虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究

趙娟娟 李志鋒

[摘要]對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念、特征和虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的組成進(jìn)行闡述,并介紹虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用,最后舉例說(shuō)明虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)軍事醫(yī)學(xué)教學(xué)訓(xùn)練的影響。

[關(guān)鍵詞]虛擬現(xiàn)實(shí)醫(yī)學(xué)應(yīng)用

中圖分類號(hào):TP3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671-7597(2009)1210060-01

一、引言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是推進(jìn)醫(yī)學(xué)信息化的重要手段。當(dāng)前,國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有許多研究機(jī)構(gòu)和商業(yè)公司對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)方面展開了廣泛的研究和實(shí)踐,并取得了相當(dāng)?shù)某晒?。如何將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)深入引進(jìn)到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,已成為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域共同關(guān)注的課題。據(jù)統(tǒng)計(jì),世界市場(chǎng)上出現(xiàn)的805個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)中,就有49個(gè)用于醫(yī)學(xué)。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述

(一)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念。虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality),簡(jiǎn)稱VR,是在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新技術(shù)。確切地說(shuō),虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是人們通過(guò)三維圖形生成技術(shù)、多傳感交互技術(shù)以及高分辨顯示等技術(shù),生成逼真的虛擬環(huán)境,得到一個(gè)經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理、控制的人們看到、聽到甚至觸摸到,可進(jìn)行實(shí)時(shí)交互,感知和操作虛擬世界中的各種對(duì)象,從而獲得身臨其境的感受和體會(huì)。

(二)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的主要特征。VR的主要特征是:多感知性(multi

-sensory)、沉浸感(immersion)、交互(interactivity)、構(gòu)想性(imagination)。這些特征使操作者能夠進(jìn)入一個(gè)由計(jì)算機(jī)生成的交互式三維虛擬環(huán)境中,與之產(chǎn)生互動(dòng),進(jìn)行交流。通過(guò)參與者與仿真環(huán)境的相互作用,并借助人本身對(duì)所接觸事物的感知和認(rèn)知能力,啟發(fā)參與者的思維,全方位獲取環(huán)境所蘊(yùn)含的各種空間信息和邏輯信息。

三、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

(一)虛擬人體。在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)下,人體的各個(gè)部位、功能、行為最終都能夠?qū)崿F(xiàn)模擬。包括人體骨骼模擬、人體動(dòng)力學(xué)的模擬、大腦的結(jié)構(gòu)和功能的模擬、人臉的模擬、器官的模擬、神經(jīng)的模擬、心臟除顫的有限元模擬等,這些都可以通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)完成。

(二)模擬放射診斷和治療。放射診斷專家可在虛擬環(huán)境中使用模擬的三維小器械,為有意義的部位作標(biāo)記,同時(shí)又不會(huì)給患者原始數(shù)據(jù)造成任何影響,以便能更仔細(xì)的進(jìn)行研究,這樣更有利于正確的診斷某些疾病。

(三)虛擬外科手術(shù)。外科手術(shù)仿真器使得外科醫(yī)生在做一次比較復(fù)雜的外科手術(shù)之前可以先進(jìn)行練習(xí),然后將練習(xí)的成果應(yīng)用于實(shí)際手術(shù)之中。他們可以對(duì)各種各樣的病歷進(jìn)行演練甚至可以使用根據(jù)某個(gè)病人的特點(diǎn)而形成的真實(shí)計(jì)算機(jī)三維人體模型,為醫(yī)生給病人進(jìn)行成功的手術(shù)創(chuàng)造了可能。

(四)醫(yī)學(xué)教學(xué)。近年來(lái),多媒體教學(xué)異軍突起,它把文字、圖象、聲音、動(dòng)畫和視頻等信息集于一體,以新穎的教學(xué)手段,活潑生動(dòng)的表現(xiàn)形式,成為了現(xiàn)代教學(xué)方法的主流。隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將成為下一代醫(yī)學(xué)院教學(xué)中的主要輔助力量。

(五)醫(yī)療可視化。醫(yī)療可視化技術(shù)是幫助我們理解采集醫(yī)學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的一個(gè)有效手段。虛擬人技術(shù)逐漸成為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一個(gè)重要分支,已經(jīng)越來(lái)越受到人們的重視。對(duì)這一前沿性問(wèn)題的研究已形成新的研究熱點(diǎn)。例如:人體是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。從外觀到內(nèi)部各部分之間,從宏觀人體組織到微觀的基因,從人的大腦到人的神經(jīng)系統(tǒng)以及人的思維發(fā)展,人類研究一直在不停地探索著。在醫(yī)學(xué)教學(xué)中對(duì)人體系統(tǒng)、器官以及組織的形成的認(rèn)識(shí)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的發(fā)展過(guò)程。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)很容易將他們可視,并且生動(dòng)地展現(xiàn)在我們面前。

(六)心理治療。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在心理學(xué)領(lǐng)域中的研究通常包括視覺(jué)感知心理與生理、聽覺(jué)感知心理與生理、記憶與認(rèn)知心理等內(nèi)容。感覺(jué)、知覺(jué)、記憶、思維、想象等認(rèn)識(shí)事物的過(guò)程中的心理現(xiàn)象一直是心理學(xué)研究的重要課題。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)制造的視覺(jué)、聽覺(jué)系統(tǒng)可以很好地進(jìn)行心理學(xué)研究。同時(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展需要心理學(xué)的參與并且可以對(duì)其建立一些客觀的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

(七)虛擬實(shí)驗(yàn)室。虛擬實(shí)驗(yàn)室是在計(jì)算機(jī)上加上一組軟件和相應(yīng)的硬件,讓使用者在操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)時(shí)就像操作一臺(tái)實(shí)驗(yàn)儀器一樣。許多醫(yī)學(xué)教育中的實(shí)驗(yàn)和臨床相關(guān)實(shí)驗(yàn)都可以在虛擬實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。虛擬實(shí)驗(yàn)室的硬件僅是解決信號(hào)的輸入和輸出,軟件才是關(guān)鍵,軟件能很方便的改變、增減、改善系統(tǒng)的功能與規(guī)模。美國(guó)加利福尼亞大學(xué)科爾曼實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了EXP軟件,就是一個(gè)基于VR技術(shù),用于神經(jīng)生理學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)的多功能軟件。

四、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)軍事醫(yī)學(xué)教學(xué)訓(xùn)練的影響

在軍事醫(yī)學(xué)教學(xué)中,VR技術(shù)的更大優(yōu)勢(shì)是它和軍事仿真模擬結(jié)合起來(lái),既能創(chuàng)造出逼真的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、戰(zhàn)斗場(chǎng)景以及隨著戰(zhàn)斗推進(jìn)過(guò)程中虛擬的“指戰(zhàn)員”傷亡狀態(tài),又可以模擬出野戰(zhàn)條件下的戰(zhàn)傷救治、運(yùn)送等。特別是核武器、生物、化學(xué)戰(zhàn)傷的救治、運(yùn)送,不僅危險(xiǎn)性大,而且救治復(fù)雜且難度較大,平時(shí)的學(xué)習(xí)和培訓(xùn)又不易實(shí)現(xiàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)使軍事醫(yī)學(xué)教學(xué)更貼近實(shí)戰(zhàn),突出了對(duì)學(xué)生實(shí)戰(zhàn)心理的訓(xùn)練,能充分表現(xiàn)出未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中的高技術(shù)、復(fù)雜性等特點(diǎn),擴(kuò)大軍事醫(yī)學(xué)院校學(xué)生的軍事醫(yī)療體驗(yàn)和戰(zhàn)場(chǎng)戰(zhàn)傷救治的經(jīng)驗(yàn)。在這些環(huán)境中學(xué)員們?cè)诓倏v虛擬的工具、手術(shù)器械時(shí),不僅會(huì)感受到壓力,而且具有極強(qiáng)的參與性。

保持一支訓(xùn)練有素、裝備良好的軍隊(duì)是美軍訓(xùn)練的目標(biāo)。因此,美軍特別重視訓(xùn)練,按實(shí)戰(zhàn)進(jìn)行訓(xùn)練是美軍軍事訓(xùn)練的一項(xiàng)基本原則。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展為美軍的軍事醫(yī)學(xué)訓(xùn)練開辟了嶄新的途徑。美軍若干醫(yī)學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的專家研究了新興技術(shù)在未來(lái)20～30年內(nèi)對(duì)醫(yī)療工作的影響,認(rèn)為有34種技術(shù)將影響未來(lái)醫(yī)療工作,最后確定的13種按得票多少的順序進(jìn)行排列,虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能等幾種技術(shù)高居榜首。事實(shí)上,早在幾年前,隨著美軍組成21世紀(jì)數(shù)字化部隊(duì)計(jì)劃的實(shí)施,以及美國(guó)在熱點(diǎn)地區(qū)部署維和部隊(duì)所需的遙控醫(yī)學(xué)技術(shù)中,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用就已經(jīng)開始嶄露頭角。在虛擬現(xiàn)實(shí)等支撐技術(shù)的支持下,美軍已開發(fā)出高級(jí)創(chuàng)傷救治技術(shù)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)、胸部創(chuàng)傷救治模擬訓(xùn)練系統(tǒng)、天花接種模擬訓(xùn)練系統(tǒng)、VR2Demo精神運(yùn)動(dòng)技術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)和環(huán)甲軟骨切開術(shù)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。美陸軍利用國(guó)防部的高級(jí)軍事演習(xí)模擬與可視人體研究室合作,研究人體結(jié)構(gòu)和功能模擬。

五、結(jié)束語(yǔ)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用展現(xiàn)出了良好的前景,表現(xiàn)了其良好的應(yīng)用效果。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展完善以及醫(yī)學(xué)教育環(huán)境的不斷變化,硬件設(shè)備性價(jià)比的不斷提高,虛擬技術(shù)必將更多的應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的作用顯得越來(lái)越重要,顯示出了巨大的優(yōu)勢(shì)。因此,我們有理由相信:與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)并駕齊驅(qū)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),必將具有更加廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn):

[1](美)William R.Sherman,(美)Alan B,虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)——接口應(yīng)用與設(shè)計(jì),電子工業(yè)出版社,2004.11.

[2]張大新,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VR)在醫(yī)學(xué)教育和實(shí)驗(yàn)中的廣泛應(yīng)用及意義,科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2008.30.

[3]柳菁,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于心理治療領(lǐng)域的最新進(jìn)展,心理科學(xué),2008,31(3):762-764.