淺談虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展

王超?馮豆豆?徐云鵬

指導(dǎo)教師：呂美 汪振澤

摘 要：隨著計(jì)算機(jī)科技的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)得以豐富和廣泛應(yīng)用，在軍事、娛樂和機(jī)械制造、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域被廣泛的應(yīng)用，尤其近年來在醫(yī)學(xué)方面取得了很大的進(jìn)展，本文介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、虛擬醫(yī)院、虛擬實(shí)驗(yàn)室等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，探討了為醫(yī)學(xué)服務(wù)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；醫(yī)學(xué)；應(yīng)用與前景

沈陽建筑大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，簡稱VR）開始于20世紀(jì)60年代，是在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)以及傳感技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的交叉學(xué)科。由于虛擬現(xiàn)實(shí)作為一種新型媒體，目前尚未被進(jìn)行固定的定義。一些虛擬現(xiàn)實(shí)的研究者和用戶本身對(duì)這項(xiàng)媒體技術(shù)存在各自的看法，而從技術(shù)層面上來講，虛擬現(xiàn)實(shí)集合了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體、人工智能、多傳感器、網(wǎng)絡(luò)并行處理，通過視、聽、觸覺，并且以圖表及動(dòng)畫方式呈現(xiàn)，包含了交互性、想象性、沉浸性。

20世紀(jì)80年代之后，隨著計(jì)算機(jī)科技的發(fā)展，為醫(yī)學(xué)服務(wù)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)得以豐富和廣泛應(yīng)用，更為精確、直觀、形象并且符合現(xiàn)實(shí)的技術(shù)方法來實(shí)現(xiàn)科學(xué)性與技術(shù)性。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域與技術(shù)交流過程中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)存在明顯的優(yōu)勢，尤其針對(duì)醫(yī)學(xué)教育和培訓(xùn)，能使用戶主動(dòng)地針對(duì)學(xué)習(xí)任務(wù)去獲得盡可能多的現(xiàn)場感，大大縮短訓(xùn)練時(shí)間，減少訓(xùn)練經(jīng)費(fèi)，利于克服傳統(tǒng)學(xué)習(xí)和訓(xùn)練方法抽象、理解困難、不易反復(fù)實(shí)踐、耗費(fèi)多等缺點(diǎn)，因此得到了進(jìn)一步的研究與應(yīng)用。根據(jù)1993年的統(tǒng)計(jì)，世界市場上出現(xiàn)的805個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)中有49個(gè)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，主要涉及以下幾個(gè)方面：

1 虛擬人體

在20世紀(jì)80年代，美國與德國的學(xué)者便開始了對(duì)于虛擬人體技術(shù)的探索和實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了用戶可以在計(jì)算機(jī)屏幕上對(duì)“可視”進(jìn)行解剖，并可把局部的圖像進(jìn)行縮放的效果，并且采用人工智能技術(shù)，把人體各部位不同領(lǐng)域的知識(shí)填充到空間模型，用戶可以自由地在三維人體空間及相應(yīng)的文字資料進(jìn)行各種操作。

虛擬人體還可開展虛擬解剖學(xué)、虛擬放射學(xué)、虛擬內(nèi)窺鏡學(xué)等學(xué)科的計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)。在對(duì)病人實(shí)施復(fù)雜手術(shù)之前，外科醫(yī)生可以先在由虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生的一具虛擬人體上進(jìn)行練習(xí)，制定手術(shù)方案。也可通過對(duì)虛擬人體的解剖，對(duì)病人進(jìn)行病理分析。學(xué)生則可在此系統(tǒng)上親眼觀察并獲得專家從事重大手術(shù)過程的第一手資料，亦可動(dòng)手實(shí)習(xí)。

2 遙控外科手術(shù)和顯微外科手術(shù)

將裝備有基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的遠(yuǎn)程控制操作設(shè)備的遙控手術(shù)中心與邊遠(yuǎn)地區(qū)建立起遠(yuǎn)程醫(yī)療虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，醫(yī)生只需對(duì)虛擬病人的模型進(jìn)行手術(shù)，并通過高速寬帶網(wǎng)絡(luò)將醫(yī)生的動(dòng)作傳送到網(wǎng)絡(luò)另一端的手術(shù)機(jī)器人，由機(jī)器人對(duì)病人進(jìn)行手術(shù)。手術(shù)實(shí)際進(jìn)展的圖像也可通過機(jī)器人的攝象機(jī)實(shí)時(shí)地傳回給醫(yī)生的頭盔立體顯示器，并將其與虛擬病人疊加，以便醫(yī)生實(shí)時(shí)掌握手術(shù)的情況并發(fā)出手術(shù)指令。

就顯微外科手術(shù)而言，現(xiàn)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了使用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)把手術(shù)部位放大，醫(yī)生按放大后的常規(guī)手術(shù)動(dòng)作幅度操作的同時(shí)，又將醫(yī)生的這種常規(guī)幅度的手術(shù)動(dòng)作縮小為顯微手術(shù)機(jī)械手的細(xì)微動(dòng)作的過程，進(jìn)而大大降低顯微外科的難度。

3 醫(yī)學(xué)圖像學(xué)與藥物分子研究

1992年北卡羅來納大學(xué)就開始進(jìn)行超聲圖像與虛擬現(xiàn)實(shí)相結(jié)合的研究，把實(shí)時(shí)的超聲掃描圖像經(jīng)信號(hào)變換傳輸?shù)结t(yī)生所戴的頭盔顯示器，醫(yī)生依賴于頭盔的“看穿”能力，能看到超聲圖像映迭到病人身體上。

此外，用于醫(yī)學(xué)的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件可以將MRI（磁共振成象）生成的二維圖象與體視圖象組合在一起，用虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡可看到這類圖像，大大提高診斷的直觀性和準(zhǔn)確性，利于建立與手術(shù)臺(tái)上相吻合的可視環(huán)境，進(jìn)而更為廣泛應(yīng)用于手術(shù)前規(guī)劃和學(xué)生的實(shí)習(xí)。

另一方面，藥物設(shè)計(jì)師戴上三維實(shí)體眼鏡，在屏幕上觀察分子結(jié)構(gòu)的立體圖像，使分子間能相互結(jié)合也可以在虛擬現(xiàn)實(shí)境界中控制藥物分子模型，通過所模擬分子的分子力反饋來測試出如何把該藥物分子安放在其它分子的結(jié)合基上的最佳方向，利用計(jì)算機(jī)生成的分子模型，把所有相關(guān)類型的藥物聯(lián)接在一起，并將其鎖定在病原體上，從而解除病原體的致病能力。

4 康復(fù)醫(yī)療與虛擬實(shí)驗(yàn)室

美國加州的洛瑪琳達(dá)大學(xué)已經(jīng)研制出“神經(jīng)康復(fù)工作站”（Neuro-Rehabilitation W ork-station ），這是一個(gè)采用壓力傳感器、生物傳感器，具有數(shù)據(jù)手套和視線跟蹤系統(tǒng)的可視化Unix工作站，可用于診斷因嚴(yán)重事故或先天性引起的身體缺陷，并針對(duì)病人缺乏運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象，讓其沉浸在與真實(shí)世界的物理規(guī)律不盡相同的虛擬現(xiàn)實(shí)之中，從而有助于恢復(fù)病人的感覺或運(yùn)動(dòng)障礙。

虛擬實(shí)驗(yàn)室則是在計(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)就象操作一臺(tái)實(shí)驗(yàn)儀器一樣。因?yàn)樘摂M實(shí)驗(yàn)室的硬件僅是解決信號(hào)的輸入和輸出，而能很方便的改變、增減、改善系統(tǒng)的功能與規(guī)模的多用基于圖形方式的LAB-VIEW語言編寫的軟件才是關(guān)鍵，所以許多醫(yī)學(xué)教育中的實(shí)驗(yàn)和臨床相關(guān)實(shí)驗(yàn)均可以在虛擬實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。

虛擬現(xiàn)實(shí)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用已經(jīng)取得了豐碩的成果，許多產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到了商品化的水平，但整體上仍存在著一些不足之處?？朔@些不足，一方面依賴于計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，另一方面也取決于虛擬現(xiàn)實(shí)研究人員對(duì)人體的解剖、生理、病理、心理特點(diǎn)的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。隨著各國對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)投入的加大和信息高速公路的建設(shè)，這項(xiàng)技術(shù)會(huì)更快地推動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)中更廣泛、更深入的應(yīng)用，給傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)帶來重大變革。

從另外一個(gè)角度來看，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用還存在進(jìn)一步的拓展的空間，如動(dòng)物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，而隨著這種發(fā)展和完善，未來本行業(yè)用戶和普通的大眾都將親自感受虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)帶來的令人驚嘆的視覺效果，體會(huì)這種豐富應(yīng)用，大大提升工作效果。

參考文獻(xiàn)

1、寧潔、姜華軍，《虛擬制造技術(shù)在未來裝備研制中的應(yīng)用》，醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2000，（3）：31-32。

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