虚拟现实技术成功应用于医学领域

2024-10-29 百科知识版权反馈

【摘要】：VRT在军事、医学、娱乐中都已有广泛的应用。

1.4　虚拟现实技术在医学中的应用

1.4.1　虚拟现实技术的定义

虚拟现实技术（Virtual Reality Technology，VRT）是由计算机技术、图像图形技术、传感器技术、网络技术以及“人—机”接口技术相结合的产物。VRT以计算机为中心，创建一个三维视觉、听觉和触觉环境；用户利用系统提供的“人—机”对话工具，同虚拟环境（Virtual Environment，VE）中的虚拟对象（Virtual Object）交互操作，使用户仿佛置身于现实中。VRT在军事、医学、娱乐中都已有广泛的应用。

1.4.2　虚拟现实系统的构成

一个完整的虚拟现实系统是由计算机、传感器、音频输出设备、视频输出设备、机械设备及其相应的配套软件构成，图1.4是虚拟现实系统的结构。

下面对图1.4中的各个模块进行解释：

①建模程序用于构造虚拟环境中的单个对象物体，视待虚拟的具体系统而定。

②CAD数据库保存系统中绘制和渲染虚拟物体的数据，它包括物理模型、数学模型及生理模型的相关数据。

③建模程序通过调用CAD数据库中的资源数据选择恰当的三维模型和纹理映射图，为三维视觉和听觉编程确定相应的虚拟对象。

④三维图像模型及纹理映射图建立虚拟对象所需的“部件”，包括各种三维模型和表面纹理映射图。

图1.4　虚拟现实系统的结构框图

⑤特殊应用编程实现系统对虚拟对象的各种特定操作，包括模拟解剖、旋转、动画演示动态过程等。

⑥动态合成把特殊应用编程和用户操作应用到虚拟对象上，这是实现虚拟操作的关键环节。

⑦着色将虚拟对象和虚拟环境以三维视觉（图像）和三维听觉（空间声响）等方式进行修饰和渲染。

⑧输出附件以音频、视频和运动触觉3种方式输出给用户，使用户获得更真实的体验。

⑨用户动作包括用户在虚拟环境中对虚拟对象的各类操作，它们经输入附件（传感器）将各种动作告诉系统，系统再通过输出附件表现出来。

1.4.3　虚拟现实技术在医学教育及医疗培训中的应用

在实际工作中，要成为一名熟练的医护人员，只有向专家学习，接受专门医学训练。在传统的医学概念中，这部分工作需要学员在现场观察生理、病理解剖模型，听有经验的医护人员讲解指导，是一个花费大、耗时长的工作。虚拟现实技术可以使这些工作变得简单易行。因为一个虚拟模型可同时供许多学员操作练习，学员可以对自己感兴趣的部位作特殊处理，更重要的是这些虚拟模型可以反复使用，这样一来，虚拟现实技术就给医学教育和训练带来了全新的变革。(www.chuimin.cn)

1）在虚拟环境中学习解剖学、生理学、病理学

在虚拟环境中学习人体解剖学和生理学是虚拟现实技术在医学教育上的一个应用。以往，解剖模型和各器官的生理知识都清楚地写在教科书上。现在，我们可以将人体各器官的解剖结构和生理学数学模型存在一个数据库中，在需要时把它取出来展示在显示屏上；同时可以有意识地显示某些细节，这些细节部分平时可能要凑得很近才能看到，有的甚至是不能用肉眼直接看到的。这种方法也可以模拟病理学教育，学员利用这种技术，可以将虚拟病人的各病变部位分开来观察研究，也能合在一起看综合情况。

2）医院急救室工作人员的培训

医院急救室好似一个剧场，要有效地完成急救室的急救工作，需要医护人员有充分的“排练”准备。现在这种训练工作可以在一个虚拟环境中完成。在这种训练系统中，要构造一个虚拟的急救室，包括病床、桌子、抽屉、手术器械以及急救室的其他必需器械；抽屉里还可以装有绷带、剪刀、镊子和注射器等。理论上讲，可以让一个虚拟病人受到任何部位及任何程度的伤害。在一个交互式的虚拟训练环境中，可预先设计一个病人受伤害的过程，让接受训练的医护人员或者治愈这个“病人”，或者造成更大的伤害以至发生医疗事故。这样一来，就基本有了急救室的那种氛围。另外，在操作中，可以靠时间约束来增加受训练者的心理紧张程度，或者加入一些随机性干扰因素增加训练难度。最后，系统可以自动记载每个受训者的成绩。

3）内窥镜手术训练

内窥镜手术是专门针对病人某一部位而进行的一项特殊皮下手术，它可使病人在皮肤、肌肉以及周围的组织和器官受损伤最小。这种内窥镜手术往往只需在病人身上做个很小的切口就可进行，而且只用局部麻醉，手术后病人恢复时间大大缩短，在身体表面留下的疤痕也大大减小，护理工作也更方便。基于这些优点，内窥镜手术现在已经在身体各部位广泛采用，例如用于冠状动脉的动脉造影术（ArteriograPhy）、胸部的胸腔镜检（Thorocosco-Py）、腹部的腹腔镜检（LaParoscoPy）、关节的关节镜检（ArthroscoPy）以及胃内部的胃窥镜检查（GastroscoPy）。在内窥镜手术中，传统的许多手术器械和手术方法都用不上，取而代之的是一些新的器械。

要达到专业手术医生的水平，花费的学习和训练时间是很长的，就是要达到一个初级的内窥镜手术医生水平，也至少要在有人指导的条件下完成25个病例。传统的内窥镜手术医生培训有许多途径，可以在外科手术训练设备上实际操作，可以使用动物模型，可以给经验丰富的医生当助手。但是不管怎么说，这些方法都要花费很多时间和费用，而且一个医生也不可能同时指导很多学员。再有就是使用动物模型也会伤害许多动物。目前，一些内窥镜手术器械生产商正在计划建立一些大的培训中心，在那里他们实际建立的是一个虚拟环境，在虚拟环境中，医生可以使用最新的设备和技术，可以对虚拟病人施行各种手术。

高质量的内窥镜手术需要医生在手术前对手术有全面的计划，最好是能对整个过程“预演”一遍，以便实际操作时能熟练进行，这种工作在内窥镜手术虚拟环境中是很容易实现的。目前，已出现了内窥镜手术模拟装置的实际产品，并在1994年美国心脉学专家年会上进行了展示。

4）放射疗法计划

在对肿瘤的治疗中，放射疗法是经常采用的方法。所谓放射疗法，就是让肿瘤部位接受辐射，进而杀死癌细胞。由于癌变部位周围可能有对辐射敏感的组织器官，如视神经、脊神经、脑干等，在对肿瘤进行高剂量放疗时，不可避免要对周围无关的组织器官造成伤害。为了减少这种伤害，制订周密的放疗计划是必要的。在治疗前应该把目标区域的轮廓细致地展示在医生眼前，并计算不同部位最理想的照射剂量。这种放疗计划可以在虚拟环境中实现，实际就是先在虚拟病人身上模拟，根据具体情况不断改进计划、调整剂量，直到做到既有效杀死癌细胞，又使周围组织损伤最小，最后才依此计划对实际病人进行手术。

1.4.4　虚拟现实技术在外科手术中的应用

1）外科手术计划和模拟

当前，器官移植手术正广泛使用，但它有一个急需解决的问题，这就是排异性，也就是接受器官的患者的身体本身可能“不愿意接受”外来器官，而不管病人的思想上愿不愿意接受。这种情况只有在手术进行后才能知道，而这时再采取补救措施已经来不及了。虚拟现实技术或许在这方面能发挥很大作用。利用它可以在手术前根据接受器官患者和被移植器官的生理特性及生化特性，在虚拟环境中模拟移植后的情况，观察移植后的效果，为移植手术的实际实施提供指导。

另一个类似的情况是整容手术。为了取得良好的整容效果，手术前需要很好的计划，因为稍有不慎，将适得其反。利用虚拟现实技术，手术前先在虚拟环境中建立病人的模型，医生可以在模型上进行模拟手术，根据效果不断调整手术方案，直至患者满意为止。这样，再根据在虚拟环境中确定的方案对患者进行实际手术，可以有效地避免医疗事故发生。利用虚拟现实技术，还可以使其他一些外科手术进行得更安全。许多手术部位周围都有神经之类的重要组织，手术前如果不先做仔细规划，实际手术时就可能伤及这些组织。利用虚拟现实技术，手术前先在虚拟环境中在虚拟病人身上模拟手术过程，在危险组织上作上标记，实际手术时就能想办法避开危险部位，让手术更安全地进行。

2）放射诊断

放射诊断主要解决的问题，一是要可见，二是要能对可见的现象作出解释。以往，放射专家解释病人的二维X放射图像的目的是为了符合医疗决策。由于断层X射线成像技术的出现，放射专家已能对三维X图像及核磁共振图像作出解释。然而，这些三维图像经常以切片形式给出，并不是真三维，尽管目前已经有了真三维图像显示方法。

虚拟现实技术可以将放射诊断带入全新的境地。采用这种技术，首先是获取病人的有关数据，然后在虚拟环境中用计算机模型去提取这些数据并显示出来。对医生来讲，用图像模型来适当调节病人数据的最大好处在于，这种方法能更近地观察真正的人体器官而不是看一些灰度等级图，然而，也存在一个习惯问题：医生已经习惯看灰度图，再根据这些灰度图想象实际情况。现在已经有了一个模拟这个环境的方案，放射专家可在虚拟环境中使用模拟的三维小器械，这些器械可以交换式地在有意义的部位作标记，同时又不会给病人的原始数据造成任何影响。

虚拟现实技术成功应用于医学领域

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