荊芒,劉云,張昕

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

荊芒,劉云,張昕*

（南京醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)信息學(xué)與管理研究所 南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院,江蘇 南京 210029）

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為目前最熱門的科技發(fā)展方向被廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域。 本文簡要介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本概念與特點(diǎn)，對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行綜述，重點(diǎn)闡述了虛擬手術(shù)系統(tǒng)、虛擬醫(yī)學(xué)教育、虛擬臨床應(yīng)用、虛擬遠(yuǎn)程醫(yī)療、虛擬人體等技術(shù)與方法。

虛擬現(xiàn)實(shí)；虛擬手術(shù)訓(xùn)練；遠(yuǎn)程醫(yī)療

0 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality簡稱VR）技術(shù)在最近幾年迎來爆發(fā)式發(fā)展，醫(yī)療、旅游、游戲等行業(yè)成為其熱門研究和重點(diǎn)應(yīng)用的方向。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)誕生以來，研究人員就一直在探索和實(shí)踐其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的運(yùn)用，它能夠模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，使用戶在體驗(yàn)過程中有身臨其境的感覺，可以應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的醫(yī)學(xué)教學(xué)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、手術(shù)訓(xùn)練、臨床醫(yī)療等各個方向。目前不斷發(fā)展完善的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在國內(nèi)外醫(yī)學(xué)行業(yè)也有了很多實(shí)際應(yīng)用。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)定義

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)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)輔助生成的高科技模擬系統(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)[1]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建的虛擬世界信息來自于多源信息的交互融合，它是虛擬環(huán)境和用戶行為的互動仿真系統(tǒng)，用戶通過使用虛擬現(xiàn)實(shí)專業(yè)設(shè)備進(jìn)入虛擬世界，通過視、聽、觸覺感知以及與虛擬世界環(huán)境的互動等方式獲得身臨其境的真實(shí)感受。

1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)

由Burdea G在Electro93 國際會議上提出[2,3]。(1)沉浸性(Immersion)：是指使用者置身于虛擬場景中就像在現(xiàn)實(shí)世界一樣，沉浸性特點(diǎn)強(qiáng)調(diào)使用者感受的真實(shí)性。(2)交互性(Interaction)：指使用者進(jìn)入虛擬環(huán)境后，通過多種傳感器與多維化信息的環(huán)境發(fā)生交互作用，使用者進(jìn)行必要的操作，虛擬

環(huán)境做出相應(yīng)的反饋，如同現(xiàn)實(shí)世界一樣[4]。(3)構(gòu)想性(Imagination)：在沉浸性和交互性的基礎(chǔ)上，虛擬世界可以啟發(fā)體驗(yàn)者的創(chuàng)造性思維，從而使體驗(yàn)者可以構(gòu)想和創(chuàng)造新的場景，這些場景不僅可以是真實(shí)存在的環(huán)境，也可以是現(xiàn)實(shí)不存在的甚至是不可能發(fā)生的環(huán)境。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)μ摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)有著巨大的應(yīng)用需求，同時也使虛擬現(xiàn)實(shí)研究面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。人體的復(fù)雜性和差異性導(dǎo)致在物理和生理等方面的數(shù)據(jù)量龐大且繁雜，加之各種器官組織具有彈塑性，對人體的切割、縫合等操作具有交互性，因此要將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有一定難度。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已初步應(yīng)用于醫(yī)學(xué)培訓(xùn)、手術(shù)訓(xùn)練、遠(yuǎn)程會診等方面，一些應(yīng)用在醫(yī)療過程中起到不可替代的重要作用。

2.1 醫(yī)學(xué)教育

在醫(yī)學(xué)教育中，傳統(tǒng)的標(biāo)本解剖和手術(shù)培訓(xùn)方式花費(fèi)在標(biāo)本和實(shí)驗(yàn)環(huán)境上的費(fèi)用非常高昂，學(xué)生缺乏實(shí)踐操作的機(jī)會，導(dǎo)致臨床實(shí)踐具有較大風(fēng)險，也使得寶貴的醫(yī)學(xué)資源不能得到充分利用。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以很好地解決以上問題，虛擬標(biāo)本解剖、虛擬實(shí)驗(yàn)室、虛擬醫(yī)院等是目前在醫(yī)學(xué)教育上應(yīng)用較多的方向[5]。

目前醫(yī)學(xué)教學(xué)中采用的解剖掛圖和多媒體教學(xué)圖片都是二維平面方式，不能直觀的表現(xiàn)標(biāo)本的立體特性，造成學(xué)生理解的困難。實(shí)體模型和標(biāo)本雖具有立體結(jié)構(gòu)，但形式單一，靈活性差，不能滿足深層次、多方位的教學(xué)和實(shí)踐需求。虛擬標(biāo)本解剖是對虛擬標(biāo)本進(jìn)行操作，解剖者擁有真實(shí)的解剖體驗(yàn)，可以觀察到標(biāo)本解剖結(jié)構(gòu)和剖面結(jié)構(gòu)，得到器官或組織在標(biāo)本空間的精確定位、三維測量數(shù)據(jù)和立體圖像。標(biāo)本模型可以隨意的翻動，并可觀察和實(shí)際感受皮膚肌理、骨骼、血管、肌肉結(jié)構(gòu)的所有內(nèi)容[6]。

采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立的虛擬實(shí)驗(yàn)室，能模擬實(shí)現(xiàn)各種實(shí)際的甚至不可視、不可摸、不可入、危險性高的實(shí)驗(yàn)以及想象的實(shí)驗(yàn)場景[7]。在虛擬實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，學(xué)生擁有充分的實(shí)驗(yàn)自主權(quán)，許多醫(yī)學(xué)教育中的實(shí)驗(yàn)和臨床相關(guān)實(shí)驗(yàn)都可以在虛擬實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。醫(yī)學(xué)院校利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅可以進(jìn)行虛擬醫(yī)學(xué)教育，還可以建立虛擬醫(yī)院。虛擬醫(yī)院利用病例庫數(shù)據(jù)組建數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，學(xué)生對虛擬醫(yī)院的真實(shí)病例進(jìn)行分析和練習(xí)，從真實(shí)病人數(shù)據(jù)模擬操作中得到直觀地學(xué)習(xí)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育中應(yīng)用的最終目標(biāo)是建立以虛擬培訓(xùn)為基礎(chǔ)、實(shí)踐為目的的虛擬醫(yī)療體系。

2.2 虛擬手術(shù)訓(xùn)練

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，人為失誤在臨床手術(shù)失誤中占有很大比例，手術(shù)訓(xùn)練對年輕外科醫(yī)生的成長極為重要。利用虛擬手術(shù)系統(tǒng)，醫(yī)生可以觀察專家手術(shù)的過程，也可以進(jìn)行多次練習(xí)，并且在虛擬環(huán)境中進(jìn)行手術(shù)，不會發(fā)生嚴(yán)重的意外，減少手術(shù)訓(xùn)練時間和對昂貴實(shí)驗(yàn)對象的需求。

虛擬手術(shù)(Virtual Surgery)系統(tǒng)是專門用來對手術(shù)全過程進(jìn)行仿真的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)，主要包括虛擬建模、醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)的可視化、人體組織器官的應(yīng)力形變仿真、傳感與反饋、高速圖形顯示與圖像處理等部分[8]。虛擬建模是指搭建虛擬手術(shù)環(huán)境以及對人體器官組織的虛擬建模。醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)的可視化是將CT、MRI及PET等得到的二維斷層數(shù)字影像經(jīng)過圖像處理轉(zhuǎn)變?yōu)槿S立體模型，并可進(jìn)行多視角顯示，輔助醫(yī)生對病灶及周圍組織器官血供等情況進(jìn)行分析[9]。虛擬手術(shù)系統(tǒng)能夠捕捉真實(shí)手術(shù)操作者的動作以及對手術(shù)器械的操作，并通過傳感器將這些數(shù)據(jù)報送計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)分析檢測系統(tǒng)，計(jì)算出虛擬手術(shù)器械與手術(shù)對象模型間的相互作用力，精確計(jì)算其形變。最后通過反饋裝置將人體組織器官等形變精確的反饋給模擬手術(shù)操作者，使其能全方位精確掌握手術(shù)操作。同時，可以將獲得的組織器官物理及生理改變進(jìn)行模擬顯示，使模擬手術(shù)操作者能得到更直觀的反饋。

虛擬手術(shù)系統(tǒng)提供的手術(shù)訓(xùn)練平臺可以重現(xiàn)急危重癥手術(shù)病例供受訓(xùn)者反復(fù)進(jìn)行練習(xí)，在虛擬手術(shù)訓(xùn)練后,系統(tǒng)還可對訓(xùn)練者手術(shù)操作和手術(shù)模型發(fā)生的變化進(jìn)行準(zhǔn)確測定，監(jiān)測訓(xùn)練者手術(shù)技術(shù)的合理性和有效性。

2.3 臨床醫(yī)療

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以應(yīng)用在臨床醫(yī)療的多個方向。醫(yī)生利用虛擬內(nèi)窺鏡技術(shù)可以直接監(jiān)測病人體內(nèi)器官甚至毛細(xì)血管，這種動態(tài)的現(xiàn)實(shí)顯示對臨床診斷具有非常寶貴的價值；精神科疾病大多反映在大腦病態(tài)思維和情感等問題，很難在真實(shí)場景中再現(xiàn)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)患者進(jìn)入醫(yī)生設(shè)定的虛擬場景，并獲得沉浸感，從而可以進(jìn)行個性化治療；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可以用于治療患有特殊疾病的病人，比如創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙（PTSD）、重度燒傷及恐懼癥、管理假肢痛、腦損傷評估和康復(fù)、針對青年孤獨(dú)癥患者的社會認(rèn)知訓(xùn)練、對焦慮癥和抑郁癥的治療、中風(fēng)康復(fù)、對兒童多動癥（ADHD）、診斷學(xué)和成像可視化的管理等。

2.4 遠(yuǎn)程醫(yī)療

在遠(yuǎn)程醫(yī)療中采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，外地病人的各種生理參數(shù)可以反映在本地虛擬病人身上，專家們能及時做出結(jié)論，并給出相應(yīng)的治療措施，這樣邊遠(yuǎn)地區(qū)的病人也可以得到經(jīng)驗(yàn)豐富的醫(yī)生的診治，特別是當(dāng)?shù)蒯t(yī)生無法解決的疑難雜癥。

遠(yuǎn)程手術(shù)是遠(yuǎn)程醫(yī)療的重要部分，它是指醫(yī)生運(yùn)用遠(yuǎn)程醫(yī)療手段，異地、實(shí)時地對遠(yuǎn)端病人進(jìn)行手術(shù)，包括遠(yuǎn)程手術(shù)會診、手術(shù)觀察、手術(shù)指導(dǎo)、手術(shù)實(shí)施等[10]。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在手術(shù)時，手術(shù)醫(yī)生通過操作虛擬病人來控制給實(shí)際病人做手術(shù)的機(jī)器人。目前，美國佐治亞醫(yī)學(xué)院和佐治亞技術(shù)研究所的專家已經(jīng)合作研制出能進(jìn)行遠(yuǎn)程眼科手術(shù)的機(jī)器人。這些機(jī)器人在有豐富經(jīng)驗(yàn)的眼科醫(yī)生的控制下，安全地完成眼科手術(shù)，而不需要醫(yī)生親自到現(xiàn)場去[11]。

2.5 虛擬人體

研制虛擬人體的目的是為醫(yī)學(xué)提供更為精致的實(shí)驗(yàn)條件，利用虛擬人體可以研究治療方案或試驗(yàn)新型藥物。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)步，虛擬人體的研究從只能對心肺復(fù)蘇按壓進(jìn)行反應(yīng)發(fā)展到可以預(yù)先編程對復(fù)雜病情來進(jìn)行反應(yīng)的新階段。將虛擬人病情數(shù)據(jù)、生理物理數(shù)據(jù)以及其他數(shù)據(jù)整合成一個模擬研究環(huán)境，在虛擬人體上進(jìn)行一系列診斷與治療研究，然后在這種環(huán)境中觀察虛擬人體對外界刺激的反應(yīng)。醫(yī)生和制藥公司也可以在與病人身體數(shù)據(jù)一模一樣的虛擬人身上試驗(yàn)藥物，獲取虛擬病人服藥后的生理反應(yīng)，這種方法不但可以提高用藥準(zhǔn)確性還能加快新藥研制及上市的效率。

3 結(jié)束語

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的多個方向擁有廣闊的應(yīng)用前景，但受限于現(xiàn)有的技術(shù)水平，存在體驗(yàn)感受不完美，細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)丟失嚴(yán)重等問題，仍然存在急需解決的理論和技術(shù)問題，這些都是目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究發(fā)展的熱門方向。隨著對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)更深入的研究，其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域會有更廣泛、更豐富的應(yīng)用，在不遠(yuǎn)的將來為傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域帶來重大變革。

[1] 呂婷. 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用[C] ,中華醫(yī)學(xué)會第十六次全國醫(yī)學(xué)信息學(xué)術(shù)會議,2010：217-221.

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[11] 虛擬現(xiàn)實(shí)在傳統(tǒng)醫(yī)療中的應(yīng)用和進(jìn)展，http：//www.vrzy.com/vr/31862.html.

Application of Virtual Reality Technique in Biomedical Field

JING Mang, LIU Yun, ZHANG Xin
(Institute of Medical Informatics and Management, Nanjing Medical University, The First Affiliated Hospital of Nanjing Medical University, Nanjing 210029, China)

Virtual reality technology as the most popular science and technology development direction is widely used in many fields.This paper briefly introduces the basic concepts and characteristics of virtual reality technology, the application of virtual reality technology in the field of medicine were reviewed, focusing on the virtual surgery system, virtual medical education, clinical application, remote medical treatment, virtual human technology and method.

Virtual reality technology; Virtual surgery; Remote medical treatment