虛擬現(xiàn)實技術(shù)仿真與醫(yī)學(xué)的關(guān)系

1、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的使用及進展關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術(shù)醫(yī)學(xué)隨著計算機技術(shù)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(luò)技術(shù)并成為三大前景最好的計算機技術(shù)，在越來越多的領(lǐng)域得到廣泛的使用。一、簡述虛擬現(xiàn)實技術(shù)1,1,虛擬現(xiàn)實技術(shù)的科學(xué)含義虛擬現(xiàn)實(virtualreality,VR)技術(shù)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(chǎn)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(shù)、傳感技術(shù)、語言處理和音響技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多門科學(xué)，是現(xiàn)代仿真技術(shù)的進一步發(fā)展和使用。使用者借助必要的設(shè)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(chǎn)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(shù)的特點多感知性(multi檄sensory)、沉浸感(immersion)、交互性(interactivity)、構(gòu)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(chǎn)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(shù)的構(gòu)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(shè)備和演示設(shè)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(shè)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(fù)雜性及計算實時性的要求，產(chǎn)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(dāng)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(shù)使用的關(guān)鍵。VR技術(shù)在國外的使用比國內(nèi)早，目前具有代表性的桌面VR技術(shù)有：Web3D中的X3D、VRML、Java3D、Cult3DViewpoint、Atmosphere,以及使用于服務(wù)

4、器上的SuperscapeVRT、EAISense8WorldToolKit、MPIVega等，它們?yōu)閂R技術(shù)在虛擬醫(yī)學(xué)系統(tǒng)中使用提供了工且。二、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學(xué)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(shè)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(guān)注的重點，每一種新技術(shù)的發(fā)現(xiàn)基本上都會使用到醫(yī)學(xué)，所以虛擬現(xiàn)實技術(shù)自然而然就應(yīng)到醫(yī)學(xué)的研究中。早在1985年，美國國立醫(yī)學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)的教學(xué)來說有著非同一般的意義。德國漢堡大學(xué)醫(yī)用數(shù)學(xué)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(xué)切片起空間模型。學(xué)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(xué)在1992年就開始進行超聲圖像和虛擬現(xiàn)實相結(jié)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(luò)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(shù)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(shù)的迅速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)比較成熟的使用和醫(yī)學(xué)之中。2 2、使用虛擬現(xiàn)實在醫(yī)療領(lǐng)域的使用主要有：虛擬手術(shù)，數(shù)字醫(yī)院，醫(yī)學(xué)模擬演示，實訓(xùn)模擬演示，實訓(xùn)教學(xué)演示，醫(yī)院虛擬仿真系統(tǒng)，虛擬醫(yī)學(xué)仿真，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學(xué)手術(shù)仿真訓(xùn)練等。使用計算機技術(shù)（主要是計算機圖形學(xué)和虛擬現(xiàn)實）來模擬、指導(dǎo)醫(yī)學(xué)手術(shù)所涉及的各種過程，在時間段上包括了術(shù)前、術(shù)中、術(shù)后，在實現(xiàn)的目的上有手術(shù)計劃制定，

7、手術(shù)排練演習(xí)，手術(shù)教學(xué)，手術(shù)技能訓(xùn)練，術(shù)中引導(dǎo)手術(shù)、術(shù)后康復(fù)等。生物醫(yī)學(xué)仿真使用總括在醫(yī)學(xué)教育中廣泛合理地運用實驗教學(xué)手段，特別是實施仿真實踐教學(xué)，對學(xué)生鞏固醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)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(guān)重要是最受歡迎的一種學(xué)習(xí)培訓(xùn)方式。 數(shù)虎圖像是利用各種醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)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(shù)計劃、訓(xùn)練，以及在實際手術(shù)過程中引導(dǎo)手術(shù)的新興學(xué)科。其目的是：使用計算機技術(shù)（主要是計算機圖形學(xué)和虛擬現(xiàn)實）來模擬、指導(dǎo)醫(yī)學(xué)手術(shù)所涉及的各種過程，在時間段上包括了術(shù)前、術(shù)中、術(shù)后；在實現(xiàn)的目的上有手術(shù)計劃制定，手術(shù)排練演習(xí)，

8、手術(shù)教學(xué)，手術(shù)技能訓(xùn)練，術(shù)中引導(dǎo)手術(shù)、術(shù)后康復(fù)等。醫(yī)院規(guī)劃視醫(yī)院導(dǎo)診系覺優(yōu)呈現(xiàn)統(tǒng)醫(yī)學(xué)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(xùn)系統(tǒng),醫(yī)療手術(shù)虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)（一）虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學(xué)教學(xué)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(yù)測人體對新的治療方法的響應(yīng)。虛擬技術(shù)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(xué)診斷主要靠醫(yī)生的學(xué)識和經(jīng)驗，但醫(yī)生也有紇不準(zhǔn)”的時候，這就會導(dǎo)致誤診。虛擬手術(shù)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(shù)方案能夠利用圖像技術(shù)，幫助醫(yī)生合理、定量的定制手術(shù)方案，能夠輔助選擇最佳手術(shù)途徑、減少手術(shù)損傷、減少對組織損害、提高病灶定位精度，以便執(zhí)行復(fù)雜外科手術(shù)和提高手術(shù)成功率等。虛擬手術(shù)系統(tǒng)可以預(yù)演手術(shù)的整個過程以便事先發(fā)現(xiàn)手術(shù)中可能出現(xiàn)的問題，使醫(yī)生能夠依靠術(shù)前獲得的醫(yī)學(xué)影像信息，建立三維模型，在計算機建立的虛擬環(huán)境中設(shè)計手術(shù)過程、切口部位、角度，提高手術(shù)的成功率。3、手術(shù)訓(xùn)練教學(xué)它的原理就是：使用計算機技術(shù)（主要是計算機圖形和虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)）來模擬和指導(dǎo)醫(yī)學(xué)手術(shù)所涉及的各種過程。在時間段上包括了術(shù)前、術(shù)中、術(shù)后；旨在實現(xiàn)手術(shù)教學(xué)、手術(shù)計劃制定、手術(shù)排練演習(xí)、手術(shù)技能訓(xùn)練、術(shù)后康復(fù)等模擬使

10、用。其實VR技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的使用是非常有前景的，學(xué)員在進行手術(shù)學(xué)學(xué)習(xí)的之前，可以通過VR制作的模擬手術(shù)系統(tǒng)進行預(yù)習(xí)，這樣，在進行實際操作的時侯，有的放矢，教學(xué)效果相比預(yù)習(xí)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(biāo)本的浪費。比如，在學(xué)習(xí)診斷學(xué)時，心臟的心音聽診是個難點，這時可以讓學(xué)員通過VR系統(tǒng)，在虛擬的病人身上，直接看到心臟內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，將心音的錄音，和心臟實際的工作過程相關(guān)聯(lián)，使學(xué)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(chǎn)生的關(guān)系，這種學(xué)習(xí)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(shù)失誤是人為因素引起的，所以手術(shù)訓(xùn)練極其重要。醫(yī)生可

11、在虛擬手術(shù)系統(tǒng)上觀察專家手術(shù)過程，也可重復(fù)練習(xí)。虛擬手術(shù)使得手術(shù)培訓(xùn)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(shù)系統(tǒng)可為操作者提供一個極具真實感和沉浸感的訓(xùn)練環(huán)境，力反饋繪制算法能夠制造很好的臨場感，所以訓(xùn)練過程和真實情況幾乎一致，尤其是能夠獲得在實際手術(shù)中的手感。計算機還能夠給出一次手術(shù)練習(xí)的評價。在虛擬環(huán)境中進行手術(shù)，不會發(fā)生嚴(yán)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(shù)之前，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)的幫助，能在顯示器上重復(fù)地模擬手術(shù)，移動人體內(nèi)的器官，尋找最佳手術(shù)方案并提高熟練度。另外，在遠距離遙控外科手術(shù)，復(fù)雜手術(shù)的計劃安排，手術(shù)過程的信息指導(dǎo)，手術(shù)后果預(yù)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(shù)都能發(fā)揮十分重要的作用。4、保護醫(yī)生和降低培訓(xùn)費用數(shù)虎圖像虛擬手術(shù)系統(tǒng)既可用于教學(xué)，也可讓一般大夫進行模擬手術(shù)練習(xí)。其內(nèi)容十分簡單，很像一張普通游戲光盤，放入計算機內(nèi)即可在屏幕上顯示出一個虛擬的手術(shù)室及手術(shù)的詳細過程，學(xué)生或一般大夫可在虛擬手術(shù)中反復(fù)訓(xùn)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(xué)生可以很容易了解人體內(nèi)部各器官結(jié)構(gòu)，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(shù)訓(xùn)練器，用于腿部及腹部外科手

13、術(shù)模擬。這個虛擬的環(huán)境包括虛擬的手術(shù)臺和手術(shù)燈，虛擬的外科工具（如手術(shù)刀、注射器、手術(shù)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(shù)。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(luò)功能，使其能同時培訓(xùn)多個使用者，或可在外地專家的指導(dǎo)下工作等。另外，在遠距離遙控外科手術(shù)，復(fù)雜手術(shù)的計劃安排，手術(shù)過程的信息指導(dǎo)，手術(shù)后果預(yù)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(shù)都有十分重要的意義。在醫(yī)學(xué)院校，學(xué)生可在虛擬實驗室中，進行尸體”解剖和各種手術(shù)練習(xí)。用這項技術(shù)，由于不受標(biāo)本、場地等的限制，所以培訓(xùn)費用大大降低。一些用于醫(yī)學(xué)培訓(xùn)、實習(xí)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(dǎo)管插入動脈的模擬器，可以使學(xué)生反復(fù)實踐導(dǎo)管插入動脈時的操作；眼睛手術(shù)模擬器，根據(jù)人眼的前眼結(jié)構(gòu)創(chuàng)造出三維立體圖像，并帶有實時的觸覺反饋，學(xué)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(jié)構(gòu)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(shù)模擬器等。（二）虛擬現(xiàn)實技術(shù)在藥物研究中的使用美國北卡羅來納大學(xué)研制的Grope使用VR技術(shù)進行復(fù)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(jié)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(guān)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(shè)計師戴上三維實體眼鏡，在屏幕上觀察分子結(jié)構(gòu)的立體圖像，使分子間能相互結(jié)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(shù)在康復(fù)醫(yī)學(xué)中的使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)被廣泛使用于康復(fù)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(fù)，焦慮、嶼恐怖等情緒障礙和其他精神疾患的康復(fù)，運動不能、平衡協(xié)調(diào)性差和舞蹈癥等運動障礙康復(fù)等領(lǐng)域都取得了很好的康復(fù)療效1O空間感知障礙和運動功能受損患者的康復(fù)訓(xùn)練是康復(fù)醫(yī)療的重要內(nèi)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(zhuǎn)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(biāo)的空間運動能力的喪失。三、虛擬現(xiàn)實技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)相關(guān)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(guān)治療和評估標(biāo)準(zhǔn)、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(shè)備還較貴，致使大規(guī)模使用還不行。（四）虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學(xué)發(fā)展中的意義（一）虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育中使用的好處:1）在這種模式下，課堂教學(xué)不在局限于有形的教室中，教學(xué)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(xué)生提供了可移動的電子教學(xué)場所，從而改

17、善了教員和學(xué)員的互動關(guān)系，更好的加深了學(xué)員對所學(xué)知識內(nèi)容的認知和理解。2）通過虛擬仿真三維軟件技術(shù)建立的人體結(jié)構(gòu)模型，可以使學(xué)生通過人機交互對人體模型進行瀏覽，在模型內(nèi)部“漫游”讓學(xué)生非常直觀輕松的學(xué)習(xí)人體解剖結(jié)構(gòu)。不僅調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且將抽象的內(nèi)容具體化、形象化，給學(xué)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(xué)質(zhì)量。3）虛擬現(xiàn)實技術(shù)為教員、學(xué)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(xué)員操作模型元素，能改變模型的不同方位直觀的學(xué)習(xí)。 如在學(xué)習(xí)人體組肢結(jié)構(gòu)時通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)將學(xué)生直接帶到人體內(nèi)部了解人身體內(nèi)部復(fù)雜的神經(jīng)、 血管各個組肢器官結(jié)構(gòu)；在學(xué)習(xí)生物知識時，

18、利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，向?qū)W生展示細胞分裂增值等復(fù)雜的生命活動，學(xué)習(xí)中計算機虛擬仿真技術(shù)和細胞結(jié)構(gòu)結(jié)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(shù)在醫(yī)學(xué)治療康復(fù)中使用的好處：虛擬現(xiàn)實技術(shù)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(fù)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(shè)計，而且同樣的場景和任務(wù)可以重復(fù)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(shè)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(shù)在醫(yī)學(xué)使用中的展望虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究內(nèi)容涉及到人工智能、計算機圖形學(xué)、智能控制、