高勇娜

摘要：隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，虛擬現(xiàn)實(shí)覆蓋的應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣。其中虛擬現(xiàn)實(shí)醫(yī)療是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最有意義的應(yīng)用領(lǐng)域之一，虛擬現(xiàn)實(shí)醫(yī)療對(duì)人類來(lái)說(shuō)是一大重要的進(jìn)步。在臨床醫(yī)學(xué)方面采用虛擬現(xiàn)實(shí)與交互式數(shù)字游戲技術(shù)來(lái)解決肥胖和糖尿病是一個(gè)新的領(lǐng)域，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)醫(yī)療的發(fā)展也是構(gòu)建未來(lái)智慧醫(yī)療體系的必經(jīng)之路。

關(guān)鍵詞：exergaming； 交互式數(shù)字游戲；虛擬環(huán)境；虛擬現(xiàn)實(shí)

中圖分類號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）16-0227-02

1 介紹

自1995年以來(lái)， 虛擬現(xiàn)實(shí) （VR） 仿真技術(shù)在臨床應(yīng)用中發(fā)生了一場(chǎng)虛擬革命。虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用主要有臨床教學(xué)、疾病診斷、手術(shù)模擬、遠(yuǎn)程醫(yī)療等。臨床醫(yī)學(xué)上采用虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)主要是指使用計(jì)算機(jī)技術(shù)（主要是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與虛擬現(xiàn)實(shí)）來(lái)模擬、指導(dǎo)醫(yī)學(xué)手術(shù)所涉及的各種過(guò)程。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)的不斷完善，借助與VR來(lái)輔助臨床診斷與疾病的治療已經(jīng)成為現(xiàn)在臨床醫(yī)學(xué)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)的研究人員和臨床醫(yī)生都已經(jīng)認(rèn)識(shí)到虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)方面的潛在影響。國(guó)內(nèi)外很多研究課題記錄了許多臨床案例， 虛擬現(xiàn)實(shí)可以增加價(jià)值傳統(tǒng)的評(píng)估和干預(yù)方法。虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)方面可以進(jìn)行個(gè)性化醫(yī)學(xué)診斷與治療，如可以對(duì)肥胖和糖尿病進(jìn)行有效的輔助診斷和治療。與傳統(tǒng)的主觀判斷相比，在虛擬人體上進(jìn)行各種無(wú)法在真人身上進(jìn)行診療試驗(yàn)，可以根據(jù)獲得的治療數(shù)據(jù)和人體反應(yīng)進(jìn)行科學(xué)分析和判斷，可以做出更加理性和真實(shí)可行的診斷和治療方案。虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)可以根據(jù)各種醫(yī)學(xué)影像信息和數(shù)據(jù)創(chuàng)建虛擬手術(shù)環(huán)境，通過(guò)模擬真實(shí)的環(huán)境，從中可以提前預(yù)測(cè)手術(shù)過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題并采取補(bǔ)救措施，從而提高手術(shù)的成功率。借助于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，醫(yī)生可以更加合理的指定醫(yī)療方案，同時(shí)這樣的虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)可以減少手術(shù)給患者帶來(lái)的各種傷害和痛苦，這大大提高了醫(yī)療效果。

隨著臨床研究和虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，臨床醫(yī)學(xué)與虛擬現(xiàn)實(shí)仿真結(jié)合在一起是一種新的發(fā)展趨勢(shì)。在臨床治療過(guò)程中，醫(yī)生可以首先記住虛擬手術(shù)系統(tǒng)來(lái)模擬演練臨床手術(shù)的整個(gè)過(guò)程，通過(guò)虛擬過(guò)程呈現(xiàn)的影像去發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，從而去解決問(wèn)題。虛擬手術(shù)可以大大縮短手術(shù)培訓(xùn)的整個(gè)周期，同時(shí)它也減少了對(duì)一些價(jià)格昂貴的實(shí)驗(yàn)對(duì)象的需求。在臨床醫(yī)學(xué)上采用虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)不僅提高了臨床醫(yī)學(xué)的工作效率還大大節(jié)省了人力、物力和財(cái)力。由于虛擬手術(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，這樣的訓(xùn)練過(guò)程與實(shí)際手術(shù)幾乎一模一樣，尤其是能夠獲得在實(shí)際手術(shù)中的手感。計(jì)算機(jī)還能夠給出一次手術(shù)練習(xí)的評(píng)價(jià)。在虛擬環(huán)境中進(jìn)行手術(shù)，不會(huì)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(dòng)手術(shù)之前，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的幫助，能在顯示器上重復(fù)地模擬手術(shù)，移動(dòng)人體內(nèi)的器官，尋找最佳手術(shù)方案并提高熟練程度。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)格式

一般來(lái)說(shuō)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要由專業(yè)圖形處理計(jì)算機(jī)、應(yīng)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(guò)視覺(jué)、聽覺(jué)、觸覺(jué)等信息通道感受到設(shè)計(jì)者思想的高級(jí)境界。例如， 沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)結(jié)合了計(jì)算機(jī)、頭部安裝的顯示器 （HMDs）、身體跟蹤傳感器、專用接口設(shè)備和實(shí)時(shí)圖形， 使參與者沉浸在計(jì)算機(jī)生成的模擬世界中， 從而改變了自然頭部和身體運(yùn)動(dòng)的方式。在這些系統(tǒng)中， 一個(gè)關(guān)鍵的目標(biāo)是將外部世界的感知與模擬環(huán)境 （在頭盔顯示器中提供的） 替換， 以創(chuàng)建特定的用戶體驗(yàn)。沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)是最常用的應(yīng)用， 能夠在一個(gè)受控的環(huán)境下讓用戶體驗(yàn)一個(gè)特定而感性的合成世界。

隨著技術(shù)的發(fā)展，最初的計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到可以針對(duì)不同的外科手術(shù)進(jìn)行輔助規(guī)劃，由原來(lái)的導(dǎo)航、觀摩形式，發(fā)展成為可操作、可交互的虛擬仿真系統(tǒng)。 在手術(shù)培訓(xùn)方面，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可提供理想的培訓(xùn)平臺(tái)，受訓(xùn)醫(yī)生可觀察高精度三維人體圖像，并通過(guò)力反饋設(shè)備模擬觸覺(jué)，讓受訓(xùn)者在切割組織時(shí)感受到器械的壓力，感覺(jué)就像在真實(shí)的人體上手術(shù)一樣。既不會(huì)對(duì)病人造成生命威脅，又可以重現(xiàn)高風(fēng)險(xiǎn)、低概率的手術(shù)病例，可供培訓(xùn)對(duì)象反復(fù)練習(xí)。在虛擬手術(shù)訓(xùn)練后， 系統(tǒng)還可通過(guò)對(duì)切口壓力與角度、組織損害和其他指標(biāo)的準(zhǔn)確測(cè)定，監(jiān)測(cè)訓(xùn)練者手術(shù)技術(shù)的進(jìn)步。在臨床診斷方面，利用三維重建及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)開發(fā)出許多虛擬內(nèi)窺鏡的軟件，可以使醫(yī)生的視線在病人體內(nèi)甚至毛細(xì)血管中自由航行。這種動(dòng)態(tài)的現(xiàn)實(shí)顯示對(duì)臨床診斷具有無(wú)比寶貴的價(jià)值。虛擬現(xiàn)實(shí)利用特定的交互工具，如感傳手套和數(shù)字頭盔 模擬真實(shí)操作中的虛擬環(huán)境，用戶在操作過(guò)程中有身臨其境的感覺(jué)，可以廣泛地應(yīng)用于手術(shù)培訓(xùn)、手術(shù)預(yù)演、臨床診斷、遠(yuǎn)程干預(yù)、醫(yī)學(xué)教學(xué)等各個(gè)環(huán)節(jié)，為醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)極大的便利。

3 Exergaming

Exergaming 已經(jīng)吸引了大眾媒體和科學(xué)界的注意，它作為一個(gè)潛在的補(bǔ)救措施，對(duì)日益增長(zhǎng)的社會(huì)健康問(wèn)題。如兒童肥胖和糖尿病有一定的療效。 Exergaming 的核心概念在于使用有力的身體活動(dòng)取代依賴鍵盤、操縱桿的傳統(tǒng)游戲互動(dòng)的久坐活動(dòng)， 游戲和。以這種形式， 增加參與卡路里燃燒的心血管運(yùn)動(dòng)活動(dòng)的動(dòng)機(jī)被假設(shè)通過(guò)創(chuàng)造引人注目的數(shù)字游戲內(nèi)容， 只能通過(guò)身體活動(dòng)互動(dòng)。也被稱為動(dòng)能游戲， Exergaming 不是一個(gè)新的想法，最初， 虛擬現(xiàn)實(shí)和計(jì)算機(jī)游戲 Exergaming 的應(yīng)用都受到了設(shè)備成本和跟蹤用戶移動(dòng)活動(dòng)所涉及的復(fù)雜性的限制。此類應(yīng)用程序需要三維用戶界面設(shè)備， 它們能感覺(jué)到并捕獲健壯的身體活動(dòng)， 作為與游戲內(nèi)容有意義的交互的可用輸入信號(hào)。因此， 復(fù)雜和昂貴的傳感系統(tǒng)能夠高采樣率， 并與全六自由度運(yùn)動(dòng)捕獲， 如磁性或高端光學(xué)跟蹤系統(tǒng)， 往往被用來(lái)捕捉運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)， 需要驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)和游戲環(huán)境中的康復(fù)互動(dòng)。另外， 許多商業(yè)實(shí)體采取了調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)設(shè)備 （如生命周期、跑步機(jī)、橫臥自行車、樓梯跳繩） 的方法， 通過(guò)使用模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)與數(shù)字內(nèi)容進(jìn)行交互。這種系統(tǒng)通常被用于擁有良好經(jīng)濟(jì)資源的健身俱樂(lè)部。然而， 為了促進(jìn)該設(shè)備的廣泛應(yīng)用， VR家庭系統(tǒng)是需要負(fù)擔(dān)得起的， 易于部署和維護(hù)。

一些研究人員通過(guò)實(shí)施現(xiàn)成的游戲控制臺(tái)系統(tǒng) （Sony Eyetoy、Konami Dance Dance Revolution 和Nintendo Wii 游戲） 來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。除了這一概念所具有的直觀吸引力外， 能源支出研究為這一方向提供了初步支持。例如， Lanningham 和同事報(bào)告說(shuō)， 看電視和玩電子游戲， 而坐在座位上的能源支出增加了20 ± 13% 和22 ± 12% 以上的休息值，。當(dāng)受試者在跑步機(jī)上行走， 看電視時(shí)， 能量消耗增加了138±40% 以上的休息值。在活動(dòng)推廣視頻游戲中，視覺(jué)玩具（索尼電腦娛樂(lè)公司）的能量消耗增加了能量開支增加了108 % ，而Dance Dance Revolution 2的超能力則增加了172%。作者得出的結(jié)論是， 當(dāng)固定屏幕時(shí)間轉(zhuǎn)換為活動(dòng)屏幕時(shí)間時(shí)， 能量消耗超過(guò)雙倍， 這種干預(yù)可以考慮到肥胖的預(yù)防和治療。其他研究也表明， 復(fù)員方案系統(tǒng)對(duì)增加能源支出和心率是有效的。與傳統(tǒng)的久坐式游戲相比， 在玩各種 Wii 運(yùn)動(dòng)游戲時(shí)， 能源支出的優(yōu)勢(shì)也有所增加。在一項(xiàng)研究中， 測(cè)試了13-15 歲的五個(gè)女孩和六個(gè)男孩， Grave和工友報(bào)告的平均值 （標(biāo)準(zhǔn)偏差） 預(yù)測(cè) 玩Wii 運(yùn)動(dòng)的能源支出水平： 保齡球 （190.6 （22.2） 焦/千克/分鐘）， 與 Wii 運(yùn)動(dòng)相比： 網(wǎng)球 （202.5 （31.5） 焦/千克/分）， 和 Wii 運(yùn)動(dòng)： 拳擊 （198.1 （33.9） 焦/千克/分鐘）。這些值明顯大于玩久坐游戲 （125.5 （13.7） 焦/千克/分鐘； p 001）。另外， 另一個(gè)研究小組也測(cè)試了類似的樣本年齡，年齡在10-13 歲的14個(gè)男孩和9個(gè)女孩，發(fā)現(xiàn)與身體質(zhì)量有關(guān)的能源支出與 Dance Dance Revolution 2級(jí)和 Wii 運(yùn)動(dòng)相比： 拳擊比賽要比看電視和相當(dāng)于跑步機(jī)以5.7 公里/小時(shí)的速度行走。盡管這些結(jié)果表明，實(shí)際上主動(dòng)玩Exergames ，與久坐活動(dòng)相比，會(huì)消耗更多的精力，相當(dāng)于快走，但玩Exergames時(shí)產(chǎn)生的消耗無(wú)法達(dá)到實(shí)際運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的消耗，也無(wú)法為兒童提供建議的每日運(yùn)動(dòng)量。

雖然這些結(jié)果為使用數(shù)字 Exergames 提供了一些支持， 但使用目前的技術(shù)狀況， 這種活動(dòng)應(yīng)該被看作是對(duì)經(jīng)常運(yùn)動(dòng)的補(bǔ)充， 而不是替代。這些結(jié)果可能部分歸因于與這些控制臺(tái)游戲交互所需的運(yùn)動(dòng)活動(dòng)的限制，例如， Eyetoy 只限于捕捉非自然的單平面二維活動(dòng)， 而 Dance Dance Revolution 則可以提供一個(gè)精力充沛的鍛煉， 舞蹈游戲的組成部分可能不會(huì)吸引一些孩子， 否則會(huì)從這種基于游戲的運(yùn)動(dòng)活動(dòng)中獲益。任天堂 Wii 游戲控制臺(tái)的功能和各種體育、健身游戲產(chǎn)品在表面上與 Exergaming 的需要密切配合。Wii 的界面采用了基于攝像頭和慣性跟蹤的混合系統(tǒng)， 價(jià)格低廉， 可以用來(lái)與引人注目的運(yùn)動(dòng)游戲進(jìn)行交互。與索尼 Eyetoy 不同的是， 用戶組現(xiàn)在已經(jīng)能夠調(diào)整掌握控制器， 使其與可在個(gè)人計(jì)算機(jī)上創(chuàng)建的新應(yīng)用程序交互， 甚至在數(shù)字頻譜之外驅(qū)動(dòng)無(wú)線電遙控車。

4 結(jié)論

虛擬現(xiàn)實(shí)和交互式數(shù)字游戲技術(shù)出現(xiàn)了革命性的進(jìn)步， 這給臨床醫(yī)學(xué)研究帶來(lái)了新的機(jī)遇。而且，這也支持了在過(guò)去不可能的情況下，針對(duì)重要的社會(huì)級(jí)衛(wèi)生保健條挑戰(zhàn)的研究和開發(fā)。此外， 在家庭中的基礎(chǔ)設(shè)施當(dāng)然也在推動(dòng)進(jìn)一步的數(shù)字努力， 以促進(jìn)積極的健康態(tài)度和行為改變?？紤]到強(qiáng)大的虛擬現(xiàn)實(shí)和交互式數(shù)字游戲系統(tǒng)將很快成為 "數(shù)字家園" 中的常規(guī)硬件， 這已經(jīng)不再是一種延伸。現(xiàn)在，它的雛形已經(jīng)以現(xiàn)代游戲機(jī)和立體聲電視的形式存在，可以與大量的遠(yuǎn)程用戶進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。這種計(jì)算、顯示和交互可以利用社會(huì)參與和互動(dòng)，促進(jìn)與健康有關(guān)的活動(dòng)。由于在基礎(chǔ)設(shè)施和準(zhǔn)入方面取得了這些進(jìn)展， Exergaming 的概念現(xiàn)在可以提供數(shù)字選擇， 以便在兒童面臨肥胖和糖尿病風(fēng)險(xiǎn)的情況下促進(jìn)健康的體力活動(dòng)。

然而， 仍需要進(jìn)行一項(xiàng)重要的研究工作， 以確定虛擬現(xiàn)實(shí)和 Exergame 應(yīng)用程序在減輕體重和改善糖尿病管理方面的功效和附加值。如前所述， 早期的結(jié)果表明， 目前，使用可用的活躍 Exergames比久坐活動(dòng)明顯消耗更多的能量， 但這種活動(dòng)沒(méi)有達(dá)到的強(qiáng)度水平，也沒(méi)有為兒童提供每日推薦的運(yùn)動(dòng)量。未來(lái)的研究至少有兩個(gè)主要方向，用來(lái)測(cè)試一代虛擬現(xiàn)實(shí)游戲?qū)p肥和糖尿病管理的功效。這些方向的重點(diǎn)是參與和能源支出。

綜上所述，在虛擬現(xiàn)實(shí)與仿真技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)上的廣泛應(yīng)用，可以節(jié)省大量的時(shí)間與資源，從而更快捷、更安全的挽救生命。隨著計(jì)算機(jī)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)、通訊技術(shù)的發(fā)展以及各國(guó)對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的日益重視，在將來(lái)，相信這一技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用會(huì)取得更大的發(fā)展，它的發(fā)展前景非常誘人?？梢灶A(yù)料，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)中更廣泛、更深入的應(yīng)用將會(huì)給傳統(tǒng)醫(yī)療帶來(lái)革命性的變化。

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