虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用及展望

朱佳偉，潘周嫻，陳 適，王 青，沈 震，朱惠娟，潘 慧

(1.中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 臨床醫(yī)學(xué)八年制, 北京 100730； 2.中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)院 內(nèi)分泌科 衛(wèi)生部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100730； 3.中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)院 教育處，北京 100730；4.清華大學(xué) 信息技術(shù)研究院，北京100084；5.中國(guó)科學(xué)院 自動(dòng)化研究所復(fù)雜系統(tǒng)管理與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，大量新興技術(shù)被應(yīng)用于醫(yī)學(xué)中，其中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(virtual reality,以下簡(jiǎn)稱“VR”)備受矚目。作為一門跨學(xué)科技術(shù)，VR結(jié)合了計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、仿真技術(shù)、傳感器技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)和顯示技術(shù)等多門科學(xué)技術(shù)，利用特定的硬件設(shè)備(建模設(shè)備、現(xiàn)實(shí)設(shè)備和輸入設(shè)備等)模擬真實(shí)場(chǎng)景，給予用戶身浸潤(rùn)感，具有與環(huán)境完善的交互作用能力[1]。VR技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域上具有廣闊的應(yīng)用前景，主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：一是醫(yī)學(xué)教學(xué)，用于理論講解、解剖練習(xí)和手術(shù)培訓(xùn)； 二是臨床診療，能夠增強(qiáng)遠(yuǎn)程門診、構(gòu)建病變模型、改善康復(fù)效果和實(shí)現(xiàn)麻醉；三是醫(yī)學(xué)干預(yù)，主要用于治療精神疾病。醫(yī)生的成長(zhǎng)和治療手段的革新離不開大量的實(shí)踐，人體的復(fù)雜性也增加了其被替代的困難，VR技術(shù)模擬真實(shí)場(chǎng)景的能力將有效節(jié)約資源、縮短訓(xùn)練時(shí)間，而模擬的逼真程度也決定著VR技術(shù)的未來。

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

醫(yī)學(xué)的學(xué)習(xí)是基于實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)的積累，需要可靠的樣本以及真實(shí)的場(chǎng)景，耗費(fèi)大量的金錢與時(shí)間。對(duì)于醫(yī)學(xué)教學(xué)而而言，VR技術(shù)能夠有效地彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的不足、突破時(shí)間和空間限制、充實(shí)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)和模擬真實(shí)場(chǎng)景避免危險(xiǎn)[2]。

1.1 為傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)教學(xué)課堂增添強(qiáng)有力的工具

傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)教學(xué)通常采用書面、幻燈片或視頻進(jìn)行講解，均為二維平面模型、抽象概念，缺乏立體感，學(xué)習(xí)難度大，影響了學(xué)生的積極性；在實(shí)驗(yàn)課中，實(shí)驗(yàn)試劑、器材成本都居高不下，學(xué)生人數(shù)、時(shí)間、空間和標(biāo)本等都嚴(yán)重制約了醫(yī)學(xué)院校教學(xué)任務(wù)的實(shí)施[3]。VR模型能夠立體地呈現(xiàn)講解的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)可視化場(chǎng)景，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)能夠節(jié)約人體標(biāo)本的使用。2017年，研究者利用電子計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)圖像和核磁共振成像(MRI)構(gòu)建了正常大腦的三維解剖結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)表現(xiàn)了腦室和血管系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以創(chuàng)造更好學(xué)習(xí)條件，受試者帶上頭戴式VR設(shè)備便可進(jìn)行沉浸式的學(xué)習(xí)。研究結(jié)果表明，VR學(xué)習(xí)帶來的體驗(yàn)比傳統(tǒng)的解剖圖譜令人更專注、享受、有效，提高了體驗(yàn)者的學(xué)習(xí)動(dòng)力，但也給學(xué)習(xí)者帶來了頭暈、頭痛或視力模糊等癥狀[4]。

VR模型可以被更好地標(biāo)記、添加注釋，獲取相應(yīng)組織器官的性狀結(jié)構(gòu)、名稱等信息變得更加便捷，還能被用于反復(fù)練習(xí)解剖技巧，從而鞏固所學(xué)知識(shí)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)學(xué)習(xí)的不足。

1.2 改變傳統(tǒng)的手術(shù)培訓(xùn)和臨床實(shí)習(xí)

為了保證手術(shù)過程順利、減少醫(yī)療糾紛，醫(yī)生在獨(dú)立操作前需要經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間的觀摩和精細(xì)的訓(xùn)練。VR技術(shù)提供了理想的訓(xùn)練平臺(tái)，受訓(xùn)醫(yī)生在虛擬的環(huán)境中觀察三維人體結(jié)構(gòu)，通過觸覺、壓力反饋裝置使受訓(xùn)者在操作時(shí)能擁有更為真實(shí)的體驗(yàn)。動(dòng)物模型或尸體雖然更為真實(shí)，但是存在解剖結(jié)構(gòu)不同、費(fèi)用較高、道德等問題，人造模型更適用于手術(shù)中部分步驟的訓(xùn)練，而應(yīng)用VR技術(shù)進(jìn)行訓(xùn)練不受時(shí)間、地點(diǎn)限制，也不會(huì)因意外而給患者造成傷害，可以反復(fù)進(jìn)行練習(xí)[2]。此外，還能及時(shí)地給予受訓(xùn)者反饋，有效地觀察、記錄手術(shù)步驟，從而用于測(cè)試或評(píng)估。2017年，一種基于組織保護(hù)的VR訓(xùn)練系統(tǒng)被用于血管介入手術(shù)訓(xùn)練，在控制臺(tái)操作的同時(shí)能在虛擬環(huán)境中看到導(dǎo)管在血管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，輔以觸覺反饋裝置使訓(xùn)練更為真實(shí)。4名非醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)生在參加了5 d的訓(xùn)練項(xiàng)目后，操作時(shí)對(duì)血管的平均損傷程度減少到0.6 mm，且導(dǎo)管與血管的碰撞頻率大大減少[5]。

表1 手術(shù)模擬訓(xùn)練模型Table 1 Surgical simulation training model

此外，利用當(dāng)前已發(fā)出的VR手術(shù)觀摩，能讓觀看者擁有主刀視角，更細(xì)致地觀看每一步操作，創(chuàng)造更好的學(xué)習(xí)條件。2016年國(guó)內(nèi)進(jìn)行首次VR手術(shù)直播，觀看者以選擇戴上VR眼罩或是通過手機(jī)APP進(jìn)行觀看，畫面可在手術(shù)室全景和3D腹腔鏡畫面之間進(jìn)行切換，既能360°觀察手術(shù)室的每一個(gè)角落，亦可在主刀醫(yī)生的視角觀察腹腔內(nèi)的情況[6]。

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

當(dāng)前已經(jīng)有部分醫(yī)院開通了的遠(yuǎn)程門診服務(wù)[7]，VR技術(shù)可以進(jìn)一步完善遠(yuǎn)程門診：醫(yī)生可以全方位地觀察患者，增加醫(yī)生與患者之間的交互，同時(shí)可以將患者各種生理參數(shù)呈現(xiàn)在醫(yī)生面前，以便醫(yī)生及時(shí)作出診斷，并給出相應(yīng)的治療措施。醫(yī)生還可以利用VR技術(shù)構(gòu)建患者病變部位的3D模型，在病變周圍全方位地觀察，制定手術(shù)方案,患者也能更好地了解手術(shù)方案和手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，增加醫(yī)患雙方的理解。

VR技術(shù)能夠有效轉(zhuǎn)移體驗(yàn)者的注意力，從而增強(qiáng)物理治療的效果，甚至是用于麻醉。2016年，基于VR模擬的物理療法治療被用于治療剛經(jīng)歷前十字韌帶修復(fù)的運(yùn)動(dòng)員，實(shí)驗(yàn)組中20名受試者被置于虛擬行人交通場(chǎng)景中，結(jié)果證明虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景有效地改善關(guān)節(jié)的生物力學(xué)情況[8]。在手術(shù)或治療過程中讓患者戴上VR設(shè)備進(jìn)入虛擬世界，轉(zhuǎn)移其注意力，減輕患者的疼痛。另一項(xiàng)研究招募38名經(jīng)歷了牙周刮治和根面平整的患者，對(duì)比了VR注意力分散療法、視頻注意力分散療法和無注意分散法緩解疼痛的效果，結(jié)果顯示接受VR療法的患者的疼痛程度低于另外兩者，且在治療過程中患者血壓降低[9]。

這些研究都表明VR技術(shù)能夠完美融入診療之中，但仍有幾個(gè)迫切的問題需要解決，比如解決用戶在使用過程中的不適，增加相關(guān)人員的培訓(xùn)。雖然這一方面的應(yīng)用仍然處在初期階段，但是隨著VR技術(shù)的飛速發(fā)展，“虛擬+醫(yī)療”比起傳統(tǒng)療法，勢(shì)必會(huì)更受用戶的青睞。

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

在醫(yī)學(xué)干預(yù)方面，VR技術(shù)可以用于治療精神疾病，通過反復(fù)重現(xiàn)令患者癥狀發(fā)作的場(chǎng)景，并利用心理學(xué)的治療手段教導(dǎo)患者做出正確的反應(yīng)，對(duì)患者進(jìn)行訓(xùn)練或者是治療大腦情感創(chuàng)傷[10]。2014年，一個(gè)名為“藍(lán)屋”(blue room)系統(tǒng)被用于治療心理恐懼，9個(gè)7～13歲的男孩被置于360°的全息影像世界中，周全播放都是此前對(duì)自己造成心理創(chuàng)傷的畫面，心理學(xué)家們?cè)凇八{(lán)屋”內(nèi)進(jìn)行陪伴、引導(dǎo)。最終9名孩子中有8個(gè)能良好應(yīng)對(duì)恐懼情景，其中4個(gè)完全克服了恐懼[11]。2016年，研究者募集了59名社交焦慮障礙患者，隨機(jī)分為VR場(chǎng)景暴露組(n=17)、現(xiàn)場(chǎng)暴露組(n=22)和候補(bǔ)組(n=20)，VR場(chǎng)景一共有8個(gè)，例如在會(huì)議室發(fā)言、參加工作面試、拒絕銷售員推銷的產(chǎn)品等，患者可以根據(jù)自身需求進(jìn)行選擇。經(jīng)過14周的治療后，3個(gè)組的改善率分別為76.5%、68.3%和30%，VR場(chǎng)景暴露法比現(xiàn)場(chǎng)暴露法更為有效、實(shí)用，并且VR場(chǎng)景暴露組的治療效果在隨后6個(gè)月中依然維持著[12]。相比于傳統(tǒng)療法，VR技術(shù)能夠完美再現(xiàn)誘發(fā)癥狀的場(chǎng)景并加以控制，同時(shí)受試者事先知道所處的環(huán)境是虛擬的，使得受試者更容易去面對(duì)虛擬場(chǎng)景。

VR技術(shù)在醫(yī)學(xué)干預(yù)中的治療方法將會(huì)越來越多，效率和成本也會(huì)逐步降低，但未來仍需對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行完善、優(yōu)化，豐富場(chǎng)景中的內(nèi)容，增加互動(dòng)，甚至是結(jié)合人工創(chuàng)造虛擬人物，以治療更多的精神疾病。

4 總結(jié)與展望

由于醫(yī)學(xué)專業(yè)的特殊性，當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)條件、技術(shù)限制、硬件設(shè)備價(jià)格過高，限制了VR技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，有專家認(rèn)為這項(xiàng)科技只是一種輔助方式，其意義在于輔助醫(yī)學(xué)教育，縮短人才的培養(yǎng)周期和節(jié)約培養(yǎng)成本。同樣，如何減少使用過程中出現(xiàn)的頭暈頭痛等不適感也影響著大眾對(duì)VR技術(shù)的認(rèn)可。但是隨著技術(shù)與硬件的不斷發(fā)展完善，VR技術(shù)將進(jìn)一步滲透進(jìn)人們的生活中,未來，虛擬教學(xué)與虛擬醫(yī)療將與傳統(tǒng)的教學(xué)、醫(yī)療相結(jié)合，充分發(fā)揮VR技術(shù)強(qiáng)大的浸潤(rùn)感和交互性，創(chuàng)造更加便捷、高效的學(xué)習(xí)、診療條件。

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新聞點(diǎn)擊

為何肥胖青少年不容易瘦下來

據(jù)美國(guó)WebMD醫(yī)學(xué)新聞網(wǎng)(2016- 10- 01)報(bào)道，一項(xiàng)刊登在《國(guó)際肥胖》的研究指出，兒童的代謝作用在青春期會(huì)暫時(shí)減緩，這個(gè)模式可能有助于解釋目前青少年的肥胖問題。

研究發(fā)現(xiàn)，孩童的靜態(tài)能量消耗通常會(huì)在青春期時(shí)降低，靜態(tài)能量消耗代表身體在休息時(shí)燃燒熱量的數(shù)目。

研究人員發(fā)現(xiàn)，平均來說，相較于10歲的孩子，15歲的青少年每天在休息時(shí)會(huì)少消耗450卡熱量。

專家指出，這個(gè)轉(zhuǎn)變是令人驚訝的，因?yàn)樯眢w越大通常會(huì)在休息時(shí)燃燒越多熱量，以提供生命必需的大腦活動(dòng)、心血管系統(tǒng)、以及其他身體功能的能量。

為何會(huì)有這個(gè)模式目前尚不清楚，但英國(guó)Exeter大學(xué)的Terence Wilkin博士推測(cè)，人類身體可能在進(jìn)化時(shí)，于青春期的重要階段會(huì)保留熱量，有助于確保充足的生長(zhǎng)與發(fā)展。

當(dāng)食物缺乏時(shí)，這個(gè)模式非常有利；但如果攝食太充裕的話，青春期燃燒熱量下降可能就會(huì)因進(jìn)食過多而引起體質(zhì)量增加。

任何新的發(fā)現(xiàn)都需要在未來的研究中驗(yàn)證，但如果休息代謝作用在青春期確實(shí)降低的話，讓孩子保持活動(dòng)并保持更健康的飲食就非常重要。

嬰兒吃蛋或花生可減少過敏風(fēng)險(xiǎn)

據(jù)美國(guó)WebMD醫(yī)學(xué)新聞網(wǎng)(2016- 10- 04)報(bào)道，一篇新分析發(fā)現(xiàn)，及早讓嬰兒吃蛋或花生，可以幫助降低他們的食物過敏風(fēng)險(xiǎn)。

研究者回顧了146篇有關(guān)給予嬰兒某種食物所引發(fā)的過敏反應(yīng)，以及他們的食物過敏或自體免疫疾病風(fēng)險(xiǎn)的研究。他們發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)入食物的時(shí)機(jī)會(huì)影響過敏風(fēng)險(xiǎn)，不過，對(duì)于自體免疫疾病沒有類似關(guān)聯(lián)。

研究者報(bào)告指出，相較于年齡較大才給予者，當(dāng)嬰兒在4～6個(gè)月大時(shí)給予蛋類食物，蛋過敏風(fēng)險(xiǎn)較低，在4～11個(gè)月時(shí)給予花生，花生過敏風(fēng)險(xiǎn)也比較低。

這篇文章發(fā)表于2016- 09- 20《美國(guó)醫(yī)學(xué)雜志》研究指出，及早導(dǎo)入可以減少2.4%蛋過敏和1.8%花生過敏。

及早導(dǎo)入魚類食品的證據(jù)就沒有這么強(qiáng)。研究者發(fā)現(xiàn)，在嬰兒6～12個(gè)月之前給予魚類食品而降低鼻過敏或花粉癥(過敏性鼻炎)的風(fēng)險(xiǎn)屬于低確定性，他們報(bào)告指出，如是在6～9個(gè)月齡之前給予時(shí)，降低此食物過敏的風(fēng)險(xiǎn)屬于極低確定性。