虛擬現實技術在未來醫療領域的應用

謝夢怡

（泉州信息工程學院，福建 泉州 362000）

虛擬現實技術在未來醫療領域的應用

謝夢怡

（泉州信息工程學院，福建 泉州 362000）

根據中國醫療界相關數據的統計，我國每年非正常死亡人數在800萬人以上，其中約有40萬人因醫療事故、服用藥物致死。除此之外，人為原因導致的事故案例占有一定的比例，究其原因主要是醫務人員工作強度大、疲勞失神、病情誤判，操作失誤造成。而這些是傳統醫療存在的失誤和遺漏。為了從根本上改善傳統醫療的這些失誤，虛擬現實技術應運而生。虛擬現實技術在醫療中能夠對疾病的診斷、康復以及醫學院學生的培訓發揮舉足輕重的作用。它利用計算機和專業軟件構造一個虛擬的自然環境，將計算機和用戶合成一個成體。

虛擬現實技術；醫療；計算機

在醫學上，傳統的醫療存在資源配置不合理、流程繁鎖，操作門檻過高，缺乏人性關懷等問題，造成醫患關系緊張甚至出現人命關天的事件。為了有效地避免醫療事故的發生，虛擬現實技術的誕生能夠在一定程度上合理地使用醫療資源，簡化流程，避免醫務人員的操作失誤與病情的診斷。本文主要從虛擬現實技術的現狀、概念、特點、工作原理、相關技術、醫療領域應用來闡述。

1 虛擬現實技術的現狀

早在1963年以前就有提出虛擬現實的思想，1963—1972是虛擬現實萌芽階段，1973—1989年是虛擬現實理論初步形成，1990—2004年虛擬現實理論得到進一步完美和應用。21世紀是虛擬現實技術的一個新時代，在各個國家引起不同的影響。

1.1 虛擬現實技術在北美的現狀

虛擬現實技術發源于美國，剛開始，僅限于專用領域，比如軍事方面，航天領域的模擬訓練。隨著科學技術的異軍突起和社會的不斷發展，虛擬現實技術逐漸從專用轉為民用。1980—1989年，美國國防部和美國宇航局組織了一系列對于虛擬現實技術的研究，到了目前，已經建立了多個應用領域的系統。例如，空間站、航空、衛星維護的虛擬現實訓練系統，虛擬現實教育系統；動態虛擬環境中的流體實時仿真系統；在真實的環境上疊加了虛擬環境，簡化零部件的加工流程；在未來辦公室上，設計一項基于虛擬現實的窗口系統。以上所述的虛擬現實主要基于傳感器技術和圖形圖像處理技術。當前，虛擬現實技術主要關注的是時間的實時性和空間的動態性。

1.2 虛擬現實技術在歐洲的現狀

作為發達國家之一的英國。處于領先地位的是硬件和軟件，主要有輔助設備設計、分布并行處理和應用；德國則將虛擬現實技術應用于對傳統產業的改造、產品的演示以及培訓3個方面，可以降低成本，吸引客戶等；瑞 典的分布式虛擬現實系統是基于Unix，在不同節點上的多個進程可以在環境中工作的異質分布式系統[1]。

1.3 虛擬現實技術在我國的現狀

相比發達國家的技術，虛擬現實技術在我國的起步比國外發達國家較晚，同時也存在一定的差距。當今國際的競爭不僅是經濟，軍事的競爭，更多的是科技的競爭。因此根據我國的國情，提出科技是國家強盛之基，創新是民族進步之魂的理論。當今時代引起國家的高度重視，不斷有相關部門和科學家們提出制定開展虛擬現實技術的研究計劃。

國內的一些重點院校，也積極投入展開這一領域的研究工作。在國內最早進行虛擬現實技術研究的重點院校有北京航空航天大學計算機系，浙江大學計算機輔助設計與圖形學國家重點實驗室，而北京航空航天大學在研究探索中著重研究虛擬環境中實體的物理特性應如何表示以及處理的解決方法；在虛擬環境與現實環境的接口中對視覺接口方面開發出部分硬件，相應提出有關算法及實現方法；實現了DIVE的網絡設計，可以提供實時三維動態數據庫、虛擬現實演示環境、虛擬現實應用系統的開發平臺等。

2 虛擬現實技術的定義

所謂的虛擬現實技術又稱靈境技術或人工環境，是一種綜合利用三維計算機圖形學技術、多功能傳感器的交互式接口技術以及高清晰度和高更新速度的顯示技術構成。簡而言之，虛擬現實技術就是在計算機中建立一個特殊環境來模擬真實環境的場景，通過各種傳感器設備，比如數據衣、數據手套，數據頭盔在虛擬環境中對模型的處理與用戶的手聯系起來，并進行操作和控制，以達到需要的目的。將用戶的感知帶入由它創建的虛擬環境，并讓用戶以為眼前的一切都是真實的。虛擬現實技術能讓用戶實現在自然環境下的各種感知的高級人機交互技術。例如通過虛擬現實技術，用戶不用購買機票到某地旅游，而只需通過虛擬現實技術就能體驗到某地旅游的樂趣，享受看山玩水的好心情。

3 虛擬現實技術的特點

3.1 人機之間的交互性

即實現用戶在虛擬環境中與物體之間的可操作性和充分交換信息，以及包括從環境得到反饋信息的表示。用戶通過自身的語言，身體運動或動作等自然技能，對虛擬環境中的對象進行觸摸或操作。為了實現交互性必須設計特殊輸入設備，而這些設備能夠將用戶所發出的指令進行識別和輸入，同時對用戶發出的指令作出相應的反饋，以實現現實環境中的仿真效果。

3.2 存在感

即臨場感或沉浸感，指用戶在模擬的環境中以自己真實身份的物理存在，或者在這種意識狀態下，用戶會擁有一種看上去真實從而感覺真實的虛擬體驗?？梢允褂脩粼诶硐氲哪M環境中達到真假難辨的程度，有身臨其境的體驗。存在感可以在虛擬環境中營造出令用戶無法懷疑的現實感，用戶也相信虛擬環境的真實性。

3.3 多感知性

在虛擬環境中，用戶以逼真的身份存在，所以用戶在現實生活中的人體感覺在虛擬環境中也存在，包括視覺感知、聽覺感知、觸覺感知、味覺感知、嗅覺感知、運動感知，重力感知等。最理想的虛擬現實是具有現實環境的所有感知功能，而虛擬現實的多感知目前處于初級階段，一些感知還有待新的技術的開發，例如位置感知。

3.4 自主性

即在虛擬環境中的物體依據現實世界物理定律運動的程度，也就是現實已知規律的指導虛擬世界的運行和對未知世界的想象結合。

4 虛擬現實技術的工作原理

4.1 基礎硬件

當前虛擬現實技術的設備可以大致分成兩個類別，一是需要借助外來的硬件協助運算的即需要連接一臺高性能計算機才能運作。

另一個類別則是依賴設備內置硬件完成運算的，無需其他設備協助，能夠完全獨立工作。

4.2 頭部追蹤

指用戶頭戴虛擬現實的設備時，呈現在眼前的場景會隨著用戶頭部的移動而做上下左右方向的改變。這種設備會將用戶頭部所做的移動軌跡轉化成空間的x，y，z的3個坐標，來精確測量頭部的前后左右移動等動作。同時，用戶戴著的耳機也能用于提高存在感。特別是在游戲中能夠使雙耳或3D音頻達到有效的利用，與頭部追蹤技術同步合作應用，能給用戶帶來現實環境的音效感受。

4.3 動作追蹤

可以使用紅外線傳感器，攝像頭，無線控制器來追蹤用戶的全身動作。而這些設備有的會在房間里定位2個基站，并且將整個房間布滿激光。根據用戶頭部戴著的虛擬現實設備和手上光電管傳感器相互碰撞來準確地檢測到用戶的頭部和手的位置。

4.4 眼部追蹤

采用透鏡來實現眼部追蹤，而透鏡需要聚焦光線，可以使用戶感覺虛擬設備的顯示器似乎在很遠的距離之外。大多數頭盔設備都采用了特殊的菲涅耳透鏡，這些透鏡還被用來放大頭盔的內置顯示屏，可以使圖像占據用戶的整個視野而不會注意到屏幕外的景象。

5 虛擬現實技術的相關技術

5.1 三維視覺顯示技術

人類對客觀事物的反應是獲取視覺信息最主要的傳感通道，視覺通道成為虛擬現實系統獲得視覺、觸覺、聽覺、嗅覺、味覺等多感知的最重要環節。在視覺顯示技術中，實現三維顯示技術是作為虛擬現實技術的重要支撐技術。

5.2 虛擬環境建模技術

在虛擬現實系統中，建立虛擬環境至關重要，先要進行建模，其次在其基礎上實現實時繪制、三維顯示，營造一個虛擬的環境。

5.3 真實感實時繪制技術

利用在計算機中實現現實環境的場景畫面。模擬出現實物體的物理屬性，比如物體的形狀、光學性質、紋理和粗糙程度，以及物體間的相對位置、遮擋關系等等。

5.4 立體虛擬聲音的實現技術

在虛擬現實系統除了有視覺顯示之外，如果加入立體虛擬聲音，則可以更好地增強用戶在虛擬環境中的存在感和人機之間的交互性，也可以減弱大腦依賴于視覺，能夠使用戶在虛擬環境中獲取更多地視覺感受和聽覺感受，實現真實的環境。

6 虛擬現實技術在醫療的應用

6.1 運動障礙治療

對于患有動作不連貫，不能隨心所動的患者，可以采用傳統的康復治療方法，既浪費時間又消耗體力，訓練簡單乏味，有時訓練強度和效果未能及時評估，很容易使患者錯失訓練的最佳時機，而結合虛擬現實技術可以利用虛擬環境與相關的仿真技術使患者處于逼真的環境中進行康復訓練，將患者的動作通過輸入設備把自己的動作輸入計算機，并輸出反饋信息。同時可以有音頻的輸入，可以使患者在訓練中找到樂趣，緩解了傳統治療方法帶來的負面效果，達到省時省力，也提高了患者做康復的積極性，提高治療效率。

6.2 心理治療

例如：從戰場回來的退伍老兵容易患創傷后應激障礙，容易精神緊張。導致出現焦慮、消沉、易怒和無法集中注意力，更有甚者，會出現自殺或謀殺行為，這些士兵退伍后，如果無法治愈將帶來嚴重的社會問題，而作為治療心理疾病的醫務人員有時也會受影響。此時利用虛擬現實技術進行心理治療，這種方法稱為“暴露療法”。通過虛擬仿真技術將患者置于虛擬環境中，讓其感受造成心理創傷或者恐懼的環境，而心理學家則在旁邊陪伴并引導他們逐步適應環境，慢慢地幫助患者克服恐懼心理，達到治療目的。

6.3 醫療培訓及教育

對于剛從醫學院畢業的外科醫生而言，外科手術模擬器對他們來說是重要的工具，而醫院通常要為此花費無數，畢竟這關系每個人的生命。隨著虛擬現實技術的發展，仿真技術和壓力反饋技術的結合，實現逼真的模擬環境，讓醫護人員能夠在虛擬環境下，得到更多的鍛煉和技術技巧知識。同時對提高醫護人員的技能也比較安全，通過使用虛擬現實設備讓醫學生深刻體會到做手術的感覺。

7 結語

虛擬現實技術是進入21世紀的又一新的技術，其應用不僅在醫療方面，還應用在教育、城市規劃、地理交通、人體模擬等領域。據有關信息統計，2016年是我國虛擬現實技術產業的爆發元年，這一技術的應用將改變傳統方式的解決方法，也對未來的發展意義重大。在醫療方面，對遠程醫療中采用虛擬現實技術，異地患者提供各種參數可以向一些資源豐富地區的醫療專家咨詢，醫療專家只需在虛擬病人身上及時作出結論，給出相應的治療方法，可以為異地的患者解決疑難雜癥，也解決了患者就醫的困難。

[1]楊江濤.虛擬現實技術的國內外研究現狀與發展[J].信息通道，2015（1）：45-46.

Application of virtual reality technique in the future medical field

Xie Mengyi
（Quanzhou Institute of Information Engineering, Quanzhou 362000, China）

According to the statistics from related data of China’s medical field, the number of non normal deaths per year in China is more than 8 million, including 400 thousand deaths from medical accidents and taking medicine. In addition, cases of accidents caused by humans also assumes a certain proportion, which results from work intensity causing the medical staff fatigue, absent-mindedness to misjudge illness and make operational errors. These are errors and omission in the traditional medical treatment. The virtual reality technology plays an important role in the diagnosis of disease in medical treatment, rehabilitation and training of medical college students. It makes use of the computer and professional software to construct a virtual natural environment and integers computer and user as a whole.

virtual reality technique; medical; computers

謝夢怡 （1986— ），女，福建泉州，碩士；研究方向：數據庫應用技術。