虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用分享

1、真誠為您提供優(yōu)質(zhì)參考資料，若有不當(dāng)之處，請(qǐng)指正。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用陸想想1（SX1203225）（1. 南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化院生物醫(yī)學(xué)工程系，南京市，210016）摘要：虛擬現(xiàn)實(shí)是一種由計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助生成的高技術(shù)模擬系統(tǒng)，綜合集成了計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、人工智能、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)并行處理等技術(shù)。本文簡要介紹虛擬人體、虛擬手術(shù)、虛擬實(shí)驗(yàn)室以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在神經(jīng)心理學(xué)與核醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，可以預(yù)期，在未來幾年虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將會(huì)成為數(shù)字醫(yī)學(xué)最主要的應(yīng)用工具之一。關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；生物醫(yī)學(xué)；數(shù)字人；虛擬手術(shù)； Application of Vi

2、rtual Reality Technique in Biomedical FieldLu Xiangxiang1(1. Department of biomedical engineering， Nanjing University of Aeronautics Astronautics， Nanjing， 210016， China) Abstract：Virtual reality is a high-tech simulation system, comprehensive integration of computer graphics technology, computer si

3、mulation technology, artificial intelligence, sensor technology, display technology, and network parallel processing technologies. This paper is to briefly introduce simulated human body, operation, laboratory and virtual reality technology applied in neuropsychology and nuclear medicine. In the fut

4、ure, with the further development of computer technology, virtual reality technology will become the most important application of digital medical tools.Key words：Virtual Reality, biomedical , digital human, virtual surgery;引言虛擬現(xiàn)實(shí)也稱靈境技術(shù)或人工環(huán)境，它是一種由計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助生成的高技術(shù)模擬系統(tǒng)，綜合集成了計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、人工智能、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)

5、、網(wǎng)絡(luò)并行處理等技術(shù)1。虛擬現(xiàn)實(shí)旨在利用計(jì)算機(jī)生成關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬的人為虛擬的環(huán)境，讓使用者有如身歷其境一般，并能與之“交互”。它最早源于美國軍方的作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)，20世紀(jì)90年代初逐漸為各界所關(guān)注并在各領(lǐng)域得到進(jìn)一步的發(fā)展2。近年來，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究的發(fā)展與深入，其應(yīng)用也在逐漸擴(kuò)大，在城市規(guī)劃、能源勘測、工業(yè)仿真、古跡復(fù)原、建筑虛擬、交通橋梁、港口物流、旅游仿真、虛擬課堂、園林應(yīng)用、軍事仿真等方面都有廣泛的應(yīng)用。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，虛擬人、虛擬手術(shù)等方面的研究也十分活躍3-5。本文對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用做一概括性介紹。一、虛擬現(xiàn)實(shí)簡介 虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Re

6、ality，簡稱VR)是近年來出現(xiàn)的高新技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)是利用電腦模擬產(chǎn)生一個(gè)三維空間的虛擬世界，提供使用者關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身歷其境一般，可以及時(shí)、沒有限制地觀察三度空間內(nèi)的事物。概括地說，虛擬現(xiàn)實(shí)是人們通過計(jì)算機(jī)對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化操作與交互的一種全新方式，與傳統(tǒng)的人機(jī)界面以及流行的視窗操作相比，虛擬現(xiàn)實(shí)在技術(shù)思想上有了質(zhì)的飛躍。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)分為桌面級(jí)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、沉浸式的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)性的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)及分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。根據(jù)目前虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要由4部分組成6，見圖1。圖1 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的組成二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

7、2.1 數(shù)字人數(shù)字人是生命科學(xué)與信息科學(xué)的結(jié)合的一個(gè)新的研究領(lǐng)域，即通過信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)，將人體結(jié)構(gòu)數(shù)字化，經(jīng)過三維重建和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的處理，得到可以看的見的、能夠調(diào)控的虛擬仿真人體模型。美國科學(xué)家聯(lián)盟于2001年將人類基因組計(jì)劃、可視人計(jì)劃、虛擬人計(jì)劃、人類腦計(jì)劃概括綜合為“數(shù)字人計(jì)劃”，F(xiàn)AS發(fā)起的數(shù)字人體聯(lián)盟提出在約10年內(nèi)，以10億美元以上的投入，實(shí)現(xiàn)人體從DNA、蛋白質(zhì)、細(xì)胞、組織、器官、系統(tǒng)以及整體生命過程的精確模擬。中國也于2001-11在北京召開的第174次“香山科學(xué)會(huì)議”，以“中國數(shù)字化虛擬人體的科技問題”為主題，并提出中國數(shù)字化虛擬人體研究的規(guī)劃和建議。會(huì)后,解放軍第一

8、軍醫(yī)大學(xué)(現(xiàn)南方醫(yī)科大學(xué))和第三軍醫(yī)大學(xué)，先后于2002-08、2003-02以冷凍銑削方法完成了中國首例男、女?dāng)?shù)字化可視人體數(shù)據(jù)集的采集7。數(shù)字人研究可概括的劃分為4個(gè)階段：數(shù)字化可視人、數(shù)字化物理人、數(shù)字化生理人、數(shù)字化智能人。目前，國際上的研究已經(jīng)從物理人階段步入了生理人階段，而中國主要處于可視人這一基礎(chǔ)研究階段。2006年上海交通大學(xué)生命質(zhì)量與機(jī)械工程研究所申報(bào)的“中國力學(xué)虛擬人”項(xiàng)目，是國家自然科學(xué)基金批準(zhǔn)立項(xiàng)的重點(diǎn)項(xiàng)目。該項(xiàng)目先后與歐洲力學(xué)虛擬人、韓國力學(xué)虛擬人合作，組建成立了國際力學(xué)虛擬人平臺(tái)，并首先啟動(dòng)了由中國、英國、瑞典和瑞士四國生物力學(xué)家參加的力學(xué)虛擬人足合作計(jì)劃，由歐洲提

9、供技術(shù)，在中國建立足部生物力學(xué)仿真試驗(yàn)臺(tái)。此項(xiàng)目為期4年，預(yù)計(jì)2010年即可初步建立一個(gè)可為全球用戶提供服務(wù)的力學(xué)虛擬人系統(tǒng)8。2.2 虛擬手術(shù)系統(tǒng)虛擬手術(shù)的概念最早提出于1989年，即利用計(jì)算機(jī)技術(shù)來模擬、指導(dǎo)醫(yī)學(xué)手術(shù)所涉及的各種過程，在時(shí)間段上包括了術(shù)前、術(shù)中、術(shù)后；在實(shí)現(xiàn)目的上有手術(shù)計(jì)劃制定，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)、遠(yuǎn)程手術(shù)、術(shù)后康復(fù)等9-10。2.2.1 醫(yī)學(xué)診斷傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)診斷主要靠醫(yī)生的學(xué)識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，但醫(yī)生也有“吃不準(zhǔn)”的時(shí)候，這就會(huì)導(dǎo)致誤診。虛擬手術(shù)系統(tǒng)將人體信息收集儲(chǔ)存在電腦里利用虛擬內(nèi)窺鏡、虛擬活檢等檢查診斷措施，降低了檢查的危險(xiǎn)性和醫(yī)療成本。診斷前，醫(yī)

10、生也可先將藥物影響數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)即可協(xié)助醫(yī)生做出判斷，使醫(yī)院診斷達(dá)到直觀化、可視化、精確化的效果。2.2.2 手術(shù)過程以顯微手術(shù)為例，利用虛擬手術(shù)系統(tǒng)做顯微外科手術(shù)時(shí)，可將手術(shù)部位放大，醫(yī)生即可按照放大后的常規(guī)手術(shù)動(dòng)作幅度操作，與此同時(shí)，虛擬手術(shù)系統(tǒng)又把醫(yī)生的這種常規(guī)幅度的手術(shù)動(dòng)作縮小為顯微手術(shù)機(jī)械手的細(xì)微動(dòng)作，從而明顯地降低了顯微外科的難度。2.2.3 遠(yuǎn)程手術(shù)利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過遠(yuǎn)程控制操作設(shè)備與遠(yuǎn)距離醫(yī)院建立起遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)，醫(yī)生只需對(duì)虛擬患者進(jìn)行手術(shù)，并通過因特網(wǎng)將其動(dòng)作傳遞到遠(yuǎn)端的手術(shù)機(jī)器人，由機(jī)器人對(duì)患者進(jìn)行手術(shù)。日本研制出的遠(yuǎn)程控制血管縫合機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了直徑1mm血管的遠(yuǎn)程

11、操作縫合手術(shù)。2003年，解放軍海軍總醫(yī)院神經(jīng)外科中心與沈陽醫(yī)學(xué)院附屬中心醫(yī)院聯(lián)合完成了遠(yuǎn)程遙控機(jī)器人立體定向神經(jīng)外科手術(shù)。2.2.4 手術(shù)訓(xùn)練及教學(xué)虛擬手術(shù)系統(tǒng)還可應(yīng)用于手術(shù)訓(xùn)練及教學(xué)，臨床上大多數(shù)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。以往在患者身上積累開刀經(jīng)驗(yàn)“練手藝”的過程，現(xiàn)在可通過虛擬手術(shù)系統(tǒng)觀察學(xué)習(xí)專家手術(shù)過程，在數(shù)字人身上反復(fù)進(jìn)行演練、學(xué)習(xí)，避免不必要的醫(yī)療事故與損傷。虛擬手術(shù)系統(tǒng)可為操作者提供一個(gè)極具真實(shí)感和沉浸感的訓(xùn)練環(huán)境，還能夠給出一次手術(shù)練習(xí)的評(píng)價(jià)。2.3 康復(fù)系統(tǒng)腦損傷的患者97%有精神或軀體方面的缺失，其中1/3有身體方面的殘疾，2/3有認(rèn)知障礙。認(rèn)知功能

12、障礙是腦缺損后最常見、而又多被醫(yī)師和患者所忽略的后遺癥之一。美國利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研制出了針對(duì)不同認(rèn)知功能障礙的多種專門化虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)?！胞W鵡軟件”軟件始創(chuàng)于1981年，至今已經(jīng)發(fā)展出150多種訓(xùn)練項(xiàng)目，并被翻譯成5種不同的語言，一些頂尖級(jí)的康復(fù)中心都在使用。該軟件有70多個(gè)項(xiàng)目可通過互聯(lián)網(wǎng)操作，并受到病理學(xué)家、治療師和神經(jīng)心理學(xué)家的監(jiān)控，可為遭受中風(fēng)與腦缺損之苦的人群解決其言語、認(rèn)知、語言、注意力和記憶缺失等問題11。腦損傷患者往往也有運(yùn)動(dòng)功能障礙后遺癥。運(yùn)動(dòng)障礙主要指自主運(yùn)動(dòng)的能力發(fā)生障礙，動(dòng)作不連貫、不能完成，或完全不能隨意運(yùn)動(dòng)?？祻?fù)機(jī)器人經(jīng)常被應(yīng)用于四肢，特別是下肢的康復(fù)訓(xùn)練中。在主動(dòng)康

13、復(fù)訓(xùn)練中，患者通過主動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制虛擬環(huán)境中的某個(gè)物體，由康復(fù)機(jī)器人采集運(yùn)動(dòng)的距離、角度、力度等參數(shù)，并實(shí)時(shí)反饋給患者，指導(dǎo)患者不斷調(diào)整動(dòng)作以達(dá)到康復(fù)訓(xùn)練的要12。2.4 虛擬實(shí)驗(yàn)室許多醫(yī)學(xué)教育中的實(shí)驗(yàn)、臨床相關(guān)實(shí)驗(yàn)以及藥學(xué)實(shí)驗(yàn)都可以在虛擬實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。英國PA 咨詢公司與美國菲西奧姆科學(xué)公司聯(lián)合研制的虛擬人體系統(tǒng)，便是借助數(shù)字化人體，模擬藥物在人體中代謝動(dòng)力學(xué)的作用，一種藥品從研制成功到投入應(yīng)用，要經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)室或臨床試驗(yàn)，而利用虛擬藥學(xué)實(shí)驗(yàn)不僅可以加快測試過程，降低成本，還可以避免藥物可能對(duì)人體造成的損害。美國北卡羅來納大學(xué)研制的應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行復(fù)雜分子合成實(shí)驗(yàn)，研究人員在境界中控制藥物分子模型，

14、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“分子人位”。網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室即分布式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，它使得在網(wǎng)絡(luò)協(xié)同研究環(huán)境中的科研工作者可以有效地利用地理上分布的各種科技資源，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、軟件共享、大型科研儀器設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)程學(xué)術(shù)交流13。目前，國際上具代表性的生物、醫(yī)學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室有：霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究院開發(fā)的：轉(zhuǎn)基因媒介實(shí)驗(yàn)室、細(xì)菌鑒定實(shí)驗(yàn)室、心臟病實(shí)驗(yàn)室、神經(jīng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)室、免疫實(shí)驗(yàn)室14；諾貝爾基金會(huì)開發(fā)的虛擬生化實(shí)驗(yàn)室15。2.5 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在核醫(yī)學(xué)和輻射防護(hù)中的應(yīng)用在核醫(yī)學(xué)與輻射防護(hù)領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛和深入的研究和應(yīng)用

15、，包括工作人員培訓(xùn)、輻射場/劑量的分布計(jì)算與顯示、AIARA設(shè)計(jì)分析等方面。如西班牙已經(jīng)開發(fā)完成了CIPRES、ACEWO等虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)用來進(jìn)行核電站換料任務(wù)的完成過程中的劑量計(jì)算，以及培訓(xùn)在核電站工作的人員16。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，放射性藥物治療過程中，病灶部位接受的輻射劑量要盡可能最大，而其他非病灶部位要限制在一個(gè)的范圍內(nèi)，盡可能低。但實(shí)施過程中，放射藥物并不是在目標(biāo)器官均勻分布，通過對(duì)整個(gè)器官的平均劑量計(jì)算會(huì)高估或者低估能量沉積，這就需要對(duì)輻射進(jìn)行微觀計(jì)量學(xué)評(píng)估。另外，在軍事醫(yī)學(xué)上方面，可以用虛擬人來試驗(yàn)核武器的威力?，F(xiàn)在的核爆炸試驗(yàn)都是利用動(dòng)物進(jìn)行，試驗(yàn)前在距離核爆中心的不同位置放置動(dòng)物，核爆

16、后再把動(dòng)物收回進(jìn)行檢驗(yàn)。有了虛擬人體就可以直接在計(jì)算機(jī)上模擬核爆炸對(duì)人體的影響17-18。2.6 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在神經(jīng)心理學(xué)方面的應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)暴露療法是行為療法的轉(zhuǎn)化形式，治療過程中，在治療師的監(jiān)控下，患者按照指導(dǎo)逐步使自己沉浸于引起焦慮的虛擬環(huán)境中，在憂慮減少后，被鼓勵(lì)采取繼續(xù)引起更強(qiáng)的憂慮，以此，患者得到漸進(jìn)和最佳的暴露療法。虛擬現(xiàn)實(shí)暴露在治療創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙方面也取得了很好的成績。911恐怖襲擊的幸存者患急性創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙，采用傳統(tǒng)的想像暴露治療沒有獲得成功，于是采用虛擬現(xiàn)實(shí)暴露療法對(duì)患者進(jìn)行治療，在6次1h的虛擬現(xiàn)實(shí)暴露治療期，患者漸進(jìn)暴露在虛擬的飛機(jī)飛向世界貿(mào)易中心，飛機(jī)撞向世界貿(mào)易中心

17、伴隨激烈的爆炸和聲音效應(yīng)，虛擬人從燃燒的建筑物上跳下死亡，以及雙子塔倒塌，揚(yáng)起塵云的場境。采用抑郁自評(píng)量表顯示抑郁大幅度減少(83%)，采用臨床醫(yī)生使用的創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙量表顯示創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙癥狀大幅度減少(90%)19。三、總結(jié)與展望虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，也都表現(xiàn)出了很好的效果，并且，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用也展現(xiàn)出了極好的前景，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，可以預(yù)期，在未來幾年虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將會(huì)成為數(shù)字醫(yī)學(xué)最主要的應(yīng)用工具之一。美國是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究重鎮(zhèn)，它的研究成果也代表了國際在此方面的研究水平，就目前而言，美國虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有很廣闊的深入研究空間，而中國在此方面的研究仍處于起步

18、階段，這不僅需要國家在此方面加大投入力度，也需要同行業(yè)者的加倍努力。參考文獻(xiàn)1 姜紅, 王利, 張兆臣, 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用,中國醫(yī)療設(shè)備，2008年8期2 單美賢，李藝.虛擬實(shí)驗(yàn)原理與教學(xué)應(yīng)用M.北京:北京教育科學(xué)出版社,2005.3 王海舜，潘利慶.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用J.計(jì)算機(jī)應(yīng)用，1998,(6):41-42.4 譚海珠，楊棉華，陳丹蕓等，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的發(fā)展與應(yīng)用J.醫(yī)學(xué)教育探索，2005,4(6):410-4125 邢英杰，張少華，劉曉冰.虛擬手術(shù)系統(tǒng)現(xiàn)狀J.計(jì)算機(jī)工程，2004,7:89-91.6 虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室.EB/OL2010-5-18.7 鐘世鎮(zhèn).醫(yī)用生物力學(xué)參數(shù)的數(shù)字化與數(shù)字醫(yī)學(xué)J.醫(yī)學(xué)生物力學(xué),2006,21(3):169-171.8 王成燾.中國力學(xué)虛擬人J.醫(yī)用生物力學(xué),2006,21(3):172-178.9 代耀軍,曹珺,何飛.骨科虛擬手術(shù)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用J.中國組織工程研究與臨床康復(fù),2008,12(30):5957-5960.10 數(shù)字醫(yī)院.EB/OL2010-5-18.11 林平光,葉寧國,閻麗.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于認(rèn)知康復(fù)領(lǐng)域的國際研究綜述J. 醫(yī)療保健器具,2007,14(5):13-14.12 龔文青,諸強(qiáng).虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)障礙康復(fù)的研