于這種新穎的教學(xué)手段表現(xiàn)出濃厚的興趣。課堂反饋和課后問卷調(diào)查結(jié)果表明，學(xué)員均表示對VR形式教學(xué)興趣濃厚，認(rèn)為VR教學(xué)能夠顯著提升大型裝備的學(xué)習(xí)效果。在利用VR進(jìn)行教學(xué)的優(yōu)勢方面的多選題中，學(xué)員普遍選擇身臨其境、互動性好、能夠培養(yǎng)自己的創(chuàng)新精神和意識、能夠引起自己的好奇心和提高學(xué)習(xí)興趣等。

本訓(xùn)練系統(tǒng)基于VR技術(shù)開發(fā)，可開展與方艙醫(yī)院相關(guān)的多任務(wù)裝備和勤務(wù)訓(xùn)練，貼近部隊訓(xùn)練實際，不受大型實裝和訓(xùn)練場地限制，便于全天候開展實訓(xùn)教學(xué)，從而有效提升實戰(zhàn)化和標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)水平，提高學(xué)員的崗位勝任能力。同時，作為虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)未來有望上線，通過高效利用現(xiàn)代數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和信息化等線上教學(xué)方式，可面向軍隊從業(yè)人員實現(xiàn)全員學(xué)習(xí)、開放學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)、終身學(xué)習(xí)的在崗繼續(xù)教育活動，豐富軍事職業(yè)教育平臺資源。