手部精细动作虚拟仿真训练系统在防原医学实践教学中的应用

曹 堃，高 福，杨彦勇，万志杰，崔建国，李百龙，陈媛媛

(海军军医大学海军医学系舰船辐射医学防护教研室，上海 200433； △通讯作者)

防原医学是一门研究平战时核武器袭击、核事故等条件下造成电离辐射损伤时，对人员进行诊断、洗消、救治、防护，从而达到预防辐射危害、促进人员健康、保障部队战斗力的一门学科，是军事医学的主干学科[1,2]。实践教学是防原医学教学中的重要组成部分，其主要目的在于培养学员针对不同类别的核伤员进行诊断分类、沾染洗消和救治后送，对学员动手能力、实操流程等方面的培养至关重要[3,4]。随着信息技术的发展及现代高技术局部战争对卫勤保障需求的增加，以信息化为特征的虚拟仿真模拟训练，以其特有的逼真性、高效性和经济性等优势，在防原医学实践教学中广泛使用[3,5]。

然而，在现有的虚拟仿真技术条件下，对手部精细动作的模拟尚存在着诸多短板，如操作手柄技术动作单调、场景互动能力较差、缺乏多人协同操作能力、细节操作考核困难等，限制了实践教学的效果。

为此本教研室积极探索新的教学手段，依托基于惯性动作捕捉技术的数据手套研发了手部精细动作虚拟仿真训练系统，并将之应用于防原医学伤口局部洗消的实践教学，进而提升实践教学的授课质量。本文就手部精细动作虚拟仿真训练系统在防原医学伤口局部洗消实践教学中的应用情况加以探讨。

1 手部精细动作虚拟仿真训练系统的概念和特点

1.1 手部精细动作虚拟仿真训练系统的概念

手部精细动作虚拟仿真训练系统是指依托NOITOM HI5惯性动作捕捉技术，结合VR手套和光学定位追踪器构建的一套虚拟仿真操作系统，可精准捕捉全手精细动作，以更细致和沉浸的方式使用户实现实时自然的VR交互。手部精细动作虚拟仿真训练系统应用于教学实践能够顺利解决传统虚拟仿真手柄的操作限制，在完美模拟每根手指精细动作的同时，提供精准的力学反馈。同时，该系统具备较好的抗同频干扰能力，能够保证多名用户配合进行伤口局部洗消操作，提高了学员的配合程度和学习兴趣。

1.2 手部精细动作虚拟仿真训练系统的优点

近年来，虚拟仿真以其特有的逼真性、高效性等优势，已在实践教学领域快速兴起并广泛应用，手部精细动作虚拟仿真训练系统是在其基础上的改进和补充。与传统的虚拟仿真训练系统相比，手部精细动作虚拟仿真训练系统在操作的精细度、场景互动性及多人协同性上都具有巨大的进步。

1.2.1 精准模拟手部操作细节 传统的虚拟仿真系统配备的操作手柄多采用一元化设计，仅具备单一的技术动作，即“拿起-放下”等简单操作，对于手部的角度、力度、各手指的精细动作无法进行真实有效的模拟，无法对精细的手部操作如清创、缝合、洗消等技术动作进行有效训练，效果较差。本系统配备5副基于NOITOM HI5技术的VR手套，每只手套中均配备了7颗9轴高性能惯性传感器，可达到低于5 ms的延迟，能够精准捕捉全手动作。在实践操作中，本系统能够对操作者的手指动作如持握、按压、倾斜等进行全维模拟，能够对伤口局部洗消时的洗消顺序、缝合细节、伤口包扎等操作进行真实模拟。

1.2.2 更加细腻的触觉反馈 传统操作手柄多为持握式，仅具备一个震动马达，操作者与虚拟场景的互动多使用简单的震动体现，较为单调。本系统全部操作均依托VR手套进行，其内置的数个震动马达，分布于手套各处，依据手套与虚拟场景的互动位置震动相应的马达，可以提供更加细腻的触觉反馈，更有利于操作者与虚拟仿真场景的互动，实现实时、自然的VR交互体验。

1.2.3 能够实现多人协同操作 现有的虚拟仿真训练系统易受同频干扰，故仅配备单副手柄，采用学员依次操作的模式进行。该模式难以保证多人协同操作场景，且耗时较长，影响了实践教学的开展效率。本系统具有较好的抗同频干扰能力，能够保证5副数据手套同时应用于同一虚拟场景，实现了多人协作的核应急救援训练的顺利开展。

2 手部精细动作虚拟仿真训练系统在伤口局部洗消实践教学中的应用

2.1 防原医学伤口局部洗消实践教学的特点

防原医学核应急救援实践教学是为了适应新形势下军事医学人才培养而开设的一项实践教学内容。经过本教研室多年的建设和发展，本实践教学已经构建完善了虚实结合的实践教学方法[6,7]。“虚”指的是依托本单位的虚拟仿真训练中心，让学员对于核应急医学救援的各个过程进行实际操作，在操作中学习相关的救治技能。“实”指的是依托我室牵头的三防医学救援队，组织学员开展三防医学综合演练，让学员在实际演练中熟悉救援开展的全套流程及各类装备。根据我军核应急救援规范化流程，核辐射事故医学救援按功能组室分为侦检组、检伤分类组、洗消组、急救组、内污染组、后送组和指挥组[8]，其中洗消组的主要职责是对放射性沾染伤员进行彻底洗消，特别是对放射性核素沾染的开放性伤口进行洗消，是核应急救援中发挥重要职能的组室[9]。伤口局部洗消是核应急救援中洗消组工作的重要组成部分，其高效、精准的运行对整个救援流程至关重要，该内容的实践教学也有自身特点。

2.1.1 强调分类处置 伤员进入洗消组时，已经完成检伤分类组对其进行的START伤情分类，为明确的放射性沾染人员。洗消组人员应首先依据放射性沾染情况、伤口的流血速度、开放面积等判断局部伤口的严重程度，对其进行分类处置；对危及生命者应先进行止血、包扎等紧急处理，后进行洗消；对洗消组无法处理的严重危及伤员生命的，应立刻转运至急救组。

2.1.2 注重流程规范 由于核应急医学救援的特殊性，其放射性沾染伤口处理环节不能照搬我军普通战伤处理程序。放射性沾染伤口的局部洗消，需要严格遵循规范的洗消流程，即检测-洗消-复检。具体来说，就是对于放射性沾染的局部伤口，洗消组人员应首先使用Como170表面沾染检测仪等对伤口的沾染程度进行检测，再对沾染的伤口进行彻底洗消，之后处理伤口，在上述操作完成之后，再次使用Como170表面沾染检测仪对伤口的洗消效果进行复检，合格后转运伤员至辐射评价组。

2.1.3 强调多人协同 放射性沾染伤口的洗消是一项需要多人密切配合的工作。依据伤员伤情轻重的不同，洗消组人员分别需要3-5人进行分工配合，分别承担伤员衣物去除及封存、放射性检测、伤口洗消、伤口清创缝合及包扎、放射性复检、伤员转运等工作。实践教学中，学员在同一虚拟场景中同时开展上述工作，能够更加贴近战场救治的真实环境，促进学员间的密切配合，加深对伤口局部洗消流程的理解。

2.2 手部精细动作虚拟仿真训练系统在伤口局部洗消实践教学中的应用

针对传统虚拟仿真实践教学中存在的操作手柄技术动作单调、场景互动能力较差、缺乏多人协同操作能力、细节操作考核困难等问题，本教研室与公司合作开发了一套基于NOITOM HI5技术VR手套的手部精细动作虚拟仿真训练系统，并将之应用于沾染伤口局部洗消的实践教学。本系统支持最多5名学员同时上机，通过佩戴虚拟仿真头盔获得沉浸式的虚拟交互界面，同时利用VR手套与之进行互动。每名学员依据分工不同分处不同操作岗位，依据系统的操作提示进行操作训练。根据学员操作细节，系统会给予相应的评分并及时反馈。整个操作系统包含伤口局部洗消操作流程和训练效果评估体系两部分内容。

2.2.1 手部精细动作虚拟仿真训练系统操作流程 根据核应急救援现场放射性沾染伤员的处置要求，本系统按照救治流程中分工的不同设置了如下工作角色：①学员依据START分类判断伤情，确定伤员需要紧急救治还是优先进入洗消流程，若为需要紧急救治则需要填写伤情卡并转运伤员至急救组，若为进入洗消流程则需要协助伤员去除沾染衣物并封存；②学员使用Como170对伤员沾染伤口进行放射性检测，填报伤口放射剂量，同时筛查伤员体表是否存在其他部位的放射性沾染；③学员依据伤口类别和部位，对伤口进行局部洗消，之后对体表其他沾染部位进行局部洗消；④学员使用Como170对伤员洗消后伤口进行放射性复检，判断洗消效果，对洗消效果合格的伤员送入下一流程，对洗消效果不合格的伤员送还再次洗消；⑤学员对伤口类别和严重程度进行判断，对需要及时处理的伤口进行清创、缝合并给予包扎，之后送入辐射评价组。5名参训学员可自行选择角色和分工，并在完成本部分工作后可随时对角色进行切换。

操作流程主要包括教学模块和训练模块。在教学模块中，受训学员会通过虚拟仿真头盔观看一段3D全流程的操作讲解，同时跟随系统的引导进行相应的救治操作。通过3D教学视频，学员能够直观、立体地学习局部洗消及相关仪器设备操作的全流程。在训练模块中，系统会随机从伤情库中抽取数名伤员，依次进入洗消组，受训学员依据救治流程，对伤员进行伤情判断、救治及后送。在每一名伤员救治完成并送入下一阶段后，下一名伤员即刻进入，确保全流程的紧凑和高效运转。

2.2.2 训练效果评估体系 本系统构建有个人训练档案库及训练效果评估模块。在每一名学员登录系统时，需要键入其学号作为登录名，系统同步构建同名文件夹作为专属个人训练档案库，记录该学员每次训练成绩并进行训练效果评估。在每一名学员训练完成后，系统会给出该次训练的总体评分与专项评分，指出训练中的失误之处并给出改进建议，同时使用量化折线图体现该学员近5次的训练得分，使学员每次训练的进步都取得及时反馈。

训练效果评估模块用于评价学员的训练效果，同时也应用于学员的结业考核。系统针对每一名工作角色，设定相应的采分点，并对学员担任的每一名工作角色单独计分。根据伤口局部洗消各个环节的技术要点，每一名工作角色的具体采分点如下：①判断入组伤员伤情及处置方法，正确填写伤情卡，转运伤员至正确流程，迅速去除伤员衣物并正确封存；②Como170使用方法正确，体表放射性检测方法正确，伤口放射性剂量填报正确，体表其他部位放射性沾染检测无遗漏；③放射性沾染伤口洗消方法正确，体表其他部位沾染洗消无遗漏；④Como170使用方法正确，判断洗消效果正确，转运伤员至正确流程；⑤判断开放伤口的处置方式，伤口清创方法正确，伤口缝合方法正确，伤口包扎方法正确，转运伤员至正确流程。对于判断类采分点，教员采用“一票否决”式评分，若判断错误则训练结果为不合格。对于其他采分点，教员依据其重要性分别赋予不同权重，对学员操作进行综合评分。

3 手部精细动作虚拟仿真训练系统应用的思考与展望

手部精细动作虚拟仿真训练系统的应用，是在防原医学传统虚拟仿真实践教学技术的基础上，依托新兴的软硬件技术，进行的一次创新性的尝试。该系统在伤口局部洗消实践教学中的应用，突破了传统虚拟仿真实践课程手柄技术动作单调、场景互动能力较差、缺乏多人协同操作能力、细节操作考核困难等局限，在实践课程的训练效果上有了较为明显的提高。相比于传统虚拟仿真技术，手部精细动作虚拟仿真训练系统的突出优点如下：①实现了对手部角度、力度、各手指精细动作的真实、有效的模拟，能够对精细的手部操作如清创、缝合、洗消等技术动作进行有效训练，这也是本系统最大的创新之处；②实现了多人协同操作，多至5名学员同时参训，可加深学员对伤口局部洗消操作流程的深入理解，提高了学员的配合程度和学习兴趣；③对伤口局部洗消过程中的细节操作进行了细化，实现了对细节操作的量化评分，并智能化地给出下一步的训练改进意见，这也是对传统虚拟仿真实践操作考核方式的一次重要突破。

但是，依据教员在使用该系统授课过程中的反思和学员的意见反馈，我们也发现了手部精细动作虚拟仿真训练系统在应用中仍然存在着诸多不足：①伤情库仍然不够丰富。现阶段，我们依托原有的放射性伤员伤情库，选取了其中具有代表性的20例伤情入库，并对放射性沾染的伤口细节进行了丰富。然而实际应用中发现，伤情重复的概率较高，重复出现的伤情会显著降低参训学员的训练热情。教员在未来应继续丰富伤情库，使其更加贴近核袭击或核事故时真实的伤员情况。②系统应用可扩展到核应急医学救援全流程。手部精细动作虚拟仿真训练系统目前仅应用于伤口局部洗消环节，并未扩展到核应急医学救援的全流程。在实际训练中，侦检组、检伤分类组等并不需要对手部精细动作进行模拟，然而该系统可在改进后运用于急救组，应能够提高学员的训练兴趣和训练效果。③系统缺乏配套线上课程。本教研室已有的虚拟仿真训练课程均配有配套的线上课程，供学员自行学习。然而本系统未制作相应课程，学员只能在虚拟仿真训练中心进行训练，具有一定的局限性，应在之后予以补充。

虚拟仿真技术方兴未艾，一经问世就受到世界的追捧，且越来越多地应用于各类实践教学之中，其“亲身体验”的感受方式能够显著提高实践教学的授课效果。随着社会信息化的不断进步以及软硬件技术的快速发展，我们有理由乐观地对其未来的发展趋势进行展望：①随着虚拟仿真硬件技术的不断发展，我们相信未来会有更多的硬件平台如虚拟仿真背心、便携式移动平台等应用于防原医学的实践课程，要勇于探索和尝试；②相比虚拟仿真技术，更加新兴、更具颠覆性的技术手段有望带来新的突破，如增强现实技术、元宇宙等，要敏锐地关注它们的发展，思考它们能够为教学带来的突破；③该类实践课程的使用范围有望取得突破，不再局限于学历教育，进一步面向实战实训，在任职教育、部队指战员培训等方面大放异彩。