顧楚涵

摘 要 本文首先介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念、發(fā)展歷程及其具有的沉浸感、交互性、構(gòu)想性的特點(diǎn)，接著分析了實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的基本原理，之后從醫(yī)學(xué)教育、輔助治療、康復(fù)三個(gè)方面闡述了其發(fā)展現(xiàn)狀，最后討論了其面臨的技術(shù)、推廣問(wèn)題，并對(duì)其未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞 虛擬現(xiàn)實(shí)；醫(yī)學(xué)；教學(xué)；輔助治療

中圖分類號(hào) TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2019）231-0129-02

1 VR技術(shù)概述

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual？Reality？VR）技術(shù)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，結(jié)合圖形學(xué)、仿真技術(shù)、傳感技術(shù)等多學(xué)科交叉的一項(xiàng)前沿科技[1]。該技術(shù)的應(yīng)用能夠生成逼真的感覺(jué)世界，讓使用者使用人的自然技能，如視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、觸覺(jué)等，對(duì)虛擬世界進(jìn)行感知、交互，模擬真實(shí)體驗(yàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)源于美國(guó)，這一概念在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)被提出，但在當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)技術(shù)本身并未成熟，因此VR發(fā)展受到一定限制，處于醞釀形成階段；之后隨著數(shù)字化技術(shù)的高速發(fā)展，VR變得精確、直觀和形象化；到20世紀(jì)80年代，其理論逐漸向?qū)嵺`轉(zhuǎn)化，這一技術(shù)已應(yīng)用于軍事、醫(yī)學(xué)、生產(chǎn)等領(lǐng)域，改善著人們的生產(chǎn)生活。隨著大數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的興起，智能化也成為新時(shí)期VR研究的重點(diǎn)。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用也不斷增多，如醫(yī)學(xué)教育、輔助治療、康復(fù)等[2]。

目前，VR技術(shù)處于廣泛應(yīng)用階段。軟、硬件設(shè)備的飛速發(fā)展，為VR技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了很大變革。與此同時(shí)，VR技術(shù)在國(guó)家層面上也獲得了高度重視，與其相關(guān)的諸多領(lǐng)域已成為國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展項(xiàng)目。VR研究和應(yīng)用正向高端和民用兩個(gè)方向拓展，開(kāi)始普及化和商業(yè)化。實(shí)現(xiàn)VR技術(shù)需要的硬件有顯示設(shè)備、交互設(shè)備、專用芯片等，但最主要的是VR內(nèi)容的生成[1]。一般來(lái)說(shuō)，VR中的數(shù)字化內(nèi)容生成需要經(jīng)過(guò)獲取、理解、建模、呈現(xiàn)這4個(gè)步驟。VR內(nèi)容的獲取一般通過(guò)光學(xué)方法，采集對(duì)象信息，也可通過(guò)模擬人的視覺(jué)方式計(jì)算立體信息；人體運(yùn)動(dòng)捕捉則需應(yīng)用電動(dòng)機(jī)械、電磁等技術(shù)；對(duì)信息的分析、理解往往需要利用相應(yīng)的算法完成，近年來(lái)，深度學(xué)習(xí)技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越多；VR建模主要利用包括真實(shí)感實(shí)時(shí)繪制技術(shù)（能模擬出物體的物理特性）、虛擬環(huán)境建造技術(shù)（在建模的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)時(shí)繪制及三維顯示，與現(xiàn)實(shí)世界“同步”發(fā)展）完成； VR交互可以使用智能語(yǔ)音交互、體感交互、腦機(jī)接口技術(shù)及眼動(dòng)跟蹤技術(shù)等實(shí)現(xiàn)。

2 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 醫(yī)學(xué)教育

在醫(yī)學(xué)教育中，如何讓醫(yī)學(xué)生理解人體的形態(tài)結(jié)構(gòu)是醫(yī)學(xué)院校教學(xué)過(guò)程中的難題。以前，只能讓學(xué)生觀看各種人體標(biāo)本、模型、掛圖等，解剖課程由于尸體來(lái)源少，只有部分學(xué)生有實(shí)踐的機(jī)會(huì)。此外，這些模型、標(biāo)本、尸體與活體器官在形態(tài)上也存在較大差異。這就造成了醫(yī)學(xué)生畢業(yè)后還需要進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的培訓(xùn)，使得醫(yī)生的培養(yǎng)周期較長(zhǎng)，且成本較高。而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)為醫(yī)學(xué)教育提供了一種全新的手段。借助它，人們可以構(gòu)建出虛擬的三維人體模型，同時(shí)學(xué)生可以通過(guò)手勢(shì)、語(yǔ)音等命令對(duì)模型進(jìn)行操作，如放大、縮小、旋轉(zhuǎn)或是展示單獨(dú)或部分的人體系統(tǒng)。虛擬人體模型還能夠讓學(xué)生進(jìn)行模擬解剖操作，并能夠使學(xué)生在操作時(shí)獲得一定的反饋，如當(dāng)血管破裂時(shí)會(huì)有血液流出等。相比傳統(tǒng)的尸體解剖，這種方式的成本較低，沒(méi)有時(shí)間、場(chǎng)地等限制[3]。2017年，Medis？Media公司開(kāi)發(fā)了一款虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用——《3D？Organon？VR？ Anatomy》，該應(yīng)用同時(shí)支持Oculus？Rift和HTC？ Vive兩款VR眼鏡。該產(chǎn)品是一個(gè)完整的虛擬現(xiàn)實(shí)版的解剖圖集，用戶可以利用它探索超過(guò)4？000個(gè)真實(shí)的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)，其中的肌肉、骨骼和器官等還可以移除。

在臨床技能培訓(xùn)方面，傳統(tǒng)的方式如動(dòng)物實(shí)驗(yàn)、手術(shù)觀摩等方式受到場(chǎng)地、資源等的限制，培訓(xùn)的效果、效率很難保證。而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)能夠使醫(yī)學(xué)生很方便地進(jìn)行模擬手術(shù)等技能訓(xùn)練，并獲得自己訓(xùn)練的記錄、評(píng)分等信息。此外，醫(yī)生在術(shù)前進(jìn)行手術(shù)計(jì)劃制定時(shí)亦可以使用虛擬顯示技術(shù)，并進(jìn)行模擬操作，從而使醫(yī)生在實(shí)際手術(shù)時(shí)更有把握，成功率更高[4]。

2.2 輔助治療

在醫(yī)療實(shí)踐過(guò)程中，當(dāng)病人患有急危重癥急需手術(shù)時(shí)，可能會(huì)因時(shí)間、空間原因不能及時(shí)找專業(yè)的醫(yī)生，從而錯(cuò)過(guò)最佳的手術(shù)時(shí)機(jī)。而遠(yuǎn)程醫(yī)療的出現(xiàn)則打破了這種空間上的限制，借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，則能夠進(jìn)一步提高遠(yuǎn)程醫(yī)療的準(zhǔn)確性與安全性。因此，在遠(yuǎn)程醫(yī)療過(guò)程中，醫(yī)生可以借助虛擬顯示技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)遠(yuǎn)程操控手術(shù)機(jī)器人或是指導(dǎo)另一端的醫(yī)生完成手術(shù)。在手術(shù)前，醫(yī)生可通過(guò)虛擬的患者模型來(lái)制定手術(shù)計(jì)劃，之后利用網(wǎng)絡(luò)實(shí)際操作手術(shù)機(jī)器人，手術(shù)過(guò)程可通過(guò)VR眼鏡等設(shè)備實(shí)時(shí)呈現(xiàn)給醫(yī)生，讓醫(yī)生能夠及時(shí)監(jiān)測(cè)和指導(dǎo)手術(shù)過(guò)程。？虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也能夠輔助進(jìn)行心理治療。一些心理精神疾病，如恐懼癥、焦慮癥、精神分裂癥等，大部分是由環(huán)境因素導(dǎo)致的。VR技術(shù)可以構(gòu)建出虛擬環(huán)境，通過(guò)適時(shí)調(diào)節(jié)參數(shù)，讓患者逐漸適應(yīng)環(huán)境，進(jìn)而改善心理問(wèn)題[5]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在輔助治療中發(fā)揮了重要作用，它的應(yīng)用能夠幫助醫(yī)生解決在治療過(guò)程中遇到的如空間限制、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與處理能力不足等問(wèn)題，提高治療的成功率，也降低了風(fēng)險(xiǎn)，但也存在一些問(wèn)題，如遠(yuǎn)程醫(yī)療的實(shí)施還需借助網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、機(jī)器人制造技術(shù)的成熟，需要多學(xué)科多領(lǐng)域的交叉；在心理治療過(guò)程中對(duì)患者的心理狀態(tài)的評(píng)估準(zhǔn)確性還存在瓶頸等。

2.3 康復(fù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可應(yīng)用于帕金森病凍結(jié)步態(tài)康復(fù)。凍結(jié)步態(tài)是帕金森病晚期的破壞性癥狀，使患者行動(dòng)困難、有跌倒風(fēng)險(xiǎn)，具有間歇性和不可預(yù)測(cè)性。傳統(tǒng)的康復(fù)方法是采用跑步機(jī)訓(xùn)練，但這種方式不能從根本上使患者行走能力康復(fù)，且效果持續(xù)時(shí)間短。因此，許多研究者希望記住VR技術(shù)改善在帕金森病患者的康復(fù)效果。研究者利用VR技術(shù)虛擬出較為復(fù)雜的環(huán)境，提供有挑戰(zhàn)性的訓(xùn)練任務(wù)，同時(shí)可在常規(guī)步行、越過(guò)障礙物、步行速度等方面進(jìn)行針對(duì)性地訓(xùn)練。這種訓(xùn)練方式能夠調(diào)動(dòng)患者訓(xùn)練的積極性，降低跌倒風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)使改善得到持？續(xù)[6]。但由于帕金森病本身的病理生理機(jī)制尚未明確，虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用還處在早期研究階段。

在燒傷康復(fù)中，傳統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練多為牽伸或持續(xù)被動(dòng)訓(xùn)練，這種方法具有強(qiáng)制性，會(huì)導(dǎo)致患者疼痛，存在許多弊端。有研究者利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種仿真鋼琴，可顯著改善偏癱患者手及手臂功能。該訓(xùn)練采用CyberGloves手套（一種VR數(shù)據(jù)手套），能夠有效改善患者的運(yùn)動(dòng)能力。

3 討論

雖然虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用發(fā)展很快，但也面臨許多技術(shù)、推廣應(yīng)用中的問(wèn)題。

在技術(shù)方面，VR環(huán)境的智能程度較低，只能對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行模擬，而無(wú)法還原物體在現(xiàn)實(shí)世界中的諸多性質(zhì)。用戶可交互、可操作的功能有限，在多數(shù)情況下用戶只可以通過(guò)視覺(jué)進(jìn)行觀察，難以通過(guò)其他感官與虛擬環(huán)境多種方式互動(dòng)。虛擬和真實(shí)世界難以達(dá)到融合，虛擬環(huán)境中的對(duì)象無(wú)法實(shí)現(xiàn)自身演化，缺乏生命力，在醫(yī)療領(lǐng)域的許多應(yīng)用無(wú)法達(dá)到理想的效果。圖像識(shí)別技術(shù)不成熟，在復(fù)雜圖形、動(dòng)態(tài)圖像方面，信息篩選、識(shí)別的正確率和精確率均較低，難以滿足在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的要求。實(shí)時(shí)三維建模技術(shù)缺乏，儲(chǔ)存、處理龐大的信息量和數(shù)據(jù)能力上的不足，都會(huì)影響虛擬環(huán)境呈現(xiàn)的整體沉浸感。除技術(shù)方面需求較高外，VR技術(shù)在應(yīng)用和推廣過(guò)程中也面臨困難。目前，應(yīng)用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的高精度VR設(shè)備成本高，且能掌握熟練操作技能的人才較少，使得這項(xiàng)技術(shù)難以大規(guī)模普及。同時(shí)，構(gòu)建虛擬人體、虛擬環(huán)境的設(shè)備價(jià)格昂貴，進(jìn)一步制約了其推廣應(yīng)用。3D模型的建設(shè)過(guò)程繁瑣、精密程度高，在技術(shù)上難以充分實(shí)現(xiàn)。此外，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)本身存在使用者在虛擬環(huán)境下容易失去方向感，導(dǎo)致暈動(dòng)病，可能會(huì)影響手術(shù)操作的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

VR技術(shù)自20世紀(jì)60年代在美國(guó)提出，發(fā)展至今，基本原理和實(shí)現(xiàn)方法已初步形成，并已應(yīng)用在多個(gè)領(lǐng)域中。在醫(yī)學(xué)上，VR技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用對(duì)醫(yī)學(xué)教育、輔助治療、康復(fù)等方面提供了很大幫助。其作用主要體現(xiàn)在克服了現(xiàn)實(shí)中醫(yī)療資源少、成本高的缺陷，打破空間限制。但VR技術(shù)的應(yīng)用成本較高，硬件和軟件條件仍有所不足；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是多學(xué)科多領(lǐng)域相互交叉、滲透、融合的產(chǎn)物，在計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)等技術(shù)方面的欠缺也會(huì)制約其發(fā)展。但這項(xiàng)新興技術(shù)還有著很大發(fā)展空間，將會(huì)有越來(lái)越多的技術(shù)人員與企業(yè)投入到VR的研發(fā)中，未來(lái)，隨著技術(shù)的不斷成熟、完善，將會(huì)為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)新的突破與變革。

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