虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展

中國(guó)醫(yī)科大學(xué)　李可心中國(guó)醫(yī)科大學(xué)計(jì)算機(jī)教研室　劉尚輝

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展

中國(guó)醫(yī)科大學(xué)李可心
中國(guó)醫(yī)科大學(xué)計(jì)算機(jī)教研室劉尚輝

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（virtual reality）作為近年來(lái)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(gè)領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)利用計(jì)算機(jī)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(shí)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(shí)；醫(yī)學(xué)教育；臨床治療

近年來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展使得計(jì)算機(jī)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(shí)技術(shù)（virtual reality）作為近年來(lái)新興科技也在醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域中產(chǎn)生了深遠(yuǎn)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(gè)綜合計(jì)算機(jī)、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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)模擬出的三維虛擬空間中，通過(guò)模擬使用者的聽覺(jué)、觸覺(jué)、視覺(jué)等多種感官，使其身臨其境［2］。

1　虛擬現(xiàn)實(shí)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(lái)對(duì)手術(shù)全過(guò)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幾部分［3］。在現(xiàn)有的醫(yī)學(xué)生培養(yǎng)過(guò)程中，由于醫(yī)療環(huán)境的變化、標(biāo)本短缺、成本昂貴等問(wèn)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(shí)際手術(shù)中，醫(yī)生主要依靠視覺(jué)與觸覺(jué)反饋信息進(jìn)行手術(shù)操作，因此虛擬手術(shù)系統(tǒng)大都是針對(duì)視覺(jué)與觸覺(jué)兩大方面的仿真研究，通過(guò)視覺(jué)反饋直觀地呈現(xiàn)出逼真的虛擬手術(shù)場(chǎng)景及操作對(duì)象，利用觸覺(jué)反饋感受虛擬環(huán)境中力的作用并對(duì)操作作出及時(shí)、正確的判斷［4］。

1.2醫(yī)學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室

虛擬實(shí)驗(yàn)室就是以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為核心，將虛擬儀器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析和遠(yuǎn)程操作的一個(gè)系統(tǒng)［5］。醫(yī)學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目缂夹g(shù)實(shí)現(xiàn)研究基于對(duì)適用技術(shù)思想、戴爾經(jīng)驗(yàn)之塔理論進(jìn)行的梳理和分析，提出了醫(yī)學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ烷_發(fā)的跨技術(shù)概念［6］。虛擬實(shí)驗(yàn)室的硬件是解決信號(hào)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(shí)驗(yàn)室的軟件一般多用基于圖形方式的LAB V IEW語(yǔ)言編寫［3］。在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，醫(yī)學(xué)生可以自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，充分提高了學(xué)生的創(chuàng)新和動(dòng)手能力。特別是一些現(xiàn)實(shí)中危險(xiǎn)系數(shù)較高的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的方式也可以讓學(xué)生們有更多的體會(huì)。虛擬實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)可重復(fù)性也將提高學(xué)生的科研能力，即使找到實(shí)驗(yàn)的不足加以彌補(bǔ)，高校、便捷、節(jié)約資源。由此衍生出的虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)醫(yī)學(xué)生的實(shí)踐操作能力提升也有很大的輔助作用。

2　虛擬現(xiàn)實(shí)在疾病治療中的應(yīng)用

2.1虛擬現(xiàn)實(shí)在腦卒中治療中的作用

Kim N［7］等人對(duì)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(shí)跑步機(jī)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(shí)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(dòng)功能，有足夠的證據(jù)來(lái)證明虛擬現(xiàn)實(shí)和交互式視頻游戲能夠改善握力、步態(tài)速度或整體運(yùn)動(dòng)功能。國(guó)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(jìn)行運(yùn)動(dòng)康復(fù)治療，有效改善步行穩(wěn)定性和對(duì)稱性，避免了傳統(tǒng)康復(fù)治療過(guò)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(dòng)性和參與性，促使其更快更好的回歸社會(huì)和家庭［9］。

2.2虛擬現(xiàn)實(shí)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(huì)出現(xiàn)創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙（PTSD），針對(duì)這種心理問(wèn)題，基于互聯(lián)網(wǎng)的早期干預(yù)對(duì)于疾病的預(yù)后有積極的影響。虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)驗(yàn)研究表明，虛擬現(xiàn)實(shí)暴露療法在治療焦慮障礙時(shí)是有效的，試經(jīng)治療之后，對(duì)情境的控制感和自我效能感提升，消極自我評(píng)價(jià)降低，對(duì)創(chuàng)傷事件的容忍力提高，重新獲得對(duì)情境的控制感［12］。Meyerbr?ker K，Emmelkamp PM［13］的研究也證實(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)暴露療法（VRET）已成為治療焦慮障礙的一個(gè)不錯(cuò)選擇。過(guò)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(shí)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(dá)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(jìn)食障礙和精神分裂癥等，虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)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(jì)算機(jī)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(shí)技術(shù)等現(xiàn)代化技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，這項(xiàng)新的技術(shù)通過(guò)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(guò)計(jì)算機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)生成人體各個(gè)器官的三維模型，之后對(duì)生成的三維模型進(jìn)行可視化顯示［15］。從某種程度來(lái)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(xiǎn)，它具有非侵入性、重復(fù)使用、動(dòng)態(tài)病理分析、無(wú)檢查死角等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)［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(lái)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(shí)的器官三維重建

運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言（Virtual Reality Modeling Language，VRML）技術(shù)進(jìn)行醫(yī)學(xué)人體數(shù)據(jù)的三維重建是目前國(guó)內(nèi)不同于傳統(tǒng)三維重建技術(shù)的一種新方法，運(yùn)用VRML建模不論從重建效果還是從實(shí)時(shí)交互性方面都有其獨(dú)到之處［17］。王明炎［18］等提出了虛擬現(xiàn)實(shí)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(tái)對(duì)骨盆和盆腔內(nèi)的主要臟器進(jìn)行三維重建，并在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下進(jìn)行虛擬手術(shù)的操作，使模擬手術(shù)更為簡(jiǎn)便和真實(shí)。

4　總結(jié)與展望

隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)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(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的期待還有一定的距離。由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是多學(xué)科的交叉應(yīng)用，虛擬現(xiàn)實(shí)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(jìn)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(shí)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(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)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(xiàn)。

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劉尚輝。

項(xiàng)目來(lái)源：黑河學(xué)院教育科學(xué)研究專項(xiàng)課題“《環(huán)境監(jiān)測(cè)》4A網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)與應(yīng)用實(shí)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(shí)（VR）實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建設(shè)”（項(xiàng)目編號(hào)：JG14DB451）以及中國(guó)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(xiàng)課題（項(xiàng)目編號(hào)：YDJK2014013）的階段研究成果。