虚拟现实技术、仿真与医学的关系

虚拟现实技术在医学中的应用及进展 关键词：虚拟现实技术 医学 随着计算机技术的飞速发展，正逐渐显示其强大的生命力。目前，它与多媒体、网络技术并成为三大前景最好的计算机技术，在越来越多的领域得到广泛的应用。

一、简述虚拟现实技术

1. 虚拟现实技术的科学含义 虚拟现实（virtual reality,VR）技术是由计算机生成的一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统。它通过视、听、触觉等作用于使用者，使之产生身临其境的交互视景的仿真。它综合了计算机图形、图像处理与模式识别，智能技术、传感技术、语言处理与音响技术、网络技术等多门科学，是现代仿真技术的进一步发展和应用。使用者借助必要的设备自然地与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，产生身临其境的感觉和体验，使人机交互更加自然和谐。 2. 虚拟现实技术的特点

多感知性（multisensory）、沉浸感（immersion）、交互性（interactivity）、构想性（imagination）。这些特征使操作者能够进入一个由计算机生成的交互式三维虚拟环境中，与之产生互动，进行交流。通过参与者与仿真环境的相互作用，并借助人本身对所接触事物的感知和认知能力，启发参与者的思维，全方位获取环境所蕴含的各种空间信息和逻辑信息。 3. 虚拟现实技术的构成 一般的VR系统主要由专业图形处理计算机、应用软件系统、输入设备和演示设备等组成，即人们可以通过视觉、听觉、触觉等信息通道感受到设计者思想的高级用户界面。 硬件平台：由于虚拟世界本身的复杂性及计算实时性的要求，产生虚拟环境所需的计算量极为巨大，这对中心计算机的配置提出了极高的要求。目前，国外的VR系统一般配有SGI或SUN工作站［1］，大型的VR系统，采用的是计算机并行处理系统。当前的研究趋于桌面虚拟现实系统，它价格较低、易于实现同时又能满足VR的部分特征要求，因而将会得到更为广泛的应用。 软件系统：软件系统是实现VR技术应用的关键。VR技术在国外的应用比国内早，目前具有代表性的桌面VR技术有：Web3D中的X3D、VRML、Java 3D、Cult3D Viewpoint、Atmosphere，以及应用于服务器上的Superscape VRT、EAI Sense 8 World ToolKit、MPI Vega等，它们为VR技术在虚拟医学系统中应用提供了工具。

二、虚拟现实技术在医学发展中研究状况

1、发展 1965年，Sutherland在篇名为<>的论文中首次提出了包括具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想，从此，人们正式开始了对虚拟现实系统的研究探索历程。而生命活动又是全世界人命关注的重点，每一种新技术的发现基本上都会应用到医学，所以虚拟现实技术自然而然就应到医学的研究中。

早在1985年，美国国立医学图书馆就开始人体解剖图像数字化的研究，并由美国科罗拉多州立医学院将一具男性尸体和女性尸体分别做了1mm和0.33mm间距的CT和MR扫描，所得图像数据经压缩后，建立了“可视人”并于1995年出版发型了CD盘片。学生可以在计算机屏幕上对“可视人”进行冠状面和矢状面而对解剖，并可把 局部的图像进行缩放。这一举措对解剖学的教学来说有着非同一般的意义。德国汉堡大学医用数学和计算机研究所进行的解剖三维可视化研究虚拟人体图谱，受试者的CT和MRT横截面映像或者组织学切片起空间模型。学生则可以自由地在三维人体空间进行各种操作。北卡罗来纳大学在1992年就开始进行超声图像与虚拟现实相结合的研究，把实时的超声扫描图像经信号变换传输到医生所戴的头盔显示器的，医生依赖于头盔的“看穿”能力。能看到超声图像映迭到病人身体上。1995年，在Internet上出现了“虚拟青蛙解剖”。“实验者”在网络上相互交流，发表自己的见解，甚至可以在屏幕上亲自动手进行解剖，用虚拟手术刀一层一层的分离青蛙，观察它的肌肉和骨骼组织。

随着计算机技术的迅速发展，虚拟现实技术现在已经比较成熟的应用与医学之中。 2、应用 虚拟现实在医疗领域的应用主要有：虚拟手术，数字医院，医学模拟演示，实训模拟演示,实训教学演示,医院虚拟仿真系统，虚拟医学仿真，虚拟现实技术在医学手术仿真训练等。使用计算机技术（主要是计算机图形学与虚拟现实）来模拟、指导医学手术所涉及的各种过程，在时间段上包括了术前、术中、术后，在实现的目的上有手术计划制定，手术排练演习，手术教学，手术技能训练，术中引导手术、术后康复等。 生物医学仿真应用 总括

在医学教育中广泛合理地运用实验教学手段,特别是实施仿真实践教学,对学生巩固医学基础理论、掌握基本操作技能、提高独立操作能力及分析问题和解决问题的能力至关重要. 医疗手术虚拟培训系统

是最受欢迎的一种学习培训方式。数虎图像是利用各种医学影像数据和虚拟现实技术在计算机中建立一个模拟环境，医生借助虚拟环境中的信息进行手术计划、训练，以及在实际手术过程中引导手术的新兴学科。其目的是： 使用计算机技术（主要是计算机图形学与虚拟现实）来模拟、指导医学手术所涉及的各种过程，在时间段上包括了术前、术中、术后；在实现的目的上有手术计划制定，手术排练演习，手术教学，手术技能训练，术中引导手术、术后康复等。

（一）虚拟现实技术在医学教学中的运用

１、辅助病情判断 可以在虚拟人体模型上开展各种无法在真人身上进行的诊断与治疗研究，使诊断和治疗个性化，最终能够预测人体对新的治疗方法的响应。虚拟技术还能变定性为定量，使医院诊断治疗达到直观化、可视化、精确化的效果。例如传统医学诊断主要靠医生的学识和经验，但医生也有“吃不准”的时候，这就会导致误诊。虚拟手术系统将所有人体信息收集储存在电脑里，诊断前医生先将药物影响数据输入电脑，系统协助医生作出判断。

２、协助建立手术方案 能够利用图像技术，帮助医生合理、定量的定制手术方案，能够辅助选择最佳手术途径、减少手术损伤、减少对组织损害、提高病灶定位精度，以便执行复杂外科手术和提高手术成功率等。虚拟手术系统可以预演手术的整个过程以便事先发现手术中可能出现的问题，使医生能够依靠术前获得的医学影像信息，建立三维模型，在计算机建立的虚拟环境中设计手术过程、切口部位、角度，提高手术的成功率。

３、手术训练教学

它的原理就是： 使用计算机技术（主要是计算机图形与虚拟现实系统）来模拟和指导医学手术所涉及的各种过程。在时间段上包括了术前、术中、术后；旨在实现手术教学、手术计划制定、手术排练演习、手术技能训练、术后康复等模拟应用。

其实VR技术在医学中的应用是非常有前景的，学员在进行手术学学习的之前，可以通过VR制作的模拟手术系统进行预习，这样，在进行实际操作的时侯，有的放矢，教学效果相比预习文字描述的步骤要深刻的多，将大大减少失误造成的实验动物和标本的浪费。

比如，在学习诊断学时，心脏的心音听诊是个难点，这时可以让学员通过VR系统，在虚拟的病人身上，直接看到心脏内部的结构，将心音的录音，与心脏实际的工作过程相关联，使学员可以以三维的方式，从各个角度，观看心瓣膜工作状态与心音产生的关系，这种学习的直观程度，即使在真实病人的身上，配合彩色超声也很难达。

临床上，８０％的手术失误是人为因素引起的，所以手术训练极其重要。医生可在虚拟手术系统上观察专家手术过程，也可重复练习。虚拟手术使得手术培训的时间大为缩短，同时减少了对昂贵的实验对象的需求。由于虚拟手术系统可为操作者提供一个极具真实感和沉浸感的训练环境，力反馈绘制算法能够制造很好的临场感，所以训练过程与真实情况几乎一致，尤其是能够获得在实际手术中的手感。计算机还能够给出一次手术练习的评价。在虚拟环境中进行手术，不会发生严重的意外，能够提高医生的协作能力外科医生在真正动手术之前，通过虚拟现实技术的帮助，能在显示器上重复地模拟手术，移动人体内的器官，寻找最佳手术方案并提高熟练度。另外，在远距离遥控外科手术，复杂手术的计划安排，手术过程的信息指导，手术后果预测及改善残疾人生活状况，乃至新药研制等方面，虚拟现实技术都能发挥十分重要的作用。

４、保护医生和降低培训费用 数虎图像虚拟手术系统既可用于教学，也可让一般大夫进行模拟手术练习。其内容十分简单，很像一张普通 游戏光盘，放入计算机内即可在屏幕上显示出一个虚拟的手术室及手术的详细过程，学生或一般大夫可在虚拟手术中反复训练高难度的操作方法，直至达到完美无缺为止。

在虚拟环境中，可以建立虚拟的人体模型，借助于跟踪球、HMD、感觉手套，学生可以很容易了解人体内部各器官结构，这比现有的采用教科书的方式要有效得多。Pieper及Satara等研究者在90年代初基于两个SGI工作站建立了一个虚拟外科手术训练器，用于腿部及腹部外科手术模拟。这个虚拟的环境包括虚拟的手术台与手术灯，虚拟的外科工具（如手术刀、注射器、手术钳等），虚拟的人体模型与器官等。借助于HMD及感觉手套，使用者可以对虚拟的人体模型进行手术。但该系统有待进一步改进，如需提高环境的真实感，增加网络功能，使其能同时培训多个使用者，或可在外地专家的指导下工作等。另外，在远距离遥控外科手术，复杂手术的计划安排，手术过程的信息指导，手术后果预测及改善残疾人生恬状况，乃至新型药物的研制等方面，VR技术都有十分重要的意义。 在医学院校，学生可在虚拟实验室中，进行“尸体”解剖和各种手术练习。用这项技术，由于不受标本、场地等的限制，所以培训费用大大降低。一些用于医学培训、实习和研究的虚拟现实系统，仿真程度非常高，其优越性和效果是不可估量和不可比拟的。例如，导管插入动脉的模拟器，可以使学生反复实践导管插入动脉时的操作；眼睛手术模拟器，根据人眼的前眼结构创造出三维立体图像，并带有实时的触觉反馈，学生利用它可以观察模拟移去晶状体的全过程，并观察到眼睛前部结构的血管、虹膜和巩膜组织及角膜的透明度等。还有麻醉虚拟现实系统、口腔手术模拟器等。

（二）虚拟现实技术在药物研究中的应用

美国北卡罗来纳大学研制的Grope应用VR技术进行复杂分子合成实验，研究人员在VR境界中控制药物分子模型，通过所模拟分子的分子力反馈测试出把该药物分子安放在其他分子的结合基上的最佳方向，即所谓的“分子入位”。利用计算机生成的分子模型，把所有相关类型的药物连接在一起，并将其锁定在病原体上，从而解除病原体的致病能力。药物设计师戴上三维实体眼镜，在屏幕上观察分子结构的立体图像，使分子间能相互结合，研究人员正在用这种方法研制抗癌药的合成。

（三）虚拟现实技术在康复医学中的应用 虚拟现实技术已经被广泛应用于康复治疗的各个方面: 在注意力缺陷、 空间感知障碍、 记忆障碍等认知康复, 焦虑、 抑郁、 恐怖等情绪障碍和其他精神疾患的康复, 运动不能、 平衡协调性差和舞蹈症等运动障碍康复等领域都取得了很好的康复疗效[1]。空间感知障碍和运动功能受损患者的康复训练是康复医疗的重要内容之一。 运动障碍是以运动异常为特征的各种障碍, 包括运动不能( 运动发动困难)、 震颤、 舞蹈症、扭转痉挛、 斜颈、 张力障碍、 颤搐、 抽动和肌阵挛等症状, 本文所论述的运动障碍包括所有运动性、 观念性、观念- 运动性和记忆缺失性的, 有目标的空间运动能力的丧失。