2022年虚拟现实技术在医学中的应用 .pdf

虚拟现实在医学中的应用摘要: 虚拟现实 (virtual reality VR, ) 是近年来发展起来的一项新的技术,它已经被广泛地应用于许多领域, 特别是在医学领域。 本文介绍了虚拟现实技术在疾病的诊断、康复以及医学教育与培训方面的应用, 并展望了虚拟现实技术在医学中的应用前景。关键词 : 虚拟现实医学应用引言虚拟现实作为一门真正具有多媒体交互共享模式的新兴技术, 以其独特的优势, 在各个领域的应用越来越广。 特别是 LED和 CRE 显示器技术、 高速图形技术、多媒体技术及示踪技术的发展, 虚拟现实技术在医学领域的应用不断扩大, 对传统的医学诊断、治疗和医学科研、教育产生了深远的影响。1 技术特点虚拟现实系统是利用计算机以及专用硬件和软件去仿真各种现实境界, 通过计算机和信息技术构造虚拟自然环境, 将用户和计算机结合成一个整体。 用户置身于模仿真实世界而创建的三维电子环境中, 通过各种技术模拟直接进入到虚拟环境去接受和影响环境中各种感觉剌激, 与虚拟环境的人及事物进行行为和思想的交流。 用户可以利用人类本能的方式与计算机信息交流, 人的语言、眼神、手势都可以为计算机所识别, 而人则可以用听觉、 视觉、触觉来感受计算机信息, 就如同人们在现实环境中人与人交流一样的感受和交互对话, 达到与计算机进行直观、自然的交互。虚拟现实系统是相当逼真的三维视听、触摸和感觉的虚拟空间环境, 虚拟三维可以随需要而变换 , 交替更迭。用户不再是被动性地观看, 而是融合在其中 ,交互性地体验和感受虚拟现实世界中广泛的三维多媒体内容。可分为: 桌面型、投入型、增强现实型、临境型、逆向型和分布式虚拟现实系统等。桌面虚拟现实系统是利用个人计算机或工作站进行仿真。它以计算机屏幕作为观察虚拟境界的一个窗口 , 成本较低 , 但投入性差。投入系统是通过各种硬件和软件, 把周围的现实环境屏蔽掉 , 完全被虚拟境界包围。虚拟现实技术具有多感知性、投入性、实时交互性和自主性等特征。 多感知性是除了一般计算机技术所具有的视觉感知外, 还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知。随着传感器技术的发展 , 还有味觉感知、嗅觉感知 , 甚至具有人的一切感知功能。投入性(临场感 ) 是指用户感到作为主角在虚拟环境中的真实程度。实时交互性指用户与虚拟环境中的各种对象相互作用的能力 , 对虚拟物体的可操作程度和得到反馈的自然程度, 用手去抓虚拟物体时 , 有硬度、重量和拿动的感觉。 自主性指虚拟物体依据物理定律按力的方向动作的程度。根据虚拟实现技术的特征, 可通过其存在感 P、交互性 I 和自主性 A 来评价系统的性能 , P 、I 和 A 的值越大 , 系统的性能越好。2 虚拟现实技术的应用虚拟现实技术具有极其重要的应用前景 , 其中医学领域作为虚拟现实技术最大吸引力的应用领域之一, 目前已广泛地应用在虚拟人体、医学教育、虚拟外科手术、远程医疗等领域。2.1 虚拟人体1985 年, 美国国立图书馆就开展了人体解剖图像的数字化研究, 他们利用CT 和 MR 扫描及三维图像重建技术, 分别建立了一具可视化男人和一具可视化女人。德国汉堡大学则用 CT 和 MR 横截面影像或组织学切片建立起空间模型 , 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 3 页 - - - - - - - - - 采用人工智能技术 , 把人体各部位不同领域的知识填充到空间模型 , 制成了解剖三维可视化虚拟人体图谱。 此外, 用虚拟技术还建立了人体腿部、 肝肾、人恒牙、心脏等模型。这些虚拟人、虚拟人体图谱及虚拟人体器官 , 其作用除了作为辅助教学外 , 更重要的是在对患者实施复杂手术前 , 外科医师可以先在由虚拟现实系统产生的一具虚拟人体上进行练习 , 并借助虚拟环境中信息进行手术计划、方案的制定等。2.2 在虚拟环境中培训医院急救室工作人员医院急救室好似一个剧场 , 要有效地完成急救室的急救工作, 需要医护人员有充分的“排练”准备。现在这种训练工作可以在一个虚拟环境中完成。在这种训练系统中 , 要构造一个虚拟的急救室 , 包括病床、 桌子、抽屉、手术器械以及急救室的其他必需器械; 抽屉里还可以装有绷带、 剪刀、镊子和注射器等。 理论上讲 , 可以让一个虚拟病人受到任何部位及任何程度的伤害。在一个交互式的虚拟训练环境中 , 可预先设计一个病人受伤害的过程, 让接受训练的医护人员可能治愈这个“病人”, 也可能造成更大的伤害以至发生医疗事故。这样一来 , 就基本有了急救室的那种氛围。 另外在操作中 , 可以靠时间约束来增加受训练者的心理紧张程度 , 或者加入一些随机性干扰因素增加训练难度。最后, 系统可以自动记载下每个受训者的成绩。2.3 外科手术计划和模拟当前, 器官移植手术正广泛使用, 但它有一个急需解决的问题就是排异性, 也就是接受器官的患者的身体本身可能“不愿意接受” 外来器官 , 而不管病人的思想上愿不愿意接受。 这种情况只有在手术进行后才能知道, 而这时再采取补救措施已经来不及了。 虚拟现实技术或许在这方面能发挥很大作用。利用它可以在手术前根据接受器官患者和被移植器官的生理特性及生化特性, 在虚拟环境中模拟移植后的情况 , 观察移植后的效果 , 为移植手术的实际实施提供指导。另一个类似的情况是整容手术。为了取得良好的整容效果, 手术前需要很好的计划 , 因为稍有不慎 , 将适得其反。利用虚拟现实技术, 手术前先在虚拟环境中建立病人的模型 , 医生可以在模型上进行模拟手术, 根据效果不断调整手术方案, 直至患者满意为止。 这样, 再根据在虚拟环境中确定的方案对患者进行实际手术 , 可以有效地避免医疗事故发生。利用虚拟现实技术, 还可以使其他一些外科手术进行得更安全。许多手术部位周围都有神经之类的重要组织, 手术前如果不先作仔细规划 , 实际手术时就可能伤及这些组织。利用虚拟现实技术, 手术前先在虚拟环境中在虚拟病人身上模拟手术过程, 在危险组织上作上标记 ,实际手术时就能想办法避开危险部位, 让手术更安全地进行。2.4 虚拟现实技术在远程医疗中的应用目前远程通讯技术的发展使医疗领域中出现了一种叫做远程医疗（elemedicine ）的新技术。运用这项技术 , 基层医护人员可以获得有关疾病及健康护理方面的先进技术和最新信息。 由于绝大多数的医疗专家都在一些中心医院和大学里工作 , 这种远程医疗技术具有很重要的意义。在远程医疗中采用虚拟现实技术 , 外地病人的各种生理参数都反映在医疗专家面前的虚拟病人身上, 专家们便能及时作出结论 , 并给出相应的治疗措施。 这样, 利用远程医疗技术 , 即使边远地区的病人也可以得到经验丰富的医生的诊治, 特别是那些当地医生无法解决的疑难杂症。远程外科手术是远程医疗中的一个重要组成部分。在手术时, 手术医生在一个虚拟病人环境中操作, 控制在远处给实际病人作手术的机器人的动作。 目前, 美国佐治亚医学院和佐治亚技术研究所的专家们已经合作研制出了能名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 3 页 - - - - - - - - - 进行远程眼科手术的机器人。这些机器人在有丰富经验的眼科医生的控制下,更安全地完成眼科手术 , 而不需要医生亲自到现场去。除微型手术机器人外, Satava 提出了 2 1 世纪战地医疗 ( medical bale field) 的构想。这种无创系统由传感器、专家系统、远程手术及虚拟环境等部分组成, 它一方面可以对某些危重伤员实施远程手术 , 另一方面还是一个特殊远程专家咨询系统。利用这个系统, 前方医生在检查伤员时 , 可以将情况及时传给后方有经验的医生; 后方的医生又可以将治疗方案以虚拟环境的形式展示到前方医生的眼前, 从而使伤员能得到及时救护 , 减少人员伤亡。4 结束语目前, 虚拟现实技术的医学应用尚处于初期, 技术上还存在许多问题有待解决, 如显示设备不能很好地接收高质量、高逼真的医学图像; 在复杂环境中 , 图像的实时性和生成速度有待进一步提高等。但是, 虚拟现实在医学领域的潜在优势和良好的应用前景是一致肯定的, 必将推动现代医学革命性的发展。参考文献1. 徐茂云 , 卢兆桐 , 刘世君 . 虚拟现实技术在医学中的应用进展J. 实用医药杂志 . 2007(11) 2. 焦安权 , 钟声. 虚拟现实技术在医学领域的发展与应用研究J. 海南医学院学报 . 2008(05) 3. 姜红, 王利, 张兆臣 . 虚拟现实技术在医学中的应用J. 中国医疗设备 . 2008(08) 4. 牟长军 ; 童志伟 . 综述虚拟现实技术及其应用J. 装备制造技术 . 2007(01) 5. 王士勇 . 虚拟现实技术在医学教学中的应用研究J. 第二军医大学 . 2007(05) 6. 张晗. 虚拟现实技术在医学教育中的应用研究J. 山东师范大学 . 2011(04) 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 3 页 - - - - - - - - -