基于AR技術(shù)的醫(yī)學(xué)平臺設(shè)計

于欽君 李麗新 王沿州 趙宏民 姜濤 牟星沛

【摘要】在目前云技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅猛發(fā)展的大背景下，多種前沿技術(shù)的融合變得更加容易。醫(yī)學(xué)生實際操作變的更加容易，重大手術(shù)擁有模擬機會，手術(shù)操作方法具有多樣性，增加手術(shù)成功概率，實戰(zhàn)經(jīng)驗變得更加豐富，大大的降低犯錯的幾率。通過高效的云計算作為支撐，可以極大地豐富智能控制的功能。

【關(guān)鍵詞】AR技術(shù) 醫(yī)學(xué)行業(yè) 數(shù)據(jù)庫

一、引言

增強現(xiàn)實是利用計算機生成一種逼真的視、聽、力、觸和動等感覺的虛擬環(huán)境，通過各種傳感設(shè)備使用戶沉浸到該環(huán)境中，實現(xiàn)用戶和環(huán)境直接進行自然交互AR：增強現(xiàn)實是一種全新的人機交互技術(shù)，利用這樣一種技術(shù)，可以模擬真實的現(xiàn)場景觀，它是以交互性和構(gòu)想為基本特征的計算機高級人機界面。使用者不僅能夠通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)感受到在客觀物理世界中所經(jīng)歷的"身臨其境"的逼真性，而且能夠突破空間、時間以及其它客觀限制，感受到在真實世界中無法親身經(jīng)歷的體驗。

二、系統(tǒng)研究的意義及原因

從本項目的開發(fā)角度：使學(xué)生在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，能夠自主的完成軟件項目研發(fā)的環(huán)境建構(gòu)、需求分析、性能分析、總體設(shè)計、代碼開發(fā)、終端調(diào)試、后期維護等內(nèi)容，從而在軟件項目開發(fā)的整個流程中得到有效的鍛煉。真正作到了學(xué)以致用，教學(xué)與實際相結(jié)合。為參與項目的學(xué)生提供最真實的實際工作環(huán)境，保證學(xué)生從畢業(yè)生向軟件工程師的順利過渡。

在遠程醫(yī)療中采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，外地病人的各種生理參數(shù)可以反映在遠在北上廣甚至國外的醫(yī)療專家面前的虛擬病人身上，專家們便能及時作出結(jié)論，并給出相應(yīng)的治療措施。這樣，利用遠程醫(yī)療技術(shù)，即使邊遠地區(qū)的病人也可以得到經(jīng)驗豐富的醫(yī)生的診治，特別是那些當?shù)蒯t(yī)生無法解決的疑難雜癥。遠程外科手術(shù)是遠程醫(yī)療中的一個重要組成部分，在手術(shù)時，手術(shù)醫(yī)生在一個虛擬病人環(huán)境中操作，控制在遠處給實際病人做手術(shù)的機器人的動作。目前，美國佐治亞醫(yī)學(xué)院和佐治亞技術(shù)研究所的專家們已經(jīng)合作研制出了能進行遠程眼科手術(shù)的機器人。這些機器人在有豐富經(jīng)驗的眼科醫(yī)生的控制下，更安全地完成眼科手術(shù)，而不需要醫(yī)生親自到現(xiàn)場去。在傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)教育中，如人體標本解剖和各種手術(shù)實訓(xùn)，受標本、場地等限制，實訓(xùn)費用高昂。同時，醫(yī)學(xué)生不能通過反復(fù)在病人身上進行操作來提高臨床實踐能力、臨床實踐具有較大風(fēng)險等。而虛擬現(xiàn)實的直觀和體驗特性卻可以很好地解決以上問題。

三、平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

1.架構(gòu)設(shè)計

2.軟硬件設(shè)計

虛擬現(xiàn)實，簡稱VR，是利用電腦設(shè)備模擬出一個虛擬的三維空間，再運用沉浸式頭戴設(shè)備，為使用者提供視覺，聽覺，和一定程度上的觸覺反饋。讓使用者能夠身臨其境一般來探索模擬的未知三維空間。性能高效的計算機硬件，能夠熟練應(yīng)用的軟件開發(fā)環(huán)境，能夠支持多臺計算機和路由器組成的局域網(wǎng)絡(luò)，若干不同型號測試用安卓設(shè)備，一臺或多臺能過連接到互聯(lián)網(wǎng)用于資料查詢的計算機以及其他各種相關(guān)技術(shù)資料的獲取方式。

VR交互方式是因為純虛擬三維世界所決定其必須依靠外部的手柄，位置與動作捕捉設(shè)備，和最為重要的數(shù)據(jù)頭盔。而AR是虛實結(jié)合，主要依靠攝像頭投射的畫面進行實時互動。

本系統(tǒng)采用BIM架構(gòu)，應(yīng)用熟練的軟件開發(fā)語言如NET或者JAVA，以及軟件開發(fā)環(huán)境如.python、VB等開發(fā)出一套基于BIM三維設(shè)計的軟件，可通過互聯(lián)網(wǎng)與云平臺進行信息交互，進而完善三維信息的架構(gòu)，獲得醫(yī)學(xué)信息的匹配，并且熟練應(yīng)用數(shù)據(jù)庫開發(fā)語言例如SQL等完成大數(shù)據(jù)庫的基本框架，獲得大數(shù)據(jù)的自我豐富和升級，其旨在如何調(diào)配三者之間關(guān)系，形成完整的混合現(xiàn)實應(yīng)用系統(tǒng)。

學(xué)生通過對AR操作系統(tǒng)的研發(fā)，在需求分析、性能分析、總體設(shè)計、代碼開發(fā)、終端調(diào)試這五個方面得到充足的鍛煉，進而成為一名優(yōu)秀的軟件工程師，且學(xué)生通過創(chuàng)業(yè)項目將學(xué)習(xí)與實踐相結(jié)合，為國家提供了高科技創(chuàng)新型人才。

四、結(jié)語

虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)在最近幾年迎來火熱爆發(fā)，醫(yī)療行業(yè)也成為AR/VR行業(yè)的深度研究和重點應(yīng)用方向。根據(jù)美國研究機構(gòu)IndustryARC的一份報告稱，到2020年，虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實在醫(yī)療健康領(lǐng)域?qū)⑦_到25.4億美元的市場規(guī)模，之后將逐年遞增，成為醫(yī)療行業(yè)的標準技術(shù)應(yīng)用。

在醫(yī)學(xué)手術(shù)過程中，運用AR技術(shù)來實驗和完善手術(shù)過程已成為一種必要的趨勢，在三維技術(shù)支持下，這種AR技術(shù)在醫(yī)學(xué)中已成為可能，AR操作環(huán)境的使用既能保證病人的安全，提高手術(shù)效率，又能規(guī)避手術(shù)所遇到的錯誤，提高手術(shù)質(zhì)量，使手術(shù)成功率提高，提高病人存活率，為中國醫(yī)療事業(yè)做出貢獻。

該市場領(lǐng)域內(nèi)，目前的研究方向主要集中在模擬訓(xùn)練和康復(fù)治療兩大塊。在可預(yù)期的時間內(nèi)，醫(yī)療方面，虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實的應(yīng)用將從現(xiàn)在淺層的遠程視頻、錄像應(yīng)用等，向更高層次的智能系統(tǒng)集成、配套醫(yī)學(xué)技術(shù)方案等方向發(fā)展，隨著技術(shù)不斷完善成熟，其在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用將會更加深入擴大。

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基金項目：吉林建筑大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目，項目編號：2018S1111。