計(jì)算機(jī)圖形學(xué)之虛擬現(xiàn)實(shí)在醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用

1、計(jì)算機(jī)圖形學(xué),虛擬現(xiàn)實(shí)在醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用,什么是虛擬現(xiàn)實(shí),虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)：是指一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)它利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境是一種多源信息融合的交互式的三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真使用戶(hù)沉浸到該環(huán)境中的一種技術(shù)。,基本簡(jiǎn)介：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是仿真技術(shù)的一個(gè)重要方向是仿真技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)人機(jī)接口技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)的集合是一門(mén)富有挑戰(zhàn)性的交叉技術(shù)前沿學(xué)科和研究領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(V

2、R)主要包括模擬環(huán)境、感知、自然技能和傳感設(shè)備等方面。模擬環(huán)境是由計(jì)算機(jī)生成的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的三維立體逼真圖像。感知是指理想的VR應(yīng)該具有一切人所具有的感知。除計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)所生成的視覺(jué)感知外，還有聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、力覺(jué)、運(yùn)動(dòng)等感知，甚至還包括嗅覺(jué)和味覺(jué)等，也稱(chēng)為多感知。自然技能是指人的頭部轉(zhuǎn)動(dòng)，眼睛、手勢(shì)、或其他人體行為動(dòng)作，由計(jì)算機(jī)來(lái)處理與參與者的動(dòng)作相適應(yīng)的數(shù)據(jù)，并對(duì)用戶(hù)的輸入作出實(shí)時(shí)響應(yīng)，并分別反饋到用戶(hù)的五官。傳感設(shè)備是指三維交互設(shè)備。,

3、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用：隨著近些年來(lái)VR技術(shù)的愈發(fā)成熟，目前在很多方面上都有廣泛的應(yīng)用。比如娛樂(lè)方面的3D電影行業(yè)和網(wǎng)絡(luò)游戲、工業(yè)上的工業(yè)和汽車(chē)仿真、能源上的油田礦井和水利電力、軍事航空上的模擬訓(xùn)練和衛(wèi)星發(fā)射，以及旅游和醫(yī)學(xué)等各方面的應(yīng)用。,醫(yī)療領(lǐng)域虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用：VR在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。在虛擬環(huán)境中，可以建立虛擬的人體模型，借助于跟蹤球、HMD、感覺(jué)手套，學(xué)生可以很容易了解人體內(nèi)部各器官結(jié)構(gòu)，這比現(xiàn)有的采用教科書(shū)的

4、方式要有效得多。Pieper及Satara等研究者在90年代初基于兩個(gè)SGI工作站建立了一個(gè)虛擬外科手術(shù)訓(xùn)練器，用于腿部及腹部外科手術(shù)模擬。這個(gè)虛擬的環(huán)境包括虛擬的手術(shù)臺(tái)與手術(shù)燈，虛擬的外科工具（如手術(shù)刀、注射器、手術(shù)鉗等），虛擬的人體模型與器官等。借助于HMD及感覺(jué)手套，使用者可以對(duì)虛擬的人體模型進(jìn)行手術(shù)。但該系統(tǒng)有待進(jìn)一步改進(jìn)，如需提高環(huán)境的真實(shí)感，增加網(wǎng)絡(luò)功能，使其能同時(shí)培訓(xùn)多個(gè)使用者，或可在外地專(zhuān)家的指導(dǎo)下工作等。手術(shù)后果預(yù)測(cè)及

5、改善殘疾人生活狀況，乃至新型藥物的研制等方面，VR技術(shù)都有十分重要的意義。在醫(yī)學(xué)院校，學(xué)生可在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，進(jìn)行“尸體”解剖和各種手術(shù)練習(xí)。用這項(xiàng)技術(shù)，由于不受標(biāo)本、場(chǎng)地等的限制，所以培訓(xùn)費(fèi)用大大降低。一些用于醫(yī)學(xué)培訓(xùn)、實(shí)習(xí)和研究的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，仿真程度非常高，其優(yōu)越性和效果是不可估量和不可比擬的。例如，導(dǎo)管插入動(dòng)脈的模擬器，可以使學(xué)生反復(fù)實(shí)踐導(dǎo)管插入動(dòng)脈時(shí)的操作；眼睛手術(shù)模擬器，根據(jù)人眼的前眼結(jié)構(gòu)創(chuàng)造出三維立體圖像，并

6、帶有實(shí)時(shí)的觸覺(jué)反饋，學(xué)生利用它可以觀察模擬移去晶狀體的全過(guò)程，并觀察到眼睛前部結(jié)構(gòu)的血管、虹膜和鞏膜組織。,及角膜的透明度等。還有麻醉虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、口腔手術(shù)模擬器等。外科醫(yī)生在真正動(dòng)手術(shù)之前，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的幫助，能在顯示器上重復(fù)地模擬手術(shù)，移動(dòng)人體內(nèi)的器官，尋找最佳手術(shù)方案并提高熟練度。在遠(yuǎn)距離遙控外科手術(shù)，復(fù)雜手術(shù)的計(jì)劃安排，手術(shù)過(guò)程的信息指導(dǎo)，手術(shù)后果預(yù)測(cè)及改善殘疾人生活狀況，乃至新藥研制等方面，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)都能發(fā)揮十分重

7、要的作用。,虛擬現(xiàn)實(shí)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用大致上有兩類(lèi)。一是虛擬人體，也就是數(shù)字化人體，這樣的人體模型醫(yī)生更容易了解人體的構(gòu)造和功能。另一是虛擬手術(shù)系統(tǒng)，可用于指導(dǎo)手術(shù)的進(jìn)行。虛擬人體就是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建造人體模型。在做這種項(xiàng)目的時(shí)候并不像想象中的那么簡(jiǎn)單，首先必須詳細(xì)了解人體結(jié)構(gòu)，這就需要十分深入的知識(shí)，或者全面的知識(shí)科普。其次，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建造虛擬人體的時(shí)候，必須要注意層次結(jié)構(gòu)，不能僅僅是技術(shù)或者軟件的簡(jiǎn)單操作，而應(yīng)該結(jié)合人體結(jié)構(gòu)知識(shí)

8、進(jìn)行。虛擬人體的與現(xiàn)實(shí)人體相比，其優(yōu)點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的。第一，從操作角度來(lái)說(shuō)，虛擬人體雖然只是一個(gè)模型，但是因?yàn)槠浜诵募夹g(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)，也能實(shí)現(xiàn)互動(dòng)——比如選擇性觀察、內(nèi)部解剖等。第二，普通的人體模型需要大量的人力物力進(jìn)行保存管理，而且保存的時(shí)間不長(zhǎng)，但是虛擬人體完全沒(méi)有這方面的憂(yōu)慮，這也是虛擬模型的突出優(yōu)勢(shì)。通過(guò)這兩個(gè)方面的結(jié)合，可以看出，虛擬人體可以讓醫(yī)生更方便的學(xué)習(xí)和了解人體的構(gòu)造以及功能。如果非要找出它有所欠缺之處，大概就是在實(shí)

9、體感官上了。還是會(huì)有很多人固執(zhí)地糾結(jié)“虛擬人體不能帶來(lái)百分百的真實(shí)感，這樣會(huì)使得學(xué)習(xí)過(guò)程中感覺(jué)失真，感受不深”等問(wèn)題。這種問(wèn)題的看法見(jiàn)仁見(jiàn)智，但是事實(shí)卻是：虛擬人體的使用越來(lái)越廣泛了。,另一種是虛擬手術(shù)系統(tǒng)，這也是三維互動(dòng)系統(tǒng)的內(nèi)容，也是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域教育培訓(xùn)的平臺(tái)之一。虛擬手術(shù)系統(tǒng)是通過(guò)三維互動(dòng)系統(tǒng)呈現(xiàn)手術(shù)的過(guò)程。但是因?yàn)槭侨S互動(dòng)，所以并不會(huì)只是簡(jiǎn)單的操作現(xiàn)實(shí)，而是可以進(jìn)行“互動(dòng)”——讓學(xué)習(xí)者可以進(jìn)行虛擬操作，并根據(jù)系統(tǒng)程序顯示“手術(shù)結(jié)

10、果”。這樣既能達(dá)到教學(xué)的目的，也能取得一定程度上的“實(shí)操”體驗(yàn)效果。因?yàn)樘摂M手術(shù)系統(tǒng)的制作不僅對(duì)醫(yī)學(xué)知識(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以及系統(tǒng)編程的技術(shù)水平要求非常之高，而且對(duì)于這三者的結(jié)合運(yùn)用要求更高，所以這種系統(tǒng)現(xiàn)階段并不能廣泛被開(kāi)發(fā)應(yīng)用，反而只是一般展示培訓(xùn)教學(xué)作用的醫(yī)學(xué)動(dòng)畫(huà)被應(yīng)用得更多。而國(guó)內(nèi)許多做三維互動(dòng)系統(tǒng)、三維動(dòng)畫(huà)的虛擬現(xiàn)實(shí)公司并沒(méi)有達(dá)到做這方面項(xiàng)目的技術(shù)要求。,虛擬現(xiàn)實(shí)在醫(yī)學(xué)上的六種應(yīng)用,1.解決截肢者的幻痛煩惱： 截

11、肢受害者中最常見(jiàn)的煩惱就是幻肢痛 - 患者感到被切斷的肢體仍在，且在該處發(fā)生疼痛。疼痛多在斷肢的遠(yuǎn)端出現(xiàn)，疼痛性質(zhì)有多種，如電擊樣、切割樣、撕裂樣或燒傷樣等。對(duì)幻肢痛的發(fā)生原理，目前尚無(wú)統(tǒng)一意見(jiàn)，西醫(yī)亦乏有效療法。很有可能大腦對(duì)肢體仍然存有意識(shí)，即使它已經(jīng)不存在了。盡管這樣的問(wèn)題發(fā)生存在一定的頻率，但至今沒(méi)有一種有效地方法適用于所有的截肢者。,2.舒緩燒傷受害者的痛苦： 燒傷患者同樣可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)減輕疼痛，患者可以通過(guò)一個(gè)叫做&

12、quot;SnowWorld"的虛擬現(xiàn)實(shí)游戲可以緩解燒傷治療后的痛苦（比如誘導(dǎo)“皮膚伸展”療法），這個(gè)游戲最早是由位于梅伍德（Maywood，位于美國(guó)），伊利諾伊州的羅耀拉大學(xué)醫(yī)院（Loyola University Hospital）開(kāi)始應(yīng)用。在這個(gè)虛擬冰雪世界中，病人可以飛躍冰雪覆蓋的峽谷，下面是冰冷的河流和瀑布，水面上狹窄的浮冰上有很多雪人、冰屋、機(jī)器人和企鵝，可以向他們投擲雪球。病人的注意力被吸引到冰雪世界中，不再關(guān)注

13、自己的傷痛，從而在清涼幻覺(jué)中有效減輕痛楚。經(jīng)過(guò)MRI檢查結(jié)果和病人的體驗(yàn)結(jié)果證實(shí)它是成功的。 3.治療士兵患有的創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙（PTSD）：VR能夠有效治療從戰(zhàn)場(chǎng)返回患有創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙的士兵。治療中，VR設(shè)備會(huì)將會(huì)把士兵帶回戰(zhàn)爭(zhēng)的一個(gè)場(chǎng)景，讓他們?cè)俅巍敖?jīng)歷”戰(zhàn)爭(zhēng)和死亡，使其在適當(dāng)?shù)膲毫ο轮饾u學(xué)會(huì)處理，控制自己的情緒。雖然很多人對(duì)于這種治療方式存在爭(zhēng)議，支持者說(shuō)使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與其他的治療方式相結(jié)合會(huì)達(dá)到非常很理想的治療效果。VR可以

14、幫助治療的心理障礙并不僅僅局限于創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙。 虛擬現(xiàn)實(shí)醫(yī)療中心（The Virtual Reality Medical Center）對(duì)于恐懼癥，焦慮癥和驚恐障礙都都有很不錯(cuò)的治療效果。,4.治療兒童自閉癥： 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)證實(shí)了其在治療兒童自閉癥方面的能力。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為自閉癥患者創(chuàng)造一種安全、無(wú)威脅的技能實(shí)踐教育環(huán)境以訓(xùn)練其社會(huì)技能，使患者與電腦之間存在積極而且豐富的互動(dòng)。之所以可以達(dá)到這種治療效果是因?yàn)閮和陔娔X互動(dòng)之間

15、存在樂(lè)趣，大大降低了其對(duì)陌生環(huán)境和陌生人物的恐懼感。海寧卡塞爾（Justine Cassell），西北大學(xué)（Northwestern University）的技術(shù)中心和社會(huì)行為的主任告訴NBC（美國(guó)全國(guó)廣播公司）News說(shuō)，這個(gè)技術(shù)擁有可預(yù)測(cè)性，可控性和“無(wú)限的耐心”，他可以像一個(gè)非常負(fù)責(zé)人的老師來(lái)有效地教導(dǎo)這些孩子。,5.為學(xué)生提供手術(shù)練習(xí)的機(jī)會(huì)： 醫(yī)學(xué)院的學(xué)生并沒(méi)有太多自己動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)，所以不會(huì)有嘗試和犯錯(cuò)的可能。虛擬現(xiàn)實(shí)使其完成

16、了一次從理論到實(shí)際操作的大跳躍，讓學(xué)生們也能夠多次經(jīng)歷手術(shù)臺(tái)，做到“熟能生巧”。最近虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用包括3D模擬一個(gè)女人的分娩過(guò)程，這能夠幫助醫(yī)生在手術(shù)之前做到更完善的籌備和提高對(duì)異常情況的處理能力。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還能夠提供其他任何手術(shù)類(lèi)型的模擬器，從腦外科手術(shù)到整形手術(shù)。就像我們親自在現(xiàn)場(chǎng)所看到的，無(wú)論是從外觀還是感覺(jué)，就像真正的走進(jìn)了手術(shù)室。,6.虛擬現(xiàn)實(shí)可以幫助酗酒者：韓國(guó)很久之前的一份報(bào)告顯示， 虛擬環(huán)境可以幫助到酗酒患

17、者的治療。 調(diào)查人員為酗酒患者設(shè)置了三個(gè)虛擬環(huán)境： 第一個(gè)是放松的環(huán)境， 第二個(gè)是酗酒的危害， 第三個(gè)是展示酗酒者的形象。通過(guò)這些療法， 點(diǎn)查人員發(fā)現(xiàn)， 患者對(duì)酒精的腦部敏感度會(huì)大大降低。 但是這項(xiàng)研究?jī)H僅是調(diào)查了12位患者， 所以我們需要進(jìn)行更多的調(diào)查研究。,除了上面所說(shuō)應(yīng)用之外，在臨床診斷上利用三維重構(gòu)技術(shù)開(kāi)發(fā)的純軟件——醫(yī)學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出許多虛擬內(nèi)窺鏡的軟件，可以使醫(yī)生的視線在病人體內(nèi)甚至毛細(xì)血管中自由航行，這種動(dòng)態(tài)的現(xiàn)實(shí)顯示

18、對(duì)臨床診斷具有無(wú)比珍貴的價(jià)值。在整形外科領(lǐng)域，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠模擬術(shù)后的效果，避免可能出現(xiàn)的不和諧之處。在遠(yuǎn)程醫(yī)療領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也有著巨大潛力，例如在偏遠(yuǎn)的山區(qū)通過(guò)遠(yuǎn)程醫(yī)療虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，患者不進(jìn)城也能夠接受名醫(yī)的治療。對(duì)于危急病人，還可以實(shí)施遠(yuǎn)程手術(shù)，這時(shí)醫(yī)生只要對(duì)病人模型進(jìn)行手術(shù)，他的動(dòng)作就可以通過(guò)衛(wèi)星傳送給遠(yuǎn)處的手術(shù)機(jī)器人，手術(shù)的實(shí)際圖像通過(guò)機(jī)器人上的攝像機(jī)還能夠傳回到醫(yī)生的頭盔立體顯示器，并將其和虛擬病人模型進(jìn)行疊加，為醫(yī)

19、生提供有用的信息。,,總結(jié),現(xiàn)在日新月異的計(jì)算機(jī)和電子技術(shù)為VR在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用提供了眾多的功能。然而，當(dāng)今醫(yī)學(xué)上VR的應(yīng)用仍然存在許多問(wèn)題。主要有：　　1、安全問(wèn)題：如何合理地使用傳感器，保證傳感器的生物相容性，檢測(cè)各種信息之間可能存在的沖突，以及控制誤差傳遞等。在無(wú)人工干預(yù)的情況下，它們應(yīng)當(dāng)能夠自動(dòng)追蹤和處理隨時(shí)可能發(fā)生的任何異?，F(xiàn)象?！　?、使用效益：包括系統(tǒng)的精度、使用性能、人機(jī)交互性、是否為病人和醫(yī)生所接受等。　　3、社會(huì)

20、因素：所有的這些技術(shù)并不是要用來(lái)取代醫(yī)生的作用，而只是為他們的工作提供額外的幫助和功能?！　?、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域上的應(yīng)用為臨床醫(yī)學(xué)和醫(yī)學(xué)教育提供了許多新的功能。雖然已經(jīng)出現(xiàn)了不少用于工業(yè)目的的虛擬設(shè)備，但是它們可不能用在醫(yī)學(xué)上，這是因?yàn)橐圆∪藶閷?duì)象的醫(yī)學(xué)上的虛擬設(shè)備對(duì)設(shè)備精度和安全性要求更高。實(shí)際上，到目前為止，還沒(méi)有一種可以完全作醫(yī)學(xué)應(yīng)用的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。 不過(guò)我們相信，在不久的將來(lái)，VR技術(shù)將在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域上為我們做