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        虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究進展

        2016-03-13 08:14:22中國醫(yī)科大學(xué)李可心中國醫(yī)科大學(xué)計算機教研室劉尚輝
        電子世界 2016年12期
        關(guān)鍵詞:手術(shù)研究

        中國醫(yī)科大學(xué) 李可心中國醫(yī)科大學(xué)計算機教研室 劉尚輝

        虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究進展

        中國醫(yī)科大學(xué)李可心
        中國醫(yī)科大學(xué)計算機教研室劉尚輝

        虛擬現(xiàn)實技術(shù)(virtual reality)作為近年來新興的技術(shù)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、軍事、建筑、教育等多個領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實技術(shù)利用計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、三維重建技術(shù)、立體顯示技術(shù)、傳感器技術(shù)等在醫(yī)學(xué)教育、診療方面有廣闊的應(yīng)用前景。本文主要探討虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學(xué)及教育領(lǐng)域的應(yīng)用研究。

        虛擬現(xiàn)實;醫(yī)學(xué)教育;臨床治療

        近年來,計算機技術(shù)的高速發(fā)展使得計算機技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得以應(yīng)用,一定程度上提升了教育和醫(yī)療服務(wù)水平。而虛擬現(xiàn)實技術(shù)(virtual reality)作為近年來新興科技也在醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域中產(chǎn)生了深遠的影響,在教育技術(shù)、疾病治療、醫(yī)學(xué)影像等方面都有廣泛應(yīng)用。從應(yīng)用角度看,它是一個綜合計算機、網(wǎng)絡(luò)、仿真技術(shù)和物理學(xué)、數(shù)學(xué)等多種科學(xué)并在計算機領(lǐng)域的拓展和開發(fā)的高新技術(shù)[1]。VR技術(shù)可以讓使用者置身于計算機模擬出的三維虛擬空間中,通過模擬使用者的聽覺、觸覺、視覺等多種感官,使其身臨其境[2]。

        1 虛擬現(xiàn)實在醫(yī)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

        1.1虛擬手術(shù)

        虛擬手術(shù)(Virtual Surgery)系統(tǒng)是專門用來對手術(shù)全過程進行仿真的虛擬現(xiàn)實應(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幾部分[3]。在現(xiàn)有的醫(yī)學(xué)生培養(yǎng)過程中,由于醫(yī)療環(huán)境的變化、標(biāo)本短缺、成本昂貴等問題的出現(xiàn),虛擬手術(shù)系統(tǒng)為外科學(xué)的發(fā)展提供了廣闊的空間,大大提高了外科醫(yī)學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量和效率。在實際手術(shù)中,醫(yī)生主要依靠視覺與觸覺反饋信息進行手術(shù)操作,因此虛擬手術(shù)系統(tǒng)大都是針對視覺與觸覺兩大方面的仿真研究,通過視覺反饋直觀地呈現(xiàn)出逼真的虛擬手術(shù)場景及操作對象,利用觸覺反饋感受虛擬環(huán)境中力的作用并對操作作出及時、正確的判斷[4]。

        1.2醫(yī)學(xué)虛擬實驗室

        虛擬實驗室就是以計算機網(wǎng)絡(luò)為核心,將虛擬儀器通過網(wǎng)絡(luò)連接起來,以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析和遠程操作的一個系統(tǒng)[5]。醫(yī)學(xué)虛擬實驗?zāi)P偷目缂夹g(shù)實現(xiàn)研究基于對適用技術(shù)思想、戴爾經(jīng)驗之塔理論進行的梳理和分析,提出了醫(yī)學(xué)虛擬實驗?zāi)P烷_發(fā)的跨技術(shù)概念[6]。虛擬實驗室的硬件是解決信號的輸入和輸出,軟件能很方便的改變、增減、改善系統(tǒng)的功能與規(guī)模,虛擬實驗室的軟件一般多用基于圖形方式的LAB V IEW語言編寫[3]。在虛擬實驗室中,醫(yī)學(xué)生可以自主設(shè)計實驗,充分提高了學(xué)生的創(chuàng)新和動手能力。特別是一些現(xiàn)實中危險系數(shù)較高的實驗,通過虛擬實驗室的方式也可以讓學(xué)生們有更多的體會。虛擬實驗室的實驗可重復(fù)性也將提高學(xué)生的科研能力,即使找到實驗的不足加以彌補,高校、便捷、節(jié)約資源。由此衍生出的虛擬實驗?zāi)P蛯︶t(yī)學(xué)生的實踐操作能力提升也有很大的輔助作用。

        2 虛擬現(xiàn)實在疾病治療中的應(yīng)用

        2.1虛擬現(xiàn)實在腦卒中治療中的作用

        Kim N[7]等人對于腦卒中患者的治療研究中發(fā)現(xiàn),基于社區(qū)的虛擬現(xiàn)實跑步機訓(xùn)練可有效改善中風(fēng)患者的平衡能力。Laver KE[8]等人也表明,虛擬現(xiàn)實技術(shù)和交互式視頻游戲作為常規(guī)治療可以改善上肢和日常生活活動功能,有足夠的證據(jù)來證明虛擬現(xiàn)實和交互式視頻游戲能夠改善握力、步態(tài)速度或整體運動功能。國內(nèi)的研究也發(fā)現(xiàn),腦卒中患者在虛擬仿真的環(huán)境中進行運動康復(fù)治療,有效改善步行穩(wěn)定性和對稱性,避免了傳統(tǒng)康復(fù)治療過程中的枯燥乏味、單一重復(fù)的訓(xùn)練模式,有效克服傳統(tǒng)康復(fù)治療的局限性和單一性,提高患者治療的積極性、主動性和參與性,促使其更快更好的回歸社會和家庭[9]。

        2.2虛擬現(xiàn)實在心理疾病治療中的應(yīng)用

        Freedman SA等[10]發(fā)現(xiàn),在暴露于創(chuàng)傷應(yīng)激后約有20%的人會出現(xiàn)創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙(PTSD),針對這種心理問題,基于互聯(lián)網(wǎng)的早期干預(yù)對于疾病的預(yù)后有積極的影響。虛擬現(xiàn)實療法也較多關(guān)注恐懼癥的治療,例如蜘蛛恐懼癥、恐高癥等[11]。在焦慮的治療方面實驗研究表明,虛擬現(xiàn)實暴露療法在治療焦慮障礙時是有效的,試經(jīng)治療之后,對情境的控制感和自我效能感提升,消極自我評價降低,對創(chuàng)傷事件的容忍力提高,重新獲得對情境的控制感[12]。Meyerbr?ker K,Emmelkamp PM[13]的研究也證實虛擬現(xiàn)實暴露療法(VRET)已成為治療焦慮障礙的一個不錯選擇。過去的幾年中,臨床和相關(guān)研究領(lǐng)域已經(jīng)有研究者開始使用虛擬現(xiàn)實手段制定特定的虛擬情景并將患者暴露其中從而引發(fā)其焦慮,達到治療焦慮障礙的目的[11]。在其他心理疾病的治療中,例如注意缺陷障礙、進食障礙和精神分裂癥等,虛擬現(xiàn)實以其客觀性和可靠性避免了傳統(tǒng)診斷的主觀性和矛盾性[14]。

        3 虛擬現(xiàn)實在醫(yī)學(xué)影像學(xué)中的應(yīng)用

        3.1醫(yī)學(xué)虛擬內(nèi)窺鏡技術(shù)

        醫(yī)學(xué)虛擬內(nèi)窺鏡技術(shù)(Virtual Endoscopy VE)是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像技術(shù)與計算機圖形學(xué)、數(shù)字圖像處理技術(shù)、科學(xué)可視化技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等現(xiàn)代化技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,這項新的技術(shù)通過CT、MRI等醫(yī)學(xué)掃描設(shè)備獲取人體的二維切片數(shù)據(jù),通過計算機將采集到的數(shù)據(jù)生成人體各個器官的三維模型,之后對生成的三維模型進行可視化顯示[15]。從某種程度來講,虛擬內(nèi)窺鏡技術(shù)在一定程度上更加精確地診斷患者病情減少了手術(shù)的風(fēng)險,它具有非侵入性、重復(fù)使用、動態(tài)病理分析、無檢查死角等獨特優(yōu)點[16]。虛擬內(nèi)窺鏡憑借其良好的檢查效果,更加人性化的治療將逐漸成為未來醫(yī)學(xué)影像的發(fā)展方向,具有廣泛的應(yīng)用前景。

        3.2基于虛擬現(xiàn)實的器官三維重建

        運用虛擬現(xiàn)實建模語言(Virtual Reality Modeling Language,VRML)技術(shù)進行醫(yī)學(xué)人體數(shù)據(jù)的三維重建是目前國內(nèi)不同于傳統(tǒng)三維重建技術(shù)的一種新方法,運用VRML建模不論從重建效果還是從實時交互性方面都有其獨到之處[17]。王明炎[18]等提出了虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的女性盆腔三維重建和可視化理念,由于女性盆腔解剖結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且容納了較多由軟組織構(gòu)成臟器,目前現(xiàn)有的建模數(shù)據(jù)不夠充分。研究采用正常女性盆腔CT掃描數(shù)據(jù)在Dextro scope平臺對骨盆和盆腔內(nèi)的主要臟器進行三維重建,并在虛擬現(xiàn)實環(huán)境下進行虛擬手術(shù)的操作,使模擬手術(shù)更為簡便和真實。

        4 總結(jié)與展望

        隨著計算機、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的不斷發(fā)展,虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍及作用也得到了提升,但是離我們對于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的期待還有一定的距離。由于虛擬現(xiàn)實技術(shù)是多學(xué)科的交叉應(yīng)用,虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域還有待發(fā)展,某些現(xiàn)有的應(yīng)用還存不足[19]。相信隨著科技的進步和發(fā)展,以及醫(yī)學(xué)信息化建設(shè)的普及,虛擬現(xiàn)實技術(shù)將在醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域得到更廣泛、更深入的應(yīng)用,這也必將在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域產(chǎn)生更大的變革[3]。相信在不久的將來,虛擬現(xiàn)實技術(shù)將廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)教學(xué)科研和工作中,為提升醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量做出一定的貢獻。

        [1]許微.虛擬現(xiàn)實技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè),2009(2):279-280.

        [2]馬愛勝.虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展與展望[J].電子制作.2015(04):101.

        [3]張晗.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用探討[J].西北醫(yī)學(xué)教育,2010(01):48-51.

        [4]朱玲.虛擬手術(shù)中軟組織形變與切割技術(shù)研究[D].哈爾濱工程大學(xué),2012.

        [5]黃慕雄.高校教學(xué)型虛擬實驗室建設(shè)的現(xiàn)狀與建議[J].電化教育研究,2005(09):77-80.

        [6]范楊慧.醫(yī)學(xué)虛擬實驗?zāi)P偷目缂夹g(shù)實現(xiàn)研究[D].吉林大學(xué),2013.

        [7]Kim N,Park Y,Lee BH.Effects of community-based virtual reality treadmill training on balance ability in patients with chronic stroke. J Phys Ther Sci.2015,27(3):655-658.

        [8]Laver KE,et,al.Virtual reality for stroke rehabilitation.Cochrane Database Syst Rev.2015,2.

        [9]趙一瑾.虛擬現(xiàn)實技術(shù)對腦卒中后偏癱步態(tài)影響的臨床研究[D].南方醫(yī)科大學(xué),2014.

        [10]Freedman SA,et al.Early intervention for preventing posttraumatic stress disorder:an Internet-based virtual reality treatment.Eur J Psychotraumatol.2015,6:25608.

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        [19]霍妍,婁巖.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用研究與設(shè)計[J].中國醫(yī)學(xué)工程,2014(09):191-192.

        劉尚輝。

        項目來源:黑河學(xué)院教育科學(xué)研究專項課題“《環(huán)境監(jiān)測》4A網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)與應(yīng)用實踐研究”。

        本文為遼寧省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃2014年度課題“醫(yī)學(xué)虛擬現(xiàn)實(VR)實驗室系統(tǒng)設(shè)計與建設(shè)”(項目編號:JG14DB451)以及中國醫(yī)科大學(xué)“十二五”第四批醫(yī)學(xué)教育科學(xué)研究立項課題(項目編號:YDJK2014013)的階段研究成果。

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