荊芒,劉云,張昕

虛擬現實技術在醫(yī)學領域的應用

荊芒,劉云,張昕*

（南京醫(yī)科大學醫(yī)學信息學與管理研究所 南京醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院,江蘇 南京 210029）

虛擬現實技術作為目前最熱門的科技發(fā)展方向被廣泛應用于多個領域。 本文簡要介紹了虛擬現實技術的基本概念與特點，對虛擬現實技術在醫(yī)學領域中的應用進行綜述，重點闡述了虛擬手術系統、虛擬醫(yī)學教育、虛擬臨床應用、虛擬遠程醫(yī)療、虛擬人體等技術與方法。

虛擬現實；虛擬手術訓練；遠程醫(yī)療

0 引言

虛擬現實（Virtual Reality簡稱VR）技術在最近幾年迎來爆發(fā)式發(fā)展，醫(yī)療、旅游、游戲等行業(yè)成為其熱門研究和重點應用的方向。虛擬現實技術誕生以來，研究人員就一直在探索和實踐其在醫(yī)學領域內的運用，它能夠模擬現實環(huán)境，使用戶在體驗過程中有身臨其境的感覺，可以應用于醫(yī)學領域的醫(yī)學教學、遠程醫(yī)療、手術訓練、臨床醫(yī)療等各個方向。目前不斷發(fā)展完善的虛擬現實技術在國內外醫(yī)學行業(yè)也有了很多實際應用。

1 虛擬現實技術概述

1.1 虛擬現實技術定義

虛擬現實技術也稱靈境技術或人工環(huán)境，它是一種由計算機技術輔助生成的高科技模擬系統，綜合集成了計算機圖形技術、計算機仿真技術、人工智能、傳感技術、顯示技術、網絡并行處理等技術[1]。虛擬現實技術創(chuàng)建的虛擬世界信息來自于多源信息的交互融合，它是虛擬環(huán)境和用戶行為的互動仿真系統，用戶通過使用虛擬現實專業(yè)設備進入虛擬世界，通過視、聽、觸覺感知以及與虛擬世界環(huán)境的互動等方式獲得身臨其境的真實感受。

1.2 虛擬現實技術的特點

由Burdea G在Electro93 國際會議上提出[2,3]。(1)沉浸性(Immersion)：是指使用者置身于虛擬場景中就像在現實世界一樣，沉浸性特點強調使用者感受的真實性。(2)交互性(Interaction)：指使用者進入虛擬環(huán)境后，通過多種傳感器與多維化信息的環(huán)境發(fā)生交互作用，使用者進行必要的操作，虛擬

環(huán)境做出相應的反饋，如同現實世界一樣[4]。(3)構想性(Imagination)：在沉浸性和交互性的基礎上，虛擬世界可以啟發(fā)體驗者的創(chuàng)造性思維，從而使體驗者可以構想和創(chuàng)造新的場景，這些場景不僅可以是真實存在的環(huán)境，也可以是現實不存在的甚至是不可能發(fā)生的環(huán)境。

2 虛擬現實技術在醫(yī)學領域的應用

醫(yī)學領域對虛擬現實技術有著巨大的應用需求，同時也使虛擬現實研究面臨嚴峻挑戰(zhàn)。人體的復雜性和差異性導致在物理和生理等方面的數據量龐大且繁雜，加之各種器官組織具有彈塑性，對人體的切割、縫合等操作具有交互性，因此要將虛擬現實技術應用于醫(yī)學領域具有一定難度。目前，虛擬現實技術已初步應用于醫(yī)學培訓、手術訓練、遠程會診等方面，一些應用在醫(yī)療過程中起到不可替代的重要作用。

2.1 醫(yī)學教育

在醫(yī)學教育中，傳統的標本解剖和手術培訓方式花費在標本和實驗環(huán)境上的費用非常高昂，學生缺乏實踐操作的機會，導致臨床實踐具有較大風險，也使得寶貴的醫(yī)學資源不能得到充分利用。利用虛擬現實技術可以很好地解決以上問題，虛擬標本解剖、虛擬實驗室、虛擬醫(yī)院等是目前在醫(yī)學教育上應用較多的方向[5]。

目前醫(yī)學教學中采用的解剖掛圖和多媒體教學圖片都是二維平面方式，不能直觀的表現標本的立體特性，造成學生理解的困難。實體模型和標本雖具有立體結構，但形式單一，靈活性差，不能滿足深層次、多方位的教學和實踐需求。虛擬標本解剖是對虛擬標本進行操作，解剖者擁有真實的解剖體驗，可以觀察到標本解剖結構和剖面結構，得到器官或組織在標本空間的精確定位、三維測量數據和立體圖像。標本模型可以隨意的翻動，并可觀察和實際感受皮膚肌理、骨骼、血管、肌肉結構的所有內容[6]。

采用虛擬現實技術建立的虛擬實驗室，能模擬實現各種實際的甚至不可視、不可摸、不可入、危險性高的實驗以及想象的實驗場景[7]。在虛擬實驗室內，學生擁有充分的實驗自主權，許多醫(yī)學教育中的實驗和臨床相關實驗都可以在虛擬實驗室中進行。醫(yī)學院校利用虛擬現實技術不僅可以進行虛擬醫(yī)學教育，還可以建立虛擬醫(yī)院。虛擬醫(yī)院利用病例庫數據組建數據庫系統，學生對虛擬醫(yī)院的真實病例進行分析和練習，從真實病人數據模擬操作中得到直觀地學習。

虛擬現實技術在醫(yī)學教育中應用的最終目標是建立以虛擬培訓為基礎、實踐為目的的虛擬醫(yī)療體系。

2.2 虛擬手術訓練

統計數據表明，人為失誤在臨床手術失誤中占有很大比例，手術訓練對年輕外科醫(yī)生的成長極為重要。利用虛擬手術系統，醫(yī)生可以觀察專家手術的過程，也可以進行多次練習，并且在虛擬環(huán)境中進行手術，不會發(fā)生嚴重的意外，減少手術訓練時間和對昂貴實驗對象的需求。

虛擬手術(Virtual Surgery)系統是專門用來對手術全過程進行仿真的虛擬現實應用系統，主要包括虛擬建模、醫(yī)學數據的可視化、人體組織器官的應力形變仿真、傳感與反饋、高速圖形顯示與圖像處理等部分[8]。虛擬建模是指搭建虛擬手術環(huán)境以及對人體器官組織的虛擬建模。醫(yī)學數據的可視化是將CT、MRI及PET等得到的二維斷層數字影像經過圖像處理轉變?yōu)槿S立體模型，并可進行多視角顯示，輔助醫(yī)生對病灶及周圍組織器官血供等情況進行分析[9]。虛擬手術系統能夠捕捉真實手術操作者的動作以及對手術器械的操作，并通過傳感器將這些數據報送計算機數據分析檢測系統，計算出虛擬手術器械與手術對象模型間的相互作用力，精確計算其形變。最后通過反饋裝置將人體組織器官等形變精確的反饋給模擬手術操作者，使其能全方位精確掌握手術操作。同時，可以將獲得的組織器官物理及生理改變進行模擬顯示，使模擬手術操作者能得到更直觀的反饋。

虛擬手術系統提供的手術訓練平臺可以重現急危重癥手術病例供受訓者反復進行練習，在虛擬手術訓練后,系統還可對訓練者手術操作和手術模型發(fā)生的變化進行準確測定，監(jiān)測訓練者手術技術的合理性和有效性。

2.3 臨床醫(yī)療

虛擬現實技術可以應用在臨床醫(yī)療的多個方向。醫(yī)生利用虛擬內窺鏡技術可以直接監(jiān)測病人體內器官甚至毛細血管，這種動態(tài)的現實顯示對臨床診斷具有非常寶貴的價值；精神科疾病大多反映在大腦病態(tài)思維和情感等問題，很難在真實場景中再現，利用虛擬現實技術患者進入醫(yī)生設定的虛擬場景，并獲得沉浸感，從而可以進行個性化治療；虛擬現實技術還可以用于治療患有特殊疾病的病人，比如創(chuàng)傷后應激障礙（PTSD）、重度燒傷及恐懼癥、管理假肢痛、腦損傷評估和康復、針對青年孤獨癥患者的社會認知訓練、對焦慮癥和抑郁癥的治療、中風康復、對兒童多動癥（ADHD）、診斷學和成像可視化的管理等。

2.4 遠程醫(yī)療

在遠程醫(yī)療中采用虛擬現實技術，外地病人的各種生理參數可以反映在本地虛擬病人身上，專家們能及時做出結論，并給出相應的治療措施，這樣邊遠地區(qū)的病人也可以得到經驗豐富的醫(yī)生的診治，特別是當地醫(yī)生無法解決的疑難雜癥。

遠程手術是遠程醫(yī)療的重要部分，它是指醫(yī)生運用遠程醫(yī)療手段，異地、實時地對遠端病人進行手術，包括遠程手術會診、手術觀察、手術指導、手術實施等[10]。利用虛擬現實技術在手術時，手術醫(yī)生通過操作虛擬病人來控制給實際病人做手術的機器人。目前，美國佐治亞醫(yī)學院和佐治亞技術研究所的專家已經合作研制出能進行遠程眼科手術的機器人。這些機器人在有豐富經驗的眼科醫(yī)生的控制下，安全地完成眼科手術，而不需要醫(yī)生親自到現場去[11]。

2.5 虛擬人體

研制虛擬人體的目的是為醫(yī)學提供更為精致的實驗條件，利用虛擬人體可以研究治療方案或試驗新型藥物。隨著虛擬現實技術的進步，虛擬人體的研究從只能對心肺復蘇按壓進行反應發(fā)展到可以預先編程對復雜病情來進行反應的新階段。將虛擬人病情數據、生理物理數據以及其他數據整合成一個模擬研究環(huán)境，在虛擬人體上進行一系列診斷與治療研究，然后在這種環(huán)境中觀察虛擬人體對外界刺激的反應。醫(yī)生和制藥公司也可以在與病人身體數據一模一樣的虛擬人身上試驗藥物，獲取虛擬病人服藥后的生理反應，這種方法不但可以提高用藥準確性還能加快新藥研制及上市的效率。

3 結束語

虛擬現實技術在醫(yī)療領域的多個方向擁有廣闊的應用前景，但受限于現有的技術水平，存在體驗感受不完美，細節(jié)數據丟失嚴重等問題，仍然存在急需解決的理論和技術問題，這些都是目前虛擬現實技術研究發(fā)展的熱門方向。隨著對虛擬現實技術更深入的研究，其在醫(yī)學領域會有更廣泛、更豐富的應用，在不遠的將來為傳統醫(yī)學領域帶來重大變革。

[1] 呂婷. 虛擬現實技術及其在生物醫(yī)學領域的應用[C] ,中華醫(yī)學會第十六次全國醫(yī)學信息學術會議,2010：217-221.

[2] HoldenM. Virtual environments for motor rehabilitation： Review. CyberpsycholBehav, 2005, 8：187-211.

[3] 鄭彥平,賀鈞.虛擬現實技術的應用現狀及發(fā)展［J］.信息技術,2005,12：94-98.

[4] Forley JD. Interfaces for advanced computing ［J］. ScientificAmerican, 1987, 257(4)： 127-135.

[5] Ahmed K,Keeling AN．Role of Virtual Reality Simulation inTeaching and Assessing Technical Skillsin EndovascularIntervention[J]．Jof Vascu and IntervenRadiol，2010,21(1)：55-56.

[6] George AP，DeR．Review oftemporal bone dissection teaching：how it was，is and will be[J]．JLaryngolOtol，2010，124(2)：119-25.

[7] SchmidtR A．A schema theoryof discrete motor skilllearning [J]．Psychol Rev．1975(82)：225-260.

[8] 胡志秋．虛擬手術中四面體切割及優(yōu)化問題研究［D］．青島：青島大學，2005．

[9] 紐艷華，汪元美，段會龍. 基于增強現實的外科手術導航技術[A],中國醫(yī)療器械雜志，2014（28）.

[10] 趙愛琴，張秀梅，王艷，童仲華. 基于醫(yī)學物聯網技術的遠程手術應用研究[A]，中國衛(wèi)生產業(yè)，2014（15）：195-198.

[11] 虛擬現實在傳統醫(yī)療中的應用和進展，http：//www.vrzy.com/vr/31862.html.

Application of Virtual Reality Technique in Biomedical Field

JING Mang, LIU Yun, ZHANG Xin
(Institute of Medical Informatics and Management, Nanjing Medical University, The First Affiliated Hospital of Nanjing Medical University, Nanjing 210029, China)

Virtual reality technology as the most popular science and technology development direction is widely used in many fields.This paper briefly introduces the basic concepts and characteristics of virtual reality technology, the application of virtual reality technology in the field of medicine were reviewed, focusing on the virtual surgery system, virtual medical education, clinical application, remote medical treatment, virtual human technology and method.

Virtual reality technology; Virtual surgery; Remote medical treatment