虛擬現(xiàn)實技術在醫(yī)學中的應用

許彥劼綜述，夏 明審校

0 引 言

虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，VR)技術是一種用以代替或增強使用者真實體驗的仿真系統(tǒng)。用戶自然地沉浸其中，通過各種方式與傳感系統(tǒng)交互來喚醒或是復制其對真實物質(zhì)世界的感受[1-3]。該技術已在許多領域中有著廣泛的運用，而從1963年至今，VR技術展現(xiàn)出了其在醫(yī)學領域中越來越多的應用可能。

1 虛擬現(xiàn)實技術的特點及其重要性

虛擬現(xiàn)實技術作為一種新的現(xiàn)代化技術，主要有3個特性，分別是沉浸性、交互性和構想性[2]。

1.1沉浸性(Immersion) 沉浸性是VR技術最主要的技術特征，旨在利用計算機產(chǎn)生的三維虛擬環(huán)境，讓人沉浸于數(shù)據(jù)空間中，以更自然、更直接的方式與數(shù)據(jù)交互，有一種身臨其境的感覺。所謂的“沉浸感”就是要讓用戶覺得自己是虛擬環(huán)境的一部分，而不是一個旁觀者。

1.2交互性(Interactivity) 交互性是指在計算機生成的這種虛擬環(huán)境中，人們可以利用一些傳感設備進行交互，感覺就像是在真實客觀世界中一樣，比如：當用戶用手去抓取虛擬環(huán)境中的物體時，手就有握東西的感覺，而且可感覺到物體的重量。

1.3構想性(Imagination) 構想性由于VR并不只是一種媒介或一個高層終端用戶界面，它的應用能解決在工程、醫(yī)學、軍事等方面的一些問題，這些應用是VR與設計者并行操作，為發(fā)揮它們的創(chuàng)造性而設計的，這極大地依賴于人類的想象力，這就是VR的第三個特征：構想性。

在20世紀，我們對人體的結構與功能以及疾病的發(fā)生機制有了越來越深的理解。同時，這個過程也伴隨著診斷和成像技術的進步以及治療和處理疾病方法的改善。這樣一個快速增長的知識庫使我們不得不接受新知識、新技術以及新的教學方法[4]。

但同時，在歐美國家，隨著醫(yī)療事業(yè)的現(xiàn)代化以及地區(qū)工作時間調(diào)整的指令，實習生的工作時間從30 000 h縮減到了6000 h[5]。醫(yī)學教育與其他基礎學科的教學有所不同，它不但要傳授必備的醫(yī)學理論及原理，也需要學生在實踐中摸索成長，傳統(tǒng)的醫(yī)學教學模式的局限性嚴重影響著醫(yī)學教學的效果。這就意味著，對于像外科手術這樣高度依賴精細操作的技能，“動手時間”的減少可能會對訓練產(chǎn)生重大影響[6]。此外，隨著學生人數(shù)的增加，床位緊張，以及患者和公眾的期望的不斷提高，新的教學方法的出現(xiàn)顯得尤為迫切[7-8]。

而當下計算機技術的發(fā)展，特別是虛擬現(xiàn)實技術的應用，將對傳統(tǒng)的醫(yī)學教學模式產(chǎn)生巨大的影響[9]。虛擬現(xiàn)實技術是多媒體技術發(fā)展的更高境界，是這些技術更高層次的集成和滲透；它能給用戶以更逼真的體驗，它為人們探索宏觀世界和微觀世界以及種種原因不便于直接觀察的事物的運動變化規(guī)律，提供了極大的便利。

2 虛擬現(xiàn)實技術在醫(yī)學中的應用

虛擬現(xiàn)實技術應用于醫(yī)學，稱之為虛擬醫(yī)學(Virtual Medicine)或仿真醫(yī)學。1965年Robert Mann首先提出了在醫(yī)學中建立虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，并應用于康復工程的想法[10]。目前，隨著信息科學和生命科學的飛速發(fā)展，不同學科間的交叉和滲透，使得新興技術越來越多地應用到醫(yī)學領域。在醫(yī)學教學和仿真訓練等方面，VR技術有著不可替代和令人鼓舞的發(fā)展前景[11]。

2.1在醫(yī)學教學中的應用由于虛擬現(xiàn)實技術具有沉浸性、交互性和構想性的特征，所以將其應用于醫(yī)學教育的實驗教學中，對醫(yī)學職業(yè)技能的培養(yǎng)具有獨特的優(yōu)勢，它可以模擬難以講解的教學場景，使之可視化并具有可參與性。通過虛擬現(xiàn)實設備，使用者可以在一個幾乎完全虛擬的環(huán)境中切身體驗醫(yī)學教科書中的一些需要動畫、交互的頁面[12]。如在學習人體解剖學時，傳統(tǒng)的人體解剖學教學方法是以課堂教學為主，再結合圖譜、模型并配以尸體解剖來加深學生的理解，尸體標本是傳統(tǒng)人體解剖學教學必不可少的條件，標本缺乏嚴重影響著教學質(zhì)量[13-14]。現(xiàn)四川大學已研發(fā)了一款《人衛(wèi)3D系統(tǒng)解剖學》VR版，通過計算機技術和生物技術的整合，將人體的物理、化學、生物信息數(shù)字化所建立出的數(shù)字化虛擬人體，能夠完整地描述出人體的細胞、組織、器官、系統(tǒng)的解剖構成、生理及病理情況，提供器官或組織結構在人體空間的精確定位，并且可以根據(jù)需要任意放大、旋轉和平移，還可以選擇任意人體組織結構的三維模型，并將其從數(shù)字化虛擬人體中獨立出來，再對其進行局部的觀察。學生還可以利用專業(yè)的虛擬解剖手術器械，來模擬解剖手術的各種動作。如果使用專業(yè)的力反饋器械和系統(tǒng)并給予模擬解剖操作中的力回饋, 則學生可以感受到人體組織的不同質(zhì)感。虛擬現(xiàn)實技術能使學生在虛擬的人體標本上進行解剖觀察和學習，不僅調(diào)動了學生的學習興趣，而且將抽象的內(nèi)容具體化、形象化，給學生留下深刻的記憶，也給教員提供了方便，且大大提高了教學質(zhì)量。同時可緩解尸體標本缺乏的狀態(tài)，降低教學成本，彌補教學條件的不足，減少了危險性。

2.2在臨床工作中的應用目前在中國，醫(yī)患間的不信任導致醫(yī)療糾紛激化，許多患者拒絕讓年輕醫(yī)師做手術[15-16]。同時，每個專業(yè)的臨床見習操作時間相對有限，且不同醫(yī)院病例數(shù)量差異較大，多種因素最終導致了醫(yī)學生在醫(yī)學實踐中的接觸體驗相對不平等或不充分。而虛擬現(xiàn)實技術能作為一個平臺，給醫(yī)學生們提供一個在遠離患者、無風險的環(huán)境下進行重復練習的機會，讓醫(yī)學生和低年資醫(yī)師從多個角度去觀察、分析病例[17-19]。醫(yī)務人員根據(jù)現(xiàn)有的醫(yī)學檢查設備，如利用從CT、MRI中獲取的影像數(shù)據(jù)，通過虛擬現(xiàn)實技術，構造出一個虛擬的手術對象，并結合力反饋系統(tǒng)來模擬手術的各種動作，從而感受到人體組織的不同質(zhì)感。醫(yī)務人員可以隨時使用虛擬的手術器械進行手術練習，從而解決臨床中實際動手及親身體驗機會少的弊端。在虛擬環(huán)境中，住院醫(yī)師可以針對一個手術術式反復操作，增強其技術的熟練度，對制定手術方案、尋找最佳手術路徑、提高手術精準性等具有十分重要的現(xiàn)實意義，同時也不用擔心對患者造成身體或心理上的傷害，避免醫(yī)學倫理問題[20-22]。解放軍總醫(yī)院開發(fā)的膝關節(jié)鏡仿真訓練系統(tǒng)針對初學者、中職學員、高職學員開發(fā)了對應的虛擬訓練模塊，充分考慮不同學習者的需求，初學者利用力反饋交互設備來學習關節(jié)囊內(nèi)部解剖結構；中職學員可通過中級模塊查找關節(jié)囊內(nèi)的預設定位點、囊內(nèi)組織探查以及雙手協(xié)同操作的能力；高級模塊則為高職學員提供了常見的4種手術的虛擬，并可在系統(tǒng)提示下利用力反饋設備真實體驗手術的操作過程。通過對不同級別的學員進行訓練后發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)能有效提高手術技能培訓效果，目前該系統(tǒng)已在國家執(zhí)業(yè)醫(yī)師協(xié)會關節(jié)鏡培訓基地用于執(zhí)業(yè)醫(yī)師訓練[23]。

通過虛擬手術操作，不僅可以使初學者對手術操作有感性認識和切身體會，而且可以將經(jīng)驗豐富的醫(yī)師設計的手術方案及大致過程呈現(xiàn)在患者及其家屬面前，以此來增強醫(yī)患間的溝通與交流[24]。如對于復雜的手術，虛擬現(xiàn)實技術可以把各種診斷傳感器搜集到的信息集成到手術所處的實際環(huán)境的模型中，醫(yī)師可以在這個虛擬環(huán)境中觀察、分析，預演手術的整個過程以便發(fā)現(xiàn)手術中可能出現(xiàn)的問題，檢驗手術方案的可行性，隨時調(diào)整手術方式及手法[25]。這種模擬不僅能大大提高手術成功的概率，而且可以作為重要的醫(yī)學教學資料。例如，VR技術可用于構建精確的肝三維模型及其解剖結構的詳細特征(包括腫瘤形態(tài)、大小、與周圍組織及血管的關系)，這些可以幫助醫(yī)師向患者闡明復雜的肝切除手術的風險和多種可能性[26-27]。另一方面借助這種設備，完全不需要特殊的手術對象、器材以及場所，從而大大降低醫(yī)務人員培訓的費用，并可減少醫(yī)療垃圾的生成[28]。而且對于在感染、放射條件下的手術練習，更是具備了傳統(tǒng)手術練習不可比擬的優(yōu)點。

此外，外科手術需要的不僅僅是醫(yī)師的技術和技巧。研究發(fā)現(xiàn)，43%的手術失誤涉及了醫(yī)務人員之間的交流問題[29]。近年來，醫(yī)療團隊的合作和溝通的重要性得到越來越多的重視，它是貫穿外科手術全程的一個重要組成部分。而這種沉浸式的環(huán)境將有助于醫(yī)務人員建立融洽的關系和彼此之間的默契[30-32]。

2.3虛擬現(xiàn)實技術在遠程手術中的應用遠程手術(telesurgery)是指外科醫(yī)師通過使用計算機及通信技術遠距離地對患者實施或協(xié)助實施手術的一種先進的醫(yī)療方式[12]。在遠程醫(yī)療中采用虛擬現(xiàn)實技術，可以將裝備有基于虛擬現(xiàn)實技術的遠程控制中心與患者所在的當?shù)蒯t(yī)院建立起遠程醫(yī)療虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，醫(yī)師只需對虛擬患者的模型進行手術，并通過高速網(wǎng)絡將醫(yī)師的動作傳送到網(wǎng)絡另一端的手術機器人，由機器人對患者進行手術；手術實際進展的錄像也可通過機器人的攝像機實時地傳回給醫(yī)師的頭盔立體顯示器，并將其與虛擬患者疊加，以便醫(yī)師實時掌握手術情況并發(fā)出手術指令。世界上第一例遠程手術發(fā)生在 2001 年，醫(yī)師在紐約，患者在法國，兩地遠隔 6230 公里，可謂一場橫跨大西洋的手術[33]。此外，患者可以直接與虛擬手術醫(yī)師面對面交流，醫(yī)師也可以非常方便地了解患者各項生理特征，及時做出診斷意見。借助虛擬現(xiàn)實技術的補充，遠程醫(yī)療已獲得了更成熟的發(fā)展。

3 展 望

我們正處在信息技術高速發(fā)展的時代，現(xiàn)代教育正朝著網(wǎng)絡化、信息化快速發(fā)展，這是大勢所趨。醫(yī)學領域由于其風險性和復雜性使得VR技術的介入成為必然。目前VR技術已在骨科、普通外科、神經(jīng)外科、泌尿外科、胸外科、婦產(chǎn)科等眾多學科的臨床診療或手術教學方面得到了不同程度的應用,美軍甚至將虛擬現(xiàn)實技術應用到士兵的平戰(zhàn)時心理疾患的防控[34-35]。隨著VR技術的成熟，它將在醫(yī)學領域有更廣闊的前景，但同時虛擬現(xiàn)實技術的應用也存在一些困難。首先，配置高質(zhì)量的虛擬現(xiàn)實設備，資金投入大，同時維修與保養(yǎng)也是一筆不小的開銷[36]；其次，在構建虛擬人體及虛擬手術系統(tǒng)時，要求高度真實感，但目前所建立的三維模型精度不能完全滿足要求；此外，作為虛擬現(xiàn)實技術核心之一的力觸覺反饋系統(tǒng)，其作用是給操作者提供立體真實感和沉浸感，但目前該系統(tǒng)所提供的觸覺反饋與真實手術的感受尚有一定的差距，性能更佳的力觸覺反饋系統(tǒng)仍有待開發(fā)[37]。目前，虛擬現(xiàn)實技術設計的圖像與操作系統(tǒng)在實時性和生成速度上與實際手術操作還有一定的距離，虛擬現(xiàn)實的發(fā)展在醫(yī)學中的應用還處在初級階段，一方面是因為醫(yī)學領域有著極強的專業(yè)性，專業(yè)技術的堡壘比較高；另一方面，也和醫(yī)學教學人員對于VR技術的認識不夠或理解存在偏差有一定的關系[38]。

隨著醫(yī)學技術和虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術已經(jīng)受到越來越多的重視和研究，結合計算機和人工智能的飛速發(fā)展，可以預料VR技術將會在醫(yī)學上尤其是在醫(yī)學教學中得到更加廣泛、更加深入的應用，相信在不久的將來其巨大的潛力必將給醫(yī)療事業(yè)帶來重大的變革，影響著現(xiàn)代醫(yī)學的方方面面。

[1] 黃新平, 楊 雪. 虛擬現(xiàn)實技術在醫(yī)學職業(yè)教育實驗教學中的應用研究[J]. 中國職業(yè)技術教育, 2013(5):83-87.

[2] Badash I, Burtt K, Solorzano CA,etal. Innovations in surgery simulation: a review of past, current and future techniques[J]. Ann Transl Med, 2016, 4(23):453-462.

[3] Agha RA, Fowler AJ. The role and validity of surgical simulation[J]. Int Surg, 2015, 100(2):350-357.

[4] Drolet BC, Sangisetty S, Tracy TF,etal. Surgical residents’ perceptions of 2011 Accreditation Council for Graduate Medical Education duty hour regulations[J]. JAMA Surg, 2013, 148(5):427-433.

[5] Egan C, Elliott R, Fleming P. European Working Time Directive and the use of simulators and models in Irish orthopaedics[J]. Irish J Med Sci, 2012, 181(1):143-146.

[6] Beatson K, Ali Z, Spi L B,etal. The role of demonstrating anatomy for surgical trainees[J]. Clin Anat, 2016, 29(8):980-981.

[7] Macinnes E, Rosser R, Morgan J,etal. Simulation in surgical training: Where are the trainers?[J] Int J Surg, 2013, 11(8):697-697.

[8] Welch SA, Gawthorne JL, Berry MJ. Simulation in clinical teaching and learning[J]. Med J Australia, 2012, 197(6):331-332.

[9] 劉 旭, 張鴻雁. 虛擬現(xiàn)實技術在醫(yī)學教育中的應用研究[J]. 齊齊哈爾醫(yī)學院學報, 2011, 32(14):2312-2313.

[10] 鐘季康. 醫(yī)學虛擬現(xiàn)實—21世紀的挑戰(zhàn)[J]. 中國醫(yī)療器械雜志，2003,27(3):166-168.

[11] Davies J, Khatib M, Bello F. Open surgical simulation-a review[J]. J Surg Educ, 2013, 70(5):618-627.

[12] Ryall T, Judd BK, Gordon CJ. Simulation-based assessments in health professional education: a systematic review[J]. J Multidiscip Healthc, 2016, 9(Issue 1):69-82.

[13] 季達峰. 虛擬現(xiàn)實模型在人體解剖教學中的應用[J]．中國臨床解剖學雜志，2013，31(4):108.

[14] Akhtar KSN, Chen A, Standfield NJ,etal. The role of simulation in developing surgical skills[J]. Curr Rev Musculoskelet Med, 2014, 7(2):155-160.

[15] Editorial. Violence against doctors: Why China? Why now? What next?[J] Lancet, 2014,383(9922):1013.

[16] 朱麗穎, 徐從喆. 加強醫(yī)院內(nèi)涵建設降低醫(yī)療糾紛的實踐[J]. 中國醫(yī)院, 2013，17(2):73-75.

[17] Wei P, Feng ZQ, Xie XL,etal. FEM-based guide wire simulation and interaction for a minimally invasive vascular surgery training system[C].The 11th World Congress on Intelligent Control and Automation. IEEE, 2014:964-969.

[18] Watson K, Wright A, Morris N,etal. Can simulation replace part of clinical time? Two parallel randomised controlled trials[J]. Med Educ, 2012, 46(7):657-667.

[19] Bokken L, Jjjobsis R. Instructiveness of real patients and simulated patients in undergraduate medical education: a randomized experiment[J]. Acad Med, 2010, 85(1):148-154.

[20] Tergas AI, Sheth SB, Green IC,etal. A pilot study of surgical training using a virtual robotic surgery simulator[J]. J Soc Laparoend Surg, 2013, 17(2):219-226.

[21] 孟 美, 馬 充. 沉浸式虛擬現(xiàn)實在醫(yī)學中的發(fā)展與應用[J]. 通訊世界, 2016(2):157-157.

[22] Palter VN, Grantcharov TP. Virtual Reality in Surgical Skills Training[J]. Surg Clin N Am, 2010, 90(3):605-617.

[23] 高 原, 譚 珂, 潘新華,等. 膝關節(jié)鏡手術仿真訓練系統(tǒng)應用效果評估[J]. 解放軍醫(yī)學院學報, 2013,34(3):291-293.

[24] 于洪波，王 博，王旭東,等. 髁突骨軟骨瘤治療的虛擬設計及教學模擬[J]. 中國醫(yī)學教育技術，2015, 29(2):187-190.

[25] Gordon CR, Zor F, Siemionow M. Skin area quantification in preparation for concomitant upper extremity and face transplantation: a cadaver study and literature review[J]. Transplantation, 2011, 91(9):1050-1056.

[26] Chen G, Li XC, Wu GQ,etal. The use of virtual reality for the functional simulation of hepatic tumors (case control study)[J]. Int J Surg, 2010, 8(1):72-78.

[27] 曹 雅，于生元. Microsoft Kinect體感技術在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的應用[J]. 醫(yī)學研究生學報，2017，30(3)：329-332.

[28] Shenai MB, Dillavou M, Shum C,etal. Virtual interactive presence and augmented reality (VIPAR) for remote surgical assistance[J]. Neurosurgery, 2011, 68(2):200-207.

[29] Khorsandi M, Skouras C, Beatson K,etal. Quality review of an adverse incident reporting system and root cause analysis of serious adverse surgical incidents in a teaching hospital of Scotland[J]. Patient Safe Surg, 2012, 6(1):21-26.

[30] Tran LN, Gupta P, Poniatowski LH,etal. Validation study of a computer-based open surgical trainer: SimPraxis simulation platform[J]. Adv Med Educ Prac, 2013, 4(4):23-30.

[31] Kneebone R, Arora S, King D,etal. Distributed simulation-accessible immersive training[J]. Med Teach, 2010, 32(1):65-70.

[32] Guerin KR, Riedel SD, Bohren J,etal. Adjutant: A framework for flexible human-machine collaborative systems[C].International Conference on Intelligent Robots and Systems. IEEE, 2014:1392-1399.

[33] 嵇 武，黎介壽. 微創(chuàng)技術在腹部外科中的應用進展和展望[J]. 醫(yī)學研究生學報，2008,21(2)：191-194.

[34] 劉思怡, 譚金海. 虛擬現(xiàn)實技術在外科手術培訓中的應用與展望[J]. 臨床外科雜志, 2017, 25(8):638-640.

[35] 馬駿濤, 牛曉芳, 祝 茜,等. 美軍利用虛擬現(xiàn)實技術進行心理疾患防控對我軍的啟示[J]. 東南國防醫(yī)藥, 2017, 19(5):550-553.

[36] Schwab B, Hungness E, Barsness KA,etal. The Role of Simulation in Surgical Education[J]. J Laparoendosc Adv Surg Tech A, 2017，27(5):450-454.

[37] Salkini MW, Doarn CR, Kiehl N,etal. The role of haptic feedback in laparoscopic training using the LapMentor II[J]. J Endourol, 2010, 24(1):99-102.

[38] 張冠鑫, 劉小鴻, 陳晰輝,等. 虛擬現(xiàn)實技術在上海市住院醫(yī)師規(guī)范化培訓中的應用及探討[J]. 中國醫(yī)學教育技術, 2012, 26(2):181-183.