虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

許彥劼綜述，夏 明審校

0 引 言

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，VR)技術(shù)是一種用以代替或增強(qiáng)使用者真實(shí)體驗(yàn)的仿真系統(tǒng)。用戶自然地沉浸其中，通過(guò)各種方式與傳感系統(tǒng)交互來(lái)喚醒或是復(fù)制其對(duì)真實(shí)物質(zhì)世界的感受[1-3]。該技術(shù)已在許多領(lǐng)域中有著廣泛的運(yùn)用，而從1963年至今，VR技術(shù)展現(xiàn)出了其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中越來(lái)越多的應(yīng)用可能。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)及其重要性

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種新的現(xiàn)代化技術(shù)，主要有3個(gè)特性，分別是沉浸性、交互性和構(gòu)想性[2]。

1.1沉浸性(Immersion) 沉浸性是VR技術(shù)最主要的技術(shù)特征，旨在利用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的三維虛擬環(huán)境，讓人沉浸于數(shù)據(jù)空間中，以更自然、更直接的方式與數(shù)據(jù)交互，有一種身臨其境的感覺(jué)。所謂的“沉浸感”就是要讓用戶覺(jué)得自己是虛擬環(huán)境的一部分，而不是一個(gè)旁觀者。

1.2交互性(Interactivity) 交互性是指在計(jì)算機(jī)生成的這種虛擬環(huán)境中，人們可以利用一些傳感設(shè)備進(jìn)行交互，感覺(jué)就像是在真實(shí)客觀世界中一樣，比如：當(dāng)用戶用手去抓取虛擬環(huán)境中的物體時(shí)，手就有握東西的感覺(jué)，而且可感覺(jué)到物體的重量。

1.3構(gòu)想性(Imagination) 構(gòu)想性由于VR并不只是一種媒介或一個(gè)高層終端用戶界面，它的應(yīng)用能解決在工程、醫(yī)學(xué)、軍事等方面的一些問(wèn)題，這些應(yīng)用是VR與設(shè)計(jì)者并行操作，為發(fā)揮它們的創(chuàng)造性而設(shè)計(jì)的，這極大地依賴于人類的想象力，這就是VR的第三個(gè)特征：構(gòu)想性。

在20世紀(jì)，我們對(duì)人體的結(jié)構(gòu)與功能以及疾病的發(fā)生機(jī)制有了越來(lái)越深的理解。同時(shí)，這個(gè)過(guò)程也伴隨著診斷和成像技術(shù)的進(jìn)步以及治療和處理疾病方法的改善。這樣一個(gè)快速增長(zhǎng)的知識(shí)庫(kù)使我們不得不接受新知識(shí)、新技術(shù)以及新的教學(xué)方法[4]。

但同時(shí)，在歐美國(guó)家，隨著醫(yī)療事業(yè)的現(xiàn)代化以及地區(qū)工作時(shí)間調(diào)整的指令，實(shí)習(xí)生的工作時(shí)間從30 000 h縮減到了6000 h[5]。醫(yī)學(xué)教育與其他基礎(chǔ)學(xué)科的教學(xué)有所不同，它不但要傳授必備的醫(yī)學(xué)理論及原理，也需要學(xué)生在實(shí)踐中摸索成長(zhǎng)，傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)教學(xué)模式的局限性嚴(yán)重影響著醫(yī)學(xué)教學(xué)的效果。這就意味著，對(duì)于像外科手術(shù)這樣高度依賴精細(xì)操作的技能，“動(dòng)手時(shí)間”的減少可能會(huì)對(duì)訓(xùn)練產(chǎn)生重大影響[6]。此外，隨著學(xué)生人數(shù)的增加，床位緊張，以及患者和公眾的期望的不斷提高，新的教學(xué)方法的出現(xiàn)顯得尤為迫切[7-8]。

而當(dāng)下計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，將對(duì)傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)教學(xué)模式產(chǎn)生巨大的影響[9]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是多媒體技術(shù)發(fā)展的更高境界，是這些技術(shù)更高層次的集成和滲透；它能給用戶以更逼真的體驗(yàn)，它為人們探索宏觀世界和微觀世界以及種種原因不便于直接觀察的事物的運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律，提供了極大的便利。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)，稱之為虛擬醫(yī)學(xué)(Virtual Medicine)或仿真醫(yī)學(xué)。1965年Robert Mann首先提出了在醫(yī)學(xué)中建立虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，并應(yīng)用于康復(fù)工程的想法[10]。目前，隨著信息科學(xué)和生命科學(xué)的飛速發(fā)展，不同學(xué)科間的交叉和滲透，使得新興技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。在醫(yī)學(xué)教學(xué)和仿真訓(xùn)練等方面，VR技術(shù)有著不可替代和令人鼓舞的發(fā)展前景[11]。

2.1在醫(yī)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有沉浸性、交互性和構(gòu)想性的特征，所以將其應(yīng)用于醫(yī)學(xué)教育的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，對(duì)醫(yī)學(xué)職業(yè)技能的培養(yǎng)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，它可以模擬難以講解的教學(xué)場(chǎng)景，使之可視化并具有可參與性。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，使用者可以在一個(gè)幾乎完全虛擬的環(huán)境中切身體驗(yàn)醫(yī)學(xué)教科書中的一些需要?jiǎng)赢?、交互的?yè)面[12]。如在學(xué)習(xí)人體解剖學(xué)時(shí)，傳統(tǒng)的人體解剖學(xué)教學(xué)方法是以課堂教學(xué)為主，再結(jié)合圖譜、模型并配以尸體解剖來(lái)加深學(xué)生的理解，尸體標(biāo)本是傳統(tǒng)人體解剖學(xué)教學(xué)必不可少的條件，標(biāo)本缺乏嚴(yán)重影響著教學(xué)質(zhì)量[13-14]?，F(xiàn)四川大學(xué)已研發(fā)了一款《人衛(wèi)3D系統(tǒng)解剖學(xué)》VR版，通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)和生物技術(shù)的整合，將人體的物理、化學(xué)、生物信息數(shù)字化所建立出的數(shù)字化虛擬人體，能夠完整地描述出人體的細(xì)胞、組織、器官、系統(tǒng)的解剖構(gòu)成、生理及病理情況，提供器官或組織結(jié)構(gòu)在人體空間的精確定位，并且可以根據(jù)需要任意放大、旋轉(zhuǎn)和平移，還可以選擇任意人體組織結(jié)構(gòu)的三維模型，并將其從數(shù)字化虛擬人體中獨(dú)立出來(lái)，再對(duì)其進(jìn)行局部的觀察。學(xué)生還可以利用專業(yè)的虛擬解剖手術(shù)器械，來(lái)模擬解剖手術(shù)的各種動(dòng)作。如果使用專業(yè)的力反饋器械和系統(tǒng)并給予模擬解剖操作中的力回饋, 則學(xué)生可以感受到人體組織的不同質(zhì)感。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能使學(xué)生在虛擬的人體標(biāo)本上進(jìn)行解剖觀察和學(xué)習(xí)，不僅調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且將抽象的內(nèi)容具體化、形象化，給學(xué)生留下深刻的記憶，也給教員提供了方便，且大大提高了教學(xué)質(zhì)量。同時(shí)可緩解尸體標(biāo)本缺乏的狀態(tài)，降低教學(xué)成本，彌補(bǔ)教學(xué)條件的不足，減少了危險(xiǎn)性。

2.2在臨床工作中的應(yīng)用目前在中國(guó)，醫(yī)患間的不信任導(dǎo)致醫(yī)療糾紛激化，許多患者拒絕讓年輕醫(yī)師做手術(shù)[15-16]。同時(shí)，每個(gè)專業(yè)的臨床見(jiàn)習(xí)操作時(shí)間相對(duì)有限，且不同醫(yī)院病例數(shù)量差異較大，多種因素最終導(dǎo)致了醫(yī)學(xué)生在醫(yī)學(xué)實(shí)踐中的接觸體驗(yàn)相對(duì)不平等或不充分。而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能作為一個(gè)平臺(tái)，給醫(yī)學(xué)生們提供一個(gè)在遠(yuǎn)離患者、無(wú)風(fēng)險(xiǎn)的環(huán)境下進(jìn)行重復(fù)練習(xí)的機(jī)會(huì)，讓醫(yī)學(xué)生和低年資醫(yī)師從多個(gè)角度去觀察、分析病例[17-19]。醫(yī)務(wù)人員根據(jù)現(xiàn)有的醫(yī)學(xué)檢查設(shè)備，如利用從CT、MRI中獲取的影像數(shù)據(jù)，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，構(gòu)造出一個(gè)虛擬的手術(shù)對(duì)象，并結(jié)合力反饋系統(tǒng)來(lái)模擬手術(shù)的各種動(dòng)作，從而感受到人體組織的不同質(zhì)感。醫(yī)務(wù)人員可以隨時(shí)使用虛擬的手術(shù)器械進(jìn)行手術(shù)練習(xí)，從而解決臨床中實(shí)際動(dòng)手及親身體驗(yàn)機(jī)會(huì)少的弊端。在虛擬環(huán)境中，住院醫(yī)師可以針對(duì)一個(gè)手術(shù)術(shù)式反復(fù)操作，增強(qiáng)其技術(shù)的熟練度，對(duì)制定手術(shù)方案、尋找最佳手術(shù)路徑、提高手術(shù)精準(zhǔn)性等具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，同時(shí)也不用擔(dān)心對(duì)患者造成身體或心理上的傷害，避免醫(yī)學(xué)倫理問(wèn)題[20-22]。解放軍總醫(yī)院開(kāi)發(fā)的膝關(guān)節(jié)鏡仿真訓(xùn)練系統(tǒng)針對(duì)初學(xué)者、中職學(xué)員、高職學(xué)員開(kāi)發(fā)了對(duì)應(yīng)的虛擬訓(xùn)練模塊，充分考慮不同學(xué)習(xí)者的需求，初學(xué)者利用力反饋交互設(shè)備來(lái)學(xué)習(xí)關(guān)節(jié)囊內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)；中職學(xué)員可通過(guò)中級(jí)模塊查找關(guān)節(jié)囊內(nèi)的預(yù)設(shè)定位點(diǎn)、囊內(nèi)組織探查以及雙手協(xié)同操作的能力；高級(jí)模塊則為高職學(xué)員提供了常見(jiàn)的4種手術(shù)的虛擬，并可在系統(tǒng)提示下利用力反饋設(shè)備真實(shí)體驗(yàn)手術(shù)的操作過(guò)程。通過(guò)對(duì)不同級(jí)別的學(xué)員進(jìn)行訓(xùn)練后發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)能有效提高手術(shù)技能培訓(xùn)效果，目前該系統(tǒng)已在國(guó)家執(zhí)業(yè)醫(yī)師協(xié)會(huì)關(guān)節(jié)鏡培訓(xùn)基地用于執(zhí)業(yè)醫(yī)師訓(xùn)練[23]。

通過(guò)虛擬手術(shù)操作，不僅可以使初學(xué)者對(duì)手術(shù)操作有感性認(rèn)識(shí)和切身體會(huì)，而且可以將經(jīng)驗(yàn)豐富的醫(yī)師設(shè)計(jì)的手術(shù)方案及大致過(guò)程呈現(xiàn)在患者及其家屬面前，以此來(lái)增強(qiáng)醫(yī)患間的溝通與交流[24]。如對(duì)于復(fù)雜的手術(shù)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以把各種診斷傳感器搜集到的信息集成到手術(shù)所處的實(shí)際環(huán)境的模型中，醫(yī)師可以在這個(gè)虛擬環(huán)境中觀察、分析，預(yù)演手術(shù)的整個(gè)過(guò)程以便發(fā)現(xiàn)手術(shù)中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，檢驗(yàn)手術(shù)方案的可行性，隨時(shí)調(diào)整手術(shù)方式及手法[25]。這種模擬不僅能大大提高手術(shù)成功的概率，而且可以作為重要的醫(yī)學(xué)教學(xué)資料。例如，VR技術(shù)可用于構(gòu)建精確的肝三維模型及其解剖結(jié)構(gòu)的詳細(xì)特征(包括腫瘤形態(tài)、大小、與周圍組織及血管的關(guān)系)，這些可以幫助醫(yī)師向患者闡明復(fù)雜的肝切除手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)和多種可能性[26-27]。另一方面借助這種設(shè)備，完全不需要特殊的手術(shù)對(duì)象、器材以及場(chǎng)所，從而大大降低醫(yī)務(wù)人員培訓(xùn)的費(fèi)用，并可減少醫(yī)療垃圾的生成[28]。而且對(duì)于在感染、放射條件下的手術(shù)練習(xí)，更是具備了傳統(tǒng)手術(shù)練習(xí)不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。

此外，外科手術(shù)需要的不僅僅是醫(yī)師的技術(shù)和技巧。研究發(fā)現(xiàn)，43%的手術(shù)失誤涉及了醫(yī)務(wù)人員之間的交流問(wèn)題[29]。近年來(lái)，醫(yī)療團(tuán)隊(duì)的合作和溝通的重要性得到越來(lái)越多的重視，它是貫穿外科手術(shù)全程的一個(gè)重要組成部分。而這種沉浸式的環(huán)境將有助于醫(yī)務(wù)人員建立融洽的關(guān)系和彼此之間的默契[30-32]。

2.3虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在遠(yuǎn)程手術(shù)中的應(yīng)用遠(yuǎn)程手術(shù)(telesurgery)是指外科醫(yī)師通過(guò)使用計(jì)算機(jī)及通信技術(shù)遠(yuǎn)距離地對(duì)患者實(shí)施或協(xié)助實(shí)施手術(shù)的一種先進(jìn)的醫(yī)療方式[12]。在遠(yuǎn)程醫(yī)療中采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以將裝備有基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的遠(yuǎn)程控制中心與患者所在的當(dāng)?shù)蒯t(yī)院建立起遠(yuǎn)程醫(yī)療虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，醫(yī)師只需對(duì)虛擬患者的模型進(jìn)行手術(shù)，并通過(guò)高速網(wǎng)絡(luò)將醫(yī)師的動(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)患者進(jìn)行手術(shù)；手術(shù)實(shí)際進(jìn)展的錄像也可通過(guò)機(jī)器人的攝像機(jī)實(shí)時(shí)地傳回給醫(yī)師的頭盔立體顯示器，并將其與虛擬患者疊加，以便醫(yī)師實(shí)時(shí)掌握手術(shù)情況并發(fā)出手術(shù)指令。世界上第一例遠(yuǎn)程手術(shù)發(fā)生在 2001 年，醫(yī)師在紐約，患者在法國(guó)，兩地遠(yuǎn)隔 6230 公里，可謂一場(chǎng)橫跨大西洋的手術(shù)[33]。此外，患者可以直接與虛擬手術(shù)醫(yī)師面對(duì)面交流，醫(yī)師也可以非常方便地了解患者各項(xiàng)生理特征，及時(shí)做出診斷意見(jiàn)。借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的補(bǔ)充，遠(yuǎn)程醫(yī)療已獲得了更成熟的發(fā)展。

3 展 望

我們正處在信息技術(shù)高速發(fā)展的時(shí)代，現(xiàn)代教育正朝著網(wǎng)絡(luò)化、信息化快速發(fā)展，這是大勢(shì)所趨。醫(yī)學(xué)領(lǐng)域由于其風(fēng)險(xiǎn)性和復(fù)雜性使得VR技術(shù)的介入成為必然。目前VR技術(shù)已在骨科、普通外科、神經(jīng)外科、泌尿外科、胸外科、婦產(chǎn)科等眾多學(xué)科的臨床診療或手術(shù)教學(xué)方面得到了不同程度的應(yīng)用,美軍甚至將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到士兵的平戰(zhàn)時(shí)心理疾患的防控[34-35]。隨著VR技術(shù)的成熟，它將在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有更廣闊的前景，但同時(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用也存在一些困難。首先，配置高質(zhì)量的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，資金投入大，同時(shí)維修與保養(yǎng)也是一筆不小的開(kāi)銷[36]；其次，在構(gòu)建虛擬人體及虛擬手術(shù)系統(tǒng)時(shí)，要求高度真實(shí)感，但目前所建立的三維模型精度不能完全滿足要求；此外，作為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)核心之一的力觸覺(jué)反饋系統(tǒng)，其作用是給操作者提供立體真實(shí)感和沉浸感，但目前該系統(tǒng)所提供的觸覺(jué)反饋與真實(shí)手術(shù)的感受尚有一定的差距，性能更佳的力觸覺(jué)反饋系統(tǒng)仍有待開(kāi)發(fā)[37]。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)的圖像與操作系統(tǒng)在實(shí)時(shí)性和生成速度上與實(shí)際手術(shù)操作還有一定的距離，虛擬現(xiàn)實(shí)的發(fā)展在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用還處在初級(jí)階段，一方面是因?yàn)獒t(yī)學(xué)領(lǐng)域有著極強(qiáng)的專業(yè)性，專業(yè)技術(shù)的堡壘比較高；另一方面，也和醫(yī)學(xué)教學(xué)人員對(duì)于VR技術(shù)的認(rèn)識(shí)不夠或理解存在偏差有一定的關(guān)系[38]。

隨著醫(yī)學(xué)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)受到越來(lái)越多的重視和研究，結(jié)合計(jì)算機(jī)和人工智能的飛速發(fā)展，可以預(yù)料VR技術(shù)將會(huì)在醫(yī)學(xué)上尤其是在醫(yī)學(xué)教學(xué)中得到更加廣泛、更加深入的應(yīng)用，相信在不久的將來(lái)其巨大的潛力必將給醫(yī)療事業(yè)帶來(lái)重大的變革，影響著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的方方面面。

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