VR在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)踐探索*

趙明鍇 張一丹 郭月

(新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院,河南新鄉(xiāng) 453000)

0 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)這個(gè)概念是由拉尼爾(Jaron Lanier)在20世紀(jì)80年代初提出的,又名為靈境技術(shù)或人工環(huán)境[1]。虛擬現(xiàn)實(shí)是指用計(jì)算機(jī)生成的一種三維立體環(huán)境,人是其中唯一掌控者。虛擬現(xiàn)實(shí)的三維可視化等技術(shù)與醫(yī)學(xué)行業(yè)的影像分析、手術(shù)操作等存在共通點(diǎn),因此VR在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用有較大的可行性。例如計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)、磁共振成像(MRI)、數(shù)字減影血管造影(DSA)等各種醫(yī)學(xué)影像技術(shù)在臨床得到了廣泛應(yīng)用,這些技術(shù)是臨床診斷和治療評(píng)估的重要依據(jù)之一。但是這些技術(shù)在現(xiàn)代發(fā)展中存在一定的缺陷,比如通過(guò)計(jì)算機(jī)或投影儀等二維設(shè)備呈現(xiàn)的三維立體影像為偽三維;骨骼和肺內(nèi)氣體等人體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的偽影對(duì)呈像可能造成一些干擾,另外,影像診斷在很大程度上依賴于操作醫(yī)師的技術(shù)水平和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 VR技術(shù)演變及優(yōu)劣勢(shì)分析

1.1 VR的概念

虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)是由計(jì)算機(jī)生成的讓人沉浸在由數(shù)據(jù)所構(gòu)建的虛擬環(huán)境的技術(shù)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過(guò)程序編寫生成虛擬環(huán)境,而人通過(guò)視、聽(tīng)、觸覺(jué)來(lái)將自身投入其中。它綜合了計(jì)算機(jī)圖形、圖像處理與模式識(shí)別、智能技術(shù)等多門科學(xué),是現(xiàn)代仿真技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。使用者借助特殊的設(shè)備與虛擬環(huán)境中的場(chǎng)景、人物等各方面進(jìn)行交互、影響,使其產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)和體驗(yàn)[2]。

1.2 VR技術(shù)在實(shí)踐應(yīng)用中的發(fā)展歷程

VR的發(fā)展歷程大致可分為4個(gè)階段。第一階段:模糊幻想階段。目前,根據(jù)有關(guān)資料顯示,最早可以追溯到1938年法國(guó)劇作家知名著作《戲劇及其重影》,在這本書里阿爾托將劇院描述為“虛擬現(xiàn)實(shí)”[3]。第二階段:萌芽發(fā)展階段。1963年,Hugo Gernsback在《Life》雜志發(fā)表的文章中探討了他的發(fā)明——Teleye glasses,為VR領(lǐng)域的發(fā)展埋下了種子[4]。1968年,著名計(jì)算機(jī)科學(xué)家伊凡蘇澤蘭研發(fā)了“達(dá)摩克利斯之劍”,這是真正意義上的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備。第三階段:概念的產(chǎn)生和理論的初步形成。20世紀(jì)七八十年代,史蒂文利斯伯吉爾執(zhí)導(dǎo)的《電子世界爭(zhēng)霸戰(zhàn)》是第一將虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用到實(shí)踐中。在1984年,由Jaron Lanier創(chuàng)辦的VPL Research公司是第一家將VR設(shè)備推向民用市場(chǎng)的公司,因此他被稱為“虛擬現(xiàn)實(shí)之父”。第四階段:VR的現(xiàn)代發(fā)展。1993年,波音公司使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)出波音777飛機(jī)。1995年,任天堂推出了知名游戲外設(shè)Virtual Boy。隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展,VR在醫(yī)療、教學(xué)、飛行、軍事等方面得到廣泛的應(yīng)用。

1.3 VR技術(shù)在應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)

(1)優(yōu)勢(shì)分析:第一,沉浸感強(qiáng)力。VR技術(shù)所采用的頭戴顯示設(shè)備為封閉式,因而使用者的視野不會(huì)被周圍的環(huán)境光所干擾,為使用者創(chuàng)造了更好的沉浸式體驗(yàn)。當(dāng)雙眼看其所對(duì)應(yīng)的屏幕時(shí),由于視覺(jué)角度的不同,實(shí)現(xiàn)三維立體畫面效果。第二,交互性明顯。體感操作增強(qiáng)了代入感,通過(guò)設(shè)備模擬人體進(jìn)行操作,還原在虛擬環(huán)境中人與環(huán)境之間的交互體驗(yàn)。以PS VR為例,現(xiàn)在的一些高端VR設(shè)備,內(nèi)置了陀螺儀、GPS等模塊可以捕捉到頭部的動(dòng)作,還配置了與該其相匹配的設(shè)備,通過(guò)多方位的掃描精準(zhǔn)感應(yīng)身體每個(gè)部位的動(dòng)作。

(2)劣勢(shì)分析:第一,3D容易暈眩附帶不適感。由于人眼的光線成像點(diǎn)和V R產(chǎn)品的調(diào)焦點(diǎn)兩者之間目前無(wú)法完全重合,因此實(shí)體與虛擬影像存在一定差異,使用者若長(zhǎng)時(shí)間佩戴容易產(chǎn)生眩暈感。第二,內(nèi)容存儲(chǔ)空間占用率比較高?，F(xiàn)有的存儲(chǔ)和顯示分辨率會(huì)影響體驗(yàn),由于V R模擬的場(chǎng)景是三維立體的,當(dāng)場(chǎng)景不斷優(yōu)化時(shí),對(duì)存儲(chǔ)空間的占用會(huì)呈現(xiàn)幾何式增長(zhǎng)。因此數(shù)據(jù)處理問(wèn)題和將存儲(chǔ)空間擴(kuò)大是迫切需要解決的,否則 VR的內(nèi)容永遠(yuǎn)都只是片段式的。

2 VR技術(shù)在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用

2.1 在視力方面的應(yīng)用

目前,VR技術(shù)被廣泛的應(yīng)用于基本的視力測(cè)試和腦震蕩的識(shí)別。2 0 1 6年3月波士頓的神經(jīng)技術(shù)公司S y n c Think利用整合虛擬現(xiàn)實(shí)軟件Eye-Sync使病人的眼球運(yùn)動(dòng)可以被精確快速記錄、觀察和分析。在一分鐘內(nèi)就能通過(guò)判定眼球運(yùn)動(dòng)是否異常,對(duì)患者腦震蕩的診斷進(jìn)行輔助判定。VR所創(chuàng)建的虛擬環(huán)境主要是通過(guò)作用于人的視覺(jué)感受器從而被大腦所感知,因此,VR可以廣泛地應(yīng)用于視覺(jué)治療,在弱視方面的治療,弱視患者大多數(shù)為青少年兒童,利用V R技術(shù)將簡(jiǎn)單有趣的游戲代入治療的過(guò)程,通過(guò)其沉浸式的優(yōu)勢(shì)可以更好地吸引患者的注意力,減少使用過(guò)程中患者因?yàn)樽⒁饬Σ患卸a(chǎn)生的抵抗情緒,并為醫(yī)生的治療效果做到及時(shí)反饋。2014年,美國(guó)創(chuàng)業(yè)公司Vivid Vision將VR技術(shù)運(yùn)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,創(chuàng)建了一種新型視力治療方法,該治療方案包含6種游戲,具有不同的難度系數(shù)來(lái)適應(yīng)各個(gè)年齡階段的患者去治療。據(jù)公司的CEO James Blaha表示,VR技術(shù)可以通過(guò)作用于人的視覺(jué)感受器,讓人們通過(guò)視覺(jué)效果去影響大腦感知能力,對(duì)于弱視患者而言,通過(guò)為患者雙眼提供不同的圖像,調(diào)整雙眼的視覺(jué)角度,縮小雙眼視力的差異,從而到達(dá)治療效果。

2.2 在醫(yī)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

人體解剖試驗(yàn)?zāi)M在20世紀(jì)90年代被帶入了課堂,系統(tǒng)顯示的虛擬現(xiàn)實(shí)界面可以讓醫(yī)學(xué)生更加了解人體結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系和各系統(tǒng)之間的相互作用。醫(yī)學(xué)生可以從虛擬人體上取下所需要的人體結(jié)構(gòu),在人體解剖模擬實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行“尸體”解剖和各種手術(shù)練習(xí),加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐操作能力。學(xué)生通過(guò)VR眼鏡裝置和手持控制器,對(duì)手術(shù)的操作流程觀摩和操作:從牙齒清理到麻醉評(píng)估,再到手術(shù)期間尖銳器械的使用和安全操作[5]。另外,醫(yī)學(xué)生與臨床患者進(jìn)行接觸并感受的機(jī)會(huì)很少,很多從事外科的醫(yī)學(xué)生在實(shí)際技術(shù)操作方面訓(xùn)練機(jī)會(huì)較少,而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為解決這類問(wèn)題提供了新的思路。瑞典公司用VR技術(shù)做了專門用于醫(yī)生培訓(xùn)的模擬人,通過(guò)對(duì)模擬病人進(jìn)行不同的程序編寫,使模擬人能夠?qū)Σ煌瑥?fù)雜病情做出相對(duì)應(yīng)的反應(yīng)。這些模擬人的應(yīng)用,使醫(yī)生及學(xué)生能夠進(jìn)行大量的模擬,增加實(shí)踐操作經(jīng)驗(yàn)。

2.3 在心理治療方面的應(yīng)用

VR構(gòu)建虛擬三維立體環(huán)境的優(yōu)勢(shì)可以廣泛的應(yīng)用在心理疾病治療方面。其常用方式是醫(yī)生通過(guò)言語(yǔ)去引導(dǎo)患者回憶過(guò)去或者想象當(dāng)時(shí)的場(chǎng)景來(lái)治療疾病。首次利用虛擬現(xiàn)實(shí)來(lái)幫助患者克服恐懼癥是在2015年,美國(guó)路易斯維爾大學(xué)的精神病專家為幽閉癥患者創(chuàng)建的一個(gè)可以控制的模擬環(huán)境,使患者可以打破逃避心理,來(lái)直面他的恐懼。模擬的世界是根據(jù)患者自身的特點(diǎn)所構(gòu)建的,這種環(huán)境是安全的[6]。在一個(gè)名為《Snow World》的VR游戲,通過(guò)構(gòu)建虛擬的冰雪世界,使醫(yī)生在為燒傷患者治療的同時(shí)通過(guò)虛擬的寒冷環(huán)境降低其末梢神經(jīng)的敏感性,從而減少了疼痛感。大腦會(huì)暫時(shí)被虛假的寒冷感麻痹,從而使患者減少因燒傷帶來(lái)的疼痛感,從某種意義上說(shuō)VR起到了麻醉劑的效果。

2.4 在其他方面的應(yīng)用

一是在慢性疼痛方面的應(yīng)用。對(duì)幻肢癥的治療VR技術(shù)在其中發(fā)揮著重要的作用?；弥词侵副唤厝ブw后遺留的疼痛感,這種疼痛感是一種慢性疼痛。通常表現(xiàn)為自主神經(jīng)受損的癥狀,通過(guò)VR技術(shù)的康復(fù)治療,可以使患者感受到虛擬的患肢,同時(shí)也能夠大大減輕截肢的疼痛感。二是在醫(yī)院方面的應(yīng)用。醫(yī)療保健專業(yè)人員可以通過(guò)電子服務(wù)系統(tǒng)瀏覽和訪問(wèn)患者的病歷。病歷的電子化能夠減少因病歷丟失而可能造成的醫(yī)生對(duì)既往史了解不全面而使疾病診斷不準(zhǔn)確,還有助于維護(hù)數(shù)據(jù)的隱私和安全性[7]。擴(kuò)大病歷,醫(yī)生可以查看患者的CT、MRI、腦血管造影術(shù)等影像資料及生化指標(biāo)來(lái)了解其身體狀況,并通過(guò)VR構(gòu)建患者的三維立體影像,為外科醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)操作供新的視角。

3 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前,構(gòu)建一個(gè)具有高度沉浸感且易于使用、普及性強(qiáng)的醫(yī)學(xué)相關(guān)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng),還存在需要攻克的技術(shù)難題。利用VR設(shè)備進(jìn)行手術(shù)預(yù)演時(shí)VR的構(gòu)建模型可能與患者實(shí)體結(jié)構(gòu)存在差異,導(dǎo)致手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)加大,且現(xiàn)在的設(shè)備不適合在手術(shù)室中長(zhǎng)時(shí)間使用。所以在處理圖像方面,眩暈控制、視角控制、分辨率等成為下一步研究的方向。因此,我們要大力培育虛擬現(xiàn)實(shí)及程序編寫方向的專業(yè)人才,推動(dòng) VR的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。同時(shí),醫(yī)療行業(yè)的頂尖人才進(jìn)一步加強(qiáng)與VR科研人員合作,將醫(yī)學(xué)相關(guān)的VR設(shè)備進(jìn)行完善,加速其在醫(yī)院以及醫(yī)療教育方面的推廣和應(yīng)用,從而推動(dòng)醫(yī)療行業(yè)的進(jìn)步和發(fā)展。隨著5G時(shí)代的到來(lái)以及VR技術(shù)的不斷改進(jìn),虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)療行業(yè)的發(fā)展將會(huì)有一個(gè)質(zhì)的飛躍。