虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在未來(lái)醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

謝夢(mèng)怡

（泉州信息工程學(xué)院，福建 泉州 362000）

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在未來(lái)醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

謝夢(mèng)怡

（泉州信息工程學(xué)院，福建 泉州 362000）

根據(jù)中國(guó)醫(yī)療界相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年非正常死亡人數(shù)在800萬(wàn)人以上，其中約有40萬(wàn)人因醫(yī)療事故、服用藥物致死。除此之外，人為原因?qū)е碌氖鹿拾咐加幸欢ǖ谋壤?，究其原因主要是醫(yī)務(wù)人員工作強(qiáng)度大、疲勞失神、病情誤判，操作失誤造成。而這些是傳統(tǒng)醫(yī)療存在的失誤和遺漏。為了從根本上改善傳統(tǒng)醫(yī)療的這些失誤，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)療中能夠?qū)膊〉脑\斷、康復(fù)以及醫(yī)學(xué)院學(xué)生的培訓(xùn)發(fā)揮舉足輕重的作用。它利用計(jì)算機(jī)和專業(yè)軟件構(gòu)造一個(gè)虛擬的自然環(huán)境，將計(jì)算機(jī)和用戶合成一個(gè)成體。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；醫(yī)療；計(jì)算機(jī)

在醫(yī)學(xué)上，傳統(tǒng)的醫(yī)療存在資源配置不合理、流程繁鎖，操作門(mén)檻過(guò)高，缺乏人性關(guān)懷等問(wèn)題，造成醫(yī)患關(guān)系緊張甚至出現(xiàn)人命關(guān)天的事件。為了有效地避免醫(yī)療事故的發(fā)生，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的誕生能夠在一定程度上合理地使用醫(yī)療資源，簡(jiǎn)化流程，避免醫(yī)務(wù)人員的操作失誤與病情的診斷。本文主要從虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的現(xiàn)狀、概念、特點(diǎn)、工作原理、相關(guān)技術(shù)、醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用來(lái)闡述。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的現(xiàn)狀

早在1963年以前就有提出虛擬現(xiàn)實(shí)的思想，1963—1972是虛擬現(xiàn)實(shí)萌芽階段，1973—1989年是虛擬現(xiàn)實(shí)理論初步形成，1990—2004年虛擬現(xiàn)實(shí)理論得到進(jìn)一步完美和應(yīng)用。21世紀(jì)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一個(gè)新時(shí)代，在各個(gè)國(guó)家引起不同的影響。

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在北美的現(xiàn)狀

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)源于美國(guó)，剛開(kāi)始，僅限于專用領(lǐng)域，比如軍事方面，航天領(lǐng)域的模擬訓(xùn)練。隨著科學(xué)技術(shù)的異軍突起和社會(huì)的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)逐漸從專用轉(zhuǎn)為民用。1980—1989年，美國(guó)國(guó)防部和美國(guó)宇航局組織了一系列對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究，到了目前，已經(jīng)建立了多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的系統(tǒng)。例如，空間站、航空、衛(wèi)星維護(hù)的虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練系統(tǒng)，虛擬現(xiàn)實(shí)教育系統(tǒng)；動(dòng)態(tài)虛擬環(huán)境中的流體實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)；在真實(shí)的環(huán)境上疊加了虛擬環(huán)境，簡(jiǎn)化零部件的加工流程；在未來(lái)辦公室上，設(shè)計(jì)一項(xiàng)基于虛擬現(xiàn)實(shí)的窗口系統(tǒng)。以上所述的虛擬現(xiàn)實(shí)主要基于傳感器技術(shù)和圖形圖像處理技術(shù)。當(dāng)前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要關(guān)注的是時(shí)間的實(shí)時(shí)性和空間的動(dòng)態(tài)性。

1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在歐洲的現(xiàn)狀

作為發(fā)達(dá)國(guó)家之一的英國(guó)。處于領(lǐng)先地位的是硬件和軟件，主要有輔助設(shè)備設(shè)計(jì)、分布并行處理和應(yīng)用；德國(guó)則將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造、產(chǎn)品的演示以及培訓(xùn)3個(gè)方面，可以降低成本，吸引客戶等；瑞 典的分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是基于Unix，在不同節(jié)點(diǎn)上的多個(gè)進(jìn)程可以在環(huán)境中工作的異質(zhì)分布式系統(tǒng)[1]。

1.3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在我國(guó)的現(xiàn)狀

相比發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在我國(guó)的起步比國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家較晚，同時(shí)也存在一定的差距。當(dāng)今國(guó)際的競(jìng)爭(zhēng)不僅是經(jīng)濟(jì)，軍事的競(jìng)爭(zhēng)，更多的是科技的競(jìng)爭(zhēng)。因此根據(jù)我國(guó)的國(guó)情，提出科技是國(guó)家強(qiáng)盛之基，創(chuàng)新是民族進(jìn)步之魂的理論。當(dāng)今時(shí)代引起國(guó)家的高度重視，不斷有相關(guān)部門(mén)和科學(xué)家們提出制定開(kāi)展虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究計(jì)劃。

國(guó)內(nèi)的一些重點(diǎn)院校，也積極投入展開(kāi)這一領(lǐng)域的研究工作。在國(guó)內(nèi)最早進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究的重點(diǎn)院校有北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)系，浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，而北京航空航天大學(xué)在研究探索中著重研究虛擬環(huán)境中實(shí)體的物理特性應(yīng)如何表示以及處理的解決方法；在虛擬環(huán)境與現(xiàn)實(shí)環(huán)境的接口中對(duì)視覺(jué)接口方面開(kāi)發(fā)出部分硬件，相應(yīng)提出有關(guān)算法及實(shí)現(xiàn)方法；實(shí)現(xiàn)了DIVE的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，可以提供實(shí)時(shí)三維動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)、虛擬現(xiàn)實(shí)演示環(huán)境、虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)等。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的定義

所謂的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)又稱靈境技術(shù)或人工環(huán)境，是一種綜合利用三維計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)、多功能傳感器的交互式接口技術(shù)以及高清晰度和高更新速度的顯示技術(shù)構(gòu)成。簡(jiǎn)而言之，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就是在計(jì)算機(jī)中建立一個(gè)特殊環(huán)境來(lái)模擬真實(shí)環(huán)境的場(chǎng)景，通過(guò)各種傳感器設(shè)備，比如數(shù)據(jù)衣、數(shù)據(jù)手套，數(shù)據(jù)頭盔在虛擬環(huán)境中對(duì)模型的處理與用戶的手聯(lián)系起來(lái)，并進(jìn)行操作和控制，以達(dá)到需要的目的。將用戶的感知帶入由它創(chuàng)建的虛擬環(huán)境，并讓用戶以為眼前的一切都是真實(shí)的。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能讓用戶實(shí)現(xiàn)在自然環(huán)境下的各種感知的高級(jí)人機(jī)交互技術(shù)。例如通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，用戶不用購(gòu)買機(jī)票到某地旅游，而只需通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就能體驗(yàn)到某地旅游的樂(lè)趣，享受看山玩水的好心情。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)

3.1 人機(jī)之間的交互性

即實(shí)現(xiàn)用戶在虛擬環(huán)境中與物體之間的可操作性和充分交換信息，以及包括從環(huán)境得到反饋信息的表示。用戶通過(guò)自身的語(yǔ)言，身體運(yùn)動(dòng)或動(dòng)作等自然技能，對(duì)虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行觸摸或操作。為了實(shí)現(xiàn)交互性必須設(shè)計(jì)特殊輸入設(shè)備，而這些設(shè)備能夠?qū)⒂脩羲l(fā)出的指令進(jìn)行識(shí)別和輸入，同時(shí)對(duì)用戶發(fā)出的指令作出相應(yīng)的反饋，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的仿真效果。

3.2 存在感

即臨場(chǎng)感或沉浸感，指用戶在模擬的環(huán)境中以自己真實(shí)身份的物理存在，或者在這種意識(shí)狀態(tài)下，用戶會(huì)擁有一種看上去真實(shí)從而感覺(jué)真實(shí)的虛擬體驗(yàn)?？梢允褂脩粼诶硐氲哪M環(huán)境中達(dá)到真假難辨的程度，有身臨其境的體驗(yàn)。存在感可以在虛擬環(huán)境中營(yíng)造出令用戶無(wú)法懷疑的現(xiàn)實(shí)感，用戶也相信虛擬環(huán)境的真實(shí)性。

3.3 多感知性

在虛擬環(huán)境中，用戶以逼真的身份存在，所以用戶在現(xiàn)實(shí)生活中的人體感覺(jué)在虛擬環(huán)境中也存在，包括視覺(jué)感知、聽(tīng)覺(jué)感知、觸覺(jué)感知、味覺(jué)感知、嗅覺(jué)感知、運(yùn)動(dòng)感知，重力感知等。最理想的虛擬現(xiàn)實(shí)是具有現(xiàn)實(shí)環(huán)境的所有感知功能，而虛擬現(xiàn)實(shí)的多感知目前處于初級(jí)階段，一些感知還有待新的技術(shù)的開(kāi)發(fā)，例如位置感知。

3.4 自主性

即在虛擬環(huán)境中的物體依據(jù)現(xiàn)實(shí)世界物理定律運(yùn)動(dòng)的程度，也就是現(xiàn)實(shí)已知規(guī)律的指導(dǎo)虛擬世界的運(yùn)行和對(duì)未知世界的想象結(jié)合。

4 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的工作原理

4.1 基礎(chǔ)硬件

當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的設(shè)備可以大致分成兩個(gè)類別，一是需要借助外來(lái)的硬件協(xié)助運(yùn)算的即需要連接一臺(tái)高性能計(jì)算機(jī)才能運(yùn)作。

另一個(gè)類別則是依賴設(shè)備內(nèi)置硬件完成運(yùn)算的，無(wú)需其他設(shè)備協(xié)助，能夠完全獨(dú)立工作。

4.2 頭部追蹤

指用戶頭戴虛擬現(xiàn)實(shí)的設(shè)備時(shí)，呈現(xiàn)在眼前的場(chǎng)景會(huì)隨著用戶頭部的移動(dòng)而做上下左右方向的改變。這種設(shè)備會(huì)將用戶頭部所做的移動(dòng)軌跡轉(zhuǎn)化成空間的x，y，z的3個(gè)坐標(biāo)，來(lái)精確測(cè)量頭部的前后左右移動(dòng)等動(dòng)作。同時(shí)，用戶戴著的耳機(jī)也能用于提高存在感。特別是在游戲中能夠使雙耳或3D音頻達(dá)到有效的利用，與頭部追蹤技術(shù)同步合作應(yīng)用，能給用戶帶來(lái)現(xiàn)實(shí)環(huán)境的音效感受。

4.3 動(dòng)作追蹤

可以使用紅外線傳感器，攝像頭，無(wú)線控制器來(lái)追蹤用戶的全身動(dòng)作。而這些設(shè)備有的會(huì)在房間里定位2個(gè)基站，并且將整個(gè)房間布滿激光。根據(jù)用戶頭部戴著的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備和手上光電管傳感器相互碰撞來(lái)準(zhǔn)確地檢測(cè)到用戶的頭部和手的位置。

4.4 眼部追蹤

采用透鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)眼部追蹤，而透鏡需要聚焦光線，可以使用戶感覺(jué)虛擬設(shè)備的顯示器似乎在很遠(yuǎn)的距離之外。大多數(shù)頭盔設(shè)備都采用了特殊的菲涅耳透鏡，這些透鏡還被用來(lái)放大頭盔的內(nèi)置顯示屏，可以使圖像占據(jù)用戶的整個(gè)視野而不會(huì)注意到屏幕外的景象。

5 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的相關(guān)技術(shù)

5.1 三維視覺(jué)顯示技術(shù)

人類對(duì)客觀事物的反應(yīng)是獲取視覺(jué)信息最主要的傳感通道，視覺(jué)通道成為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)獲得視覺(jué)、觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、味覺(jué)等多感知的最重要環(huán)節(jié)。在視覺(jué)顯示技術(shù)中，實(shí)現(xiàn)三維顯示技術(shù)是作為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的重要支撐技術(shù)。

5.2 虛擬環(huán)境建模技術(shù)

在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，建立虛擬環(huán)境至關(guān)重要，先要進(jìn)行建模，其次在其基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)繪制、三維顯示，營(yíng)造一個(gè)虛擬的環(huán)境。

5.3 真實(shí)感實(shí)時(shí)繪制技術(shù)

利用在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)環(huán)境的場(chǎng)景畫(huà)面。模擬出現(xiàn)實(shí)物體的物理屬性，比如物體的形狀、光學(xué)性質(zhì)、紋理和粗糙程度，以及物體間的相對(duì)位置、遮擋關(guān)系等等。

5.4 立體虛擬聲音的實(shí)現(xiàn)技術(shù)

在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)除了有視覺(jué)顯示之外，如果加入立體虛擬聲音，則可以更好地增強(qiáng)用戶在虛擬環(huán)境中的存在感和人機(jī)之間的交互性，也可以減弱大腦依賴于視覺(jué)，能夠使用戶在虛擬環(huán)境中獲取更多地視覺(jué)感受和聽(tīng)覺(jué)感受，實(shí)現(xiàn)真實(shí)的環(huán)境。

6 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)療的應(yīng)用

6.1 運(yùn)動(dòng)障礙治療

對(duì)于患有動(dòng)作不連貫，不能隨心所動(dòng)的患者，可以采用傳統(tǒng)的康復(fù)治療方法，既浪費(fèi)時(shí)間又消耗體力，訓(xùn)練簡(jiǎn)單乏味，有時(shí)訓(xùn)練強(qiáng)度和效果未能及時(shí)評(píng)估，很容易使患者錯(cuò)失訓(xùn)練的最佳時(shí)機(jī)，而結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以利用虛擬環(huán)境與相關(guān)的仿真技術(shù)使患者處于逼真的環(huán)境中進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，將患者的動(dòng)作通過(guò)輸入設(shè)備把自己的動(dòng)作輸入計(jì)算機(jī)，并輸出反饋信息。同時(shí)可以有音頻的輸入，可以使患者在訓(xùn)練中找到樂(lè)趣，緩解了傳統(tǒng)治療方法帶來(lái)的負(fù)面效果，達(dá)到省時(shí)省力，也提高了患者做康復(fù)的積極性，提高治療效率。

6.2 心理治療

例如：從戰(zhàn)場(chǎng)回來(lái)的退伍老兵容易患創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙，容易精神緊張。導(dǎo)致出現(xiàn)焦慮、消沉、易怒和無(wú)法集中注意力，更有甚者，會(huì)出現(xiàn)自殺或謀殺行為，這些士兵退伍后，如果無(wú)法治愈將帶來(lái)嚴(yán)重的社會(huì)問(wèn)題，而作為治療心理疾病的醫(yī)務(wù)人員有時(shí)也會(huì)受影響。此時(shí)利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行心理治療，這種方法稱為“暴露療法”。通過(guò)虛擬仿真技術(shù)將患者置于虛擬環(huán)境中，讓其感受造成心理創(chuàng)傷或者恐懼的環(huán)境，而心理學(xué)家則在旁邊陪伴并引導(dǎo)他們逐步適應(yīng)環(huán)境，慢慢地幫助患者克服恐懼心理，達(dá)到治療目的。

6.3 醫(yī)療培訓(xùn)及教育

對(duì)于剛從醫(yī)學(xué)院畢業(yè)的外科醫(yī)生而言，外科手術(shù)模擬器對(duì)他們來(lái)說(shuō)是重要的工具，而醫(yī)院通常要為此花費(fèi)無(wú)數(shù)，畢竟這關(guān)系每個(gè)人的生命。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，仿真技術(shù)和壓力反饋技術(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)逼真的模擬環(huán)境，讓醫(yī)護(hù)人員能夠在虛擬環(huán)境下，得到更多的鍛煉和技術(shù)技巧知識(shí)。同時(shí)對(duì)提高醫(yī)護(hù)人員的技能也比較安全，通過(guò)使用虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備讓醫(yī)學(xué)生深刻體會(huì)到做手術(shù)的感覺(jué)。

7 結(jié)語(yǔ)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是進(jìn)入21世紀(jì)的又一新的技術(shù)，其應(yīng)用不僅在醫(yī)療方面，還應(yīng)用在教育、城市規(guī)劃、地理交通、人體模擬等領(lǐng)域。據(jù)有關(guān)信息統(tǒng)計(jì)，2016年是我國(guó)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)產(chǎn)業(yè)的爆發(fā)元年，這一技術(shù)的應(yīng)用將改變傳統(tǒng)方式的解決方法，也對(duì)未來(lái)的發(fā)展意義重大。在醫(yī)療方面，對(duì)遠(yuǎn)程醫(yī)療中采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，異地患者提供各種參數(shù)可以向一些資源豐富地區(qū)的醫(yī)療專家咨詢，醫(yī)療專家只需在虛擬病人身上及時(shí)作出結(jié)論，給出相應(yīng)的治療方法，可以為異地的患者解決疑難雜癥，也解決了患者就醫(yī)的困難。

[1]楊江濤.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].信息通道，2015（1）：45-46.

Application of virtual reality technique in the future medical field

Xie Mengyi
（Quanzhou Institute of Information Engineering, Quanzhou 362000, China）

According to the statistics from related data of China’s medical field, the number of non normal deaths per year in China is more than 8 million, including 400 thousand deaths from medical accidents and taking medicine. In addition, cases of accidents caused by humans also assumes a certain proportion, which results from work intensity causing the medical staff fatigue, absent-mindedness to misjudge illness and make operational errors. These are errors and omission in the traditional medical treatment. The virtual reality technology plays an important role in the diagnosis of disease in medical treatment, rehabilitation and training of medical college students. It makes use of the computer and professional software to construct a virtual natural environment and integers computer and user as a whole.

virtual reality technique; medical; computers

謝夢(mèng)怡 （1986— ），女，福建泉州，碩士；研究方向：數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用技術(shù)。