虛擬現(xiàn)實技術仿真與醫(yī)學的關系

1、虛擬現(xiàn)實技術在醫(yī)學中的使用及進展關鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術醫(yī)學隨著計算機技術的飛速發(fā)展，正逐漸顯示其強大的生命力。目前，它和多媒體、網(wǎng)絡技術并成為三大前景最好的計算機技術，在越來越多的領域得到廣泛的使用。一、簡述虛擬現(xiàn)實技術1,1,虛擬現(xiàn)實技術的科學含義虛擬現(xiàn)實(virtualreality,VR)技術是由計算機生成的一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng)。它通過視、聽、觸覺等作用于使用者，使之產生身臨其境的交互視景的仿真。它綜合了計算機圖形、圖像處理和模式識別，智能技術、傳感技術、語言處理和音響技術、網(wǎng)絡技術等多門科學，是現(xiàn)代仿真技術的進一步發(fā)展和使用。使用者借助必要的設備自然地和虛擬環(huán)境中的對象

2、進行交互作用、相互影響，產生身臨其境的感覺和體驗，使人機交互更加自然和諧。2,2,虛擬現(xiàn)實技術的特點多感知性(multi檄sensory)、沉浸感(immersion)、交互性(interactivity)、構想性(imagination)。這些特征使操作者能夠進入一個由計算機生成的交互式三維虛擬環(huán)境中，和之產生互動，進行交流。通過參和者和仿真環(huán)境的相互作用，并借助人本身對所接觸事物的感知和認知能力，啟發(fā)參和者的思維，全方位獲取環(huán)境所蘊含的各種空間信息和邏輯信息。3,3,虛擬現(xiàn)實技術的構成一般的VR系統(tǒng)主要由專業(yè)圖形處理計算機、使用軟件系統(tǒng)、輸入設備和演示設備等組成，即人們可以通過視覺、聽覺、

3、觸覺等信息通道感受到設計者思想的高級用戶界面。硬件平臺：由于虛擬世界本身的復雜性及計算實時性的要求，產生虛擬環(huán)境所需的計算量極為巨大，這對中心計算機的配置提出了極高的要求。目前，國外的VR系統(tǒng)一般配有SGI或SUN工作站1,大型的VR系統(tǒng)，采用的是計算機并行處理系統(tǒng)。當前的研究趨于桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，它價格較低、易于實現(xiàn)同時又能滿足VR的部分特征要求，因而將會得到更為廣泛的使用。軟件系統(tǒng)：軟件系統(tǒng)是實現(xiàn)VR技術使用的關鍵。VR技術在國外的使用比國內早，目前具有代表性的桌面VR技術有：Web3D中的X3D、VRML、Java3D、Cult3DViewpoint、Atmosphere,以及使用于服務

4、器上的SuperscapeVRT、EAISense8WorldToolKit、MPIVega等，它們?yōu)閂R技術在虛擬醫(yī)學系統(tǒng)中使用提供了工且。二、虛擬現(xiàn)實技術在醫(yī)學發(fā)展中研究狀況1、發(fā)展1965年，Sutherland在篇名為的論文中首次提出了包括具有交互圖形顯示、力反饋設備以及聲音提示的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基本思想，從此，人們正式開始了對虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的研究探索歷程。而生命活動又是全世界人命關注的重點，每一種新技術的發(fā)現(xiàn)基本上都會使用到醫(yī)學，所以虛擬現(xiàn)實技術自然而然就應到醫(yī)學的研究中。早在1985年，美國國立醫(yī)學圖書館就開始人體解剖圖像數(shù)字化的研究，并由美國科羅拉多州立醫(yī)學院將一具男性尸體和女性尸體

5、分別做了1mm和0.33mm間距的CT和MR掃描，所得圖像數(shù)據(jù)經(jīng)壓縮后，建立了“可視人”并于1995年出版發(fā)型了CD盤片。學生可以在計算機屏幕上對“可視人”進行冠狀面和矢狀面而對解剖，并可把局部的圖像進行縮放。這一舉措對解剖學的教學來說有著非同一般的意義。德國漢堡大學醫(yī)用數(shù)學和計算機研究所進行的解剖三維可視化研究虛擬人體圖譜，受試者的CT和MRT橫截面映像或者組織學切片起空間模型。學生則可以自由地在三維人體空間進行各種操作。北卡羅來納大學在1992年就開始進行超聲圖像和虛擬現(xiàn)實相結合的研究，把實時的超聲掃描圖像經(jīng)信號變換傳輸?shù)结t(yī)生所戴的頭盔顯示器的，醫(yī)生依賴于頭盔的“看穿”能力。能看到超聲圖像

6、映迭到病人身體上。1995年，在Internet上出現(xiàn)了“虛擬青蛙解剖”?！皩嶒炚摺痹诰W(wǎng)絡上相互交流，發(fā)表自己的見解，甚至可以在屏幕上親自動手進行解剖，用虛擬手術刀一層一層的分離青蛙，觀察它的肌肉和骨骼組織。隨著計算機技術的迅速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術現(xiàn)在已經(jīng)比較成熟的使用和醫(yī)學之中。2 2、使用虛擬現(xiàn)實在醫(yī)療領域的使用主要有：虛擬手術，數(shù)字醫(yī)院，醫(yī)學模擬演示，實訓模擬演示，實訓教學演示，醫(yī)院虛擬仿真系統(tǒng)，虛擬醫(yī)學仿真，虛擬現(xiàn)實技術在醫(yī)學手術仿真訓練等。使用計算機技術（主要是計算機圖形學和虛擬現(xiàn)實）來模擬、指導醫(yī)學手術所涉及的各種過程，在時間段上包括了術前、術中、術后，在實現(xiàn)的目的上有手術計劃制定，

7、手術排練演習，手術教學，手術技能訓練，術中引導手術、術后康復等。生物醫(yī)學仿真使用總括在醫(yī)學教育中廣泛合理地運用實驗教學手段，特別是實施仿真實踐教學，對學生鞏固醫(yī)學基礎理論、掌握基本操作技能、提高獨立操作能力及分析問題和解決問題的能力至關重要是最受歡迎的一種學習培訓方式。 數(shù)虎圖像是利用各種醫(yī)學影像數(shù)據(jù)和虛擬現(xiàn)實技術在計算機中建立一個模擬環(huán)境，醫(yī)生借助虛擬環(huán)境中的信息進行手術計劃、訓練，以及在實際手術過程中引導手術的新興學科。其目的是：使用計算機技術（主要是計算機圖形學和虛擬現(xiàn)實）來模擬、指導醫(yī)學手術所涉及的各種過程，在時間段上包括了術前、術中、術后；在實現(xiàn)的目的上有手術計劃制定，手術排練演習，

8、手術教學，手術技能訓練，術中引導手術、術后康復等。醫(yī)院規(guī)劃視醫(yī)院導診系覺優(yōu)呈現(xiàn)統(tǒng)醫(yī)學三維模型仿真人虛擬解剖虛擬外科手不器械操作方法互動培訓系統(tǒng),醫(yī)療手術虛擬培訓系統(tǒng)（一）虛擬現(xiàn)實技術在醫(yī)學教學中的運用1、輔助病情判斷可以在虛擬人體模型上開展各種無法在真人身上進行的診斷和治療研究，使診斷和治療個性化，最終能夠預測人體對新的治療方法的響應。虛擬技術還能變定性為定量，使醫(yī)院診斷治療達到直觀化、可視化、精確化的效果。例如傳統(tǒng)醫(yī)學診斷主要靠醫(yī)生的學識和經(jīng)驗，但醫(yī)生也有紇不準”的時候，這就會導致誤診。虛擬手術系統(tǒng)將所有人體信息收集儲存在電腦里，診斷前醫(yī)生先將藥物影響數(shù)據(jù)輸入電腦，系統(tǒng)協(xié)助醫(yī)生作出判斷。2、

9、協(xié)助建立手術方案能夠利用圖像技術，幫助醫(yī)生合理、定量的定制手術方案，能夠輔助選擇最佳手術途徑、減少手術損傷、減少對組織損害、提高病灶定位精度，以便執(zhí)行復雜外科手術和提高手術成功率等。虛擬手術系統(tǒng)可以預演手術的整個過程以便事先發(fā)現(xiàn)手術中可能出現(xiàn)的問題，使醫(yī)生能夠依靠術前獲得的醫(yī)學影像信息，建立三維模型，在計算機建立的虛擬環(huán)境中設計手術過程、切口部位、角度，提高手術的成功率。3、手術訓練教學它的原理就是：使用計算機技術（主要是計算機圖形和虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)）來模擬和指導醫(yī)學手術所涉及的各種過程。在時間段上包括了術前、術中、術后；旨在實現(xiàn)手術教學、手術計劃制定、手術排練演習、手術技能訓練、術后康復等模擬使

10、用。其實VR技術在醫(yī)學中的使用是非常有前景的，學員在進行手術學學習的之前，可以通過VR制作的模擬手術系統(tǒng)進行預習，這樣，在進行實際操作的時侯，有的放矢，教學效果相比預習文字描述的步驟要深刻的多，將大大減少失誤造成的實驗動物和標本的浪費。比如，在學習診斷學時，心臟的心音聽診是個難點，這時可以讓學員通過VR系統(tǒng)，在虛擬的病人身上，直接看到心臟內部的結構，將心音的錄音，和心臟實際的工作過程相關聯(lián)，使學員可以以三維的方式，從各個角度，觀看心瓣膜工作狀態(tài)和心音產生的關系，這種學習的直觀程度，即使在真實病人的身上，配合彩色超聲也很難達。臨床上，80%的手術失誤是人為因素引起的，所以手術訓練極其重要。醫(yī)生可

11、在虛擬手術系統(tǒng)上觀察專家手術過程，也可重復練習。虛擬手術使得手術培訓的時間大為縮短，同時減少了對昂貴的實驗對象的需求。由于虛擬手術系統(tǒng)可為操作者提供一個極具真實感和沉浸感的訓練環(huán)境，力反饋繪制算法能夠制造很好的臨場感，所以訓練過程和真實情況幾乎一致，尤其是能夠獲得在實際手術中的手感。計算機還能夠給出一次手術練習的評價。在虛擬環(huán)境中進行手術，不會發(fā)生嚴重的意外，能夠提高醫(yī)生的協(xié)作能力外科醫(yī)生在真正動手術之前，通過虛擬現(xiàn)實技術的幫助，能在顯示器上重復地模擬手術，移動人體內的器官，尋找最佳手術方案并提高熟練度。另外，在遠距離遙控外科手術，復雜手術的計劃安排，手術過程的信息指導，手術后果預測及改善殘疾

12、人生活狀況，乃至新藥研制等方面，虛擬現(xiàn)實技術都能發(fā)揮十分重要的作用。4、保護醫(yī)生和降低培訓費用數(shù)虎圖像虛擬手術系統(tǒng)既可用于教學，也可讓一般大夫進行模擬手術練習。其內容十分簡單，很像一張普通游戲光盤，放入計算機內即可在屏幕上顯示出一個虛擬的手術室及手術的詳細過程，學生或一般大夫可在虛擬手術中反復訓練高難度的操作方法，直至達到完美無缺為止。在虛擬環(huán)境中，可以建立虛擬的人體模型，借助于跟蹤球、HMD、感覺手套，學生可以很容易了解人體內部各器官結構，這比現(xiàn)有的采用教科書的方式要有效得多。Pieper及Satara等研究者在90年代初基于兩個SGI工作站建立了一個虛擬外科手術訓練器，用于腿部及腹部外科手

13、術模擬。這個虛擬的環(huán)境包括虛擬的手術臺和手術燈，虛擬的外科工具（如手術刀、注射器、手術鉗等），虛擬的人體模型和器官等。借助于HMD及感覺手套，使用者可以對虛擬的人體模型進行手術。但該系統(tǒng)有待進一步改進，如需提高環(huán)境的真實感，增加網(wǎng)絡功能，使其能同時培訓多個使用者，或可在外地專家的指導下工作等。另外，在遠距離遙控外科手術，復雜手術的計劃安排，手術過程的信息指導，手術后果預測及改善殘疾人生恬狀況，乃至新型藥物的研制等方面，VR技術都有十分重要的意義。在醫(yī)學院校，學生可在虛擬實驗室中，進行尸體”解剖和各種手術練習。用這項技術，由于不受標本、場地等的限制，所以培訓費用大大降低。一些用于醫(yī)學培訓、實習和

14、研究的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，仿真程度非常高，其優(yōu)越性和效果是不可估量和不可比擬的。例如，導管插入動脈的模擬器，可以使學生反復實踐導管插入動脈時的操作；眼睛手術模擬器，根據(jù)人眼的前眼結構創(chuàng)造出三維立體圖像，并帶有實時的觸覺反饋，學生利用它可以觀察模擬移去晶狀體的全過程，并觀察到眼睛前部結構的血管、虹膜和鞏膜組織及角膜的透明度等。還有麻醉虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、口腔手術模擬器等。（二）虛擬現(xiàn)實技術在藥物研究中的使用美國北卡羅來納大學研制的Grope使用VR技術進行復雜分子合成實驗，研究人員在VR境界中控制藥物分子模型，通過所模擬分子的分子力反饋測試出把該藥物分子安放在其他分子的結合基上的最佳方向，即所謂的分子入位利

15、用計算機生成的分子模型，把所有相關類型的藥物連接在一起，并將其鎖定在病原體上，從而解除病原體的致病能力。藥物設計師戴上三維實體眼鏡，在屏幕上觀察分子結構的立體圖像，使分子間能相互結合，研究人員正在用這種方法研制抗癌藥的合成。（三）虛擬現(xiàn)實技術在康復醫(yī)學中的使用虛擬現(xiàn)實技術已經(jīng)被廣泛使用于康復治療的各個方面：在注意力缺陷、空間感知障礙、記憶障礙等認知康復，焦慮、嶼恐怖等情緒障礙和其他精神疾患的康復，運動不能、平衡協(xié)調性差和舞蹈癥等運動障礙康復等領域都取得了很好的康復療效1O空間感知障礙和運動功能受損患者的康復訓練是康復醫(yī)療的重要內容之一。運動障礙是以運動異常為特征的各種障礙，包括運動不能（運動發(fā)

16、動困難）、震顫、舞蹈癥、扭轉痙攣、斜頸、張力障礙、顫搐、抽動和肌陣攣等癥狀，本文所論述的運動障礙包括所有運動性、觀念性、觀念-運動性和記憶缺失性的，有目標的空間運動能力的喪失。三、虛擬現(xiàn)實技術面臨的挑戰(zhàn)相關研究目前還處于初級階段，而且這種方法目前尚有一些不足，主要體現(xiàn)在缺乏相關治療和評估標準、系統(tǒng)的交互性現(xiàn)實還不是很好、較好的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)外圍設備還較貴，致使大規(guī)模使用還不行。（四）虛擬現(xiàn)實技術在醫(yī)學發(fā)展中的意義（一）虛擬現(xiàn)實技術在醫(yī)學教育中使用的好處:1）在這種模式下，課堂教學不在局限于有形的教室中，教學活動的空間和時間得到了無形擴展?！疤摂M課堂”的實現(xiàn)為學生提供了可移動的電子教學場所，從而改

17、善了教員和學員的互動關系，更好的加深了學員對所學知識內容的認知和理解。2）通過虛擬仿真三維軟件技術建立的人體結構模型，可以使學生通過人機交互對人體模型進行瀏覽，在模型內部“漫游”讓學生非常直觀輕松的學習人體解剖結構。不僅調動了學生的學習興趣，而且將抽象的內容具體化、形象化，給學生留下深刻的記憶，也給教員提供了方便，且大大提高了教學質量。3）虛擬現(xiàn)實技術為教員、學生提供了一個無危險性、成本低的方式，以及和真實世界交互。學員操作模型元素，能改變模型的不同方位直觀的學習。 如在學習人體組肢結構時通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)將學生直接帶到人體內部了解人身體內部復雜的神經(jīng)、 血管各個組肢器官結構；在學習生物知識時，

18、利用虛擬現(xiàn)實技術，向學生展示細胞分裂增值等復雜的生命活動，學習中計算機虛擬仿真技術和細胞結構結合。展示細胞的空間三維性，有機配合高倍顯微鏡的拍攝圖像，較完美的表現(xiàn)細胞的生長增值過程。（二）虛擬現(xiàn)實技術在醫(yī)學治療康復中使用的好處：虛擬現(xiàn)實技術可以提供多種治療場景和刺激，患者在安全的環(huán)境中進行康復治療；VR系統(tǒng)可以根據(jù)患者的實際情況進行治療過程設計，而且同樣的場景和任務可以重復進行；系統(tǒng)可以迅速得到治療效果的反饋信息，通過多種模式的傳感設備得到患者治療時的狀態(tài)和效果，并對數(shù)據(jù)進行存儲，對醫(yī)生掌握患者的病情有一定作用；虛擬現(xiàn)實療法還有利于開展遠程治療，大大方便了患者，增加了受益的范圍；虛擬現(xiàn)實療法還可以減少患者的治療費用。盡管虛擬現(xiàn)實治療法在某些方面取得了令人驚奇的成果，我們可以看到，在不久的將來，虛擬現(xiàn)實治療法會作為一種新興的治療手段出現(xiàn)在我們生活中。（五）虛擬現(xiàn)實技術在醫(yī)學使用中的展望虛擬現(xiàn)實技術研究內容涉及到人工智能、計算機圖形學、智能控制、