虚拟现实技术在医学领域的应用研究

赵娟娟 李志锋

[摘要]对虚拟现实技术的概念、特征和虚拟现实系统的组成进行阐述,并介绍虚拟现实技术在医学领域的应用,最后举例说明虚拟现实技术对军事医学教学训练的影响。

[关键词]虚拟现实医学应用

中图分类号:TP3文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)1210060-01

一、引言

虚拟现实技术是推进医学信息化的重要手段。当前,国内外已经有许多研究机构和商业公司对虚拟现实技术应用于医学方面展开了广泛的研究和实践,并取得了相当的成果。如何将虚拟现实技术深入引进到医学领域,已成为医学领域共同关注的课题。据统计,世界市场上出现的805个虚拟现实应用系统中,就有49个用于医学。

二、虚拟现实技术概述

(一)虚拟现实技术的概念。虚拟现实(Virtual Reality),简称VR,是在计算机基础上发展起来的一种新技术。确切地说,虚拟现实技术是人们通过三维图形生成技术、多传感交互技术以及高分辨显示等技术,生成逼真的虚拟环境,得到一个经过计算机处理、控制的人们看到、听到甚至触摸到,可进行实时交互,感知和操作虚拟世界中的各种对象,从而获得身临其境的感受和体会。

(二)虚拟现实技术的主要特征。VR的主要特征是:多感知性(multi

-sensory)、沉浸感(immersion)、交互(interactivity)、构想性(imagination)。这些特征使操作者能够进入一个由计算机生成的交互式三维虚拟环境中,与之产生互动,进行交流。通过参与者与仿真环境的相互作用,并借助人本身对所接触事物的感知和认知能力,启发参与者的思维,全方位获取环境所蕴含的各种空间信息和逻辑信息。

三、虚拟现实技术在医学领域的应用

(一)虚拟人体。在虚拟现实技术下,人体的各个部位、功能、行为最终都能够实现模拟。包括人体骨骼模拟、人体动力学的模拟、大脑的结构和功能的模拟、人脸的模拟、器官的模拟、神经的模拟、心脏除颤的有限元模拟等,这些都可以通过虚拟现实技术来完成。

(二)模拟放射诊断和治疗。放射诊断专家可在虚拟环境中使用模拟的三维小器械,为有意义的部位作标记,同时又不会给患者原始数据造成任何影响,以便能更仔细的进行研究,这样更有利于正确的诊断某些疾病。

(三)虚拟外科手术。外科手术仿真器使得外科医生在做一次比较复杂的外科手术之前可以先进行练习,然后将练习的成果应用于实际手术之中。他们可以对各种各样的病历进行演练甚至可以使用根据某个病人的特点而形成的真实计算机三维人体模型,为医生给病人进行成功的手术创造了可能。

(四)医学教学。近年来,多媒体教学异军突起,它把文字、图象、声音、动画和视频等信息集于一体,以新颖的教学手段,活泼生动的表现形式,成为了现代教学方法的主流。随着现代科技的快速发展,虚拟现实技术将成为下一代医学院教学中的主要辅助力量。

(五)医疗可视化。医疗可视化技术是帮助我们理解采集医学试验数据的一个有效手段。虚拟人技术逐渐成为虚拟现实技术的一个重要分支,已经越来越受到人们的重视。对这一前沿性问题的研究已形成新的研究热点。例如:人体是一个复杂的系统。从外观到内部各部分之间,从宏观人体组织到微观的基因,从人的大脑到人的神经系统以及人的思维发展,人类研究一直在不停地探索着。在医学教学中对人体系统、器官以及组织的形成的认识是一个动态的发展过程。利用虚拟现实技术很容易将他们可视,并且生动地展现在我们面前。

(六)心理治疗。虚拟现实技术在心理学领域中的研究通常包括视觉感知心理与生理、听觉感知心理与生理、记忆与认知心理等内容。感觉、知觉、记忆、思维、想象等认识事物的过程中的心理现象一直是心理学研究的重要课题。利用虚拟现实技术制造的视觉、听觉系统可以很好地进行心理学研究。同时虚拟现实技术的发展需要心理学的参与并且可以对其建立一些客观的评判标准。

(七)虚拟实验室。虚拟实验室是在计算机上加上一组软件和相应的硬件,让使用者在操作这台计算机时就像操作一台实验仪器一样。许多医学教育中的实验和临床相关实验都可以在虚拟实验室中进行。虚拟实验室的硬件仅是解决信号的输入和输出,软件才是关键,软件能很方便的改变、增减、改善系统的功能与规模。美国加利福尼亚大学科尔曼实验室开发了EXP软件,就是一个基于VR技术,用于神经生理学虚拟实验的多功能软件。

四、虚拟现实技术对军事医学教学训练的影响

在军事医学教学中,VR技术的更大优势是它和军事仿真模拟结合起来,既能创造出逼真的战场环境、战斗场景以及随着战斗推进过程中虚拟的“指战员”伤亡状态,又可以模拟出野战条件下的战伤救治、运送等。特别是核武器、生物、化学战伤的救治、运送,不仅危险性大,而且救治复杂且难度较大,平时的学习和培训又不易实现。虚拟现实技术使军事医学教学更贴近实战,突出了对学生实战心理的训练,能充分表现出未来战争中的高技术、复杂性等特点,扩大军事医学院校学生的军事医疗体验和战场战伤救治的经验。在这些环境中学员们在操纵虚拟的工具、手术器械时,不仅会感受到压力,而且具有极强的参与性。

保持一支训练有素、装备良好的军队是美军训练的目标。因此,美军特别重视训练,按实战进行训练是美军军事训练的一项基本原则。虚拟现实技术的发展为美军的军事医学训练开辟了崭新的途径。美军若干医学技术领域的专家研究了新兴技术在未来20～30年内对医疗工作的影响,认为有34种技术将影响未来医疗工作,最后确定的13种按得票多少的顺序进行排列,虚拟现实、人工智能等几种技术高居榜首。事实上,早在几年前,随着美军组成21世纪数字化部队计划的实施,以及美国在热点地区部署维和部队所需的遥控医学技术中,虚拟现实技术的实际应用就已经开始崭露头角。在虚拟现实等支撑技术的支持下,美军已开发出高级创伤救治技术模拟训练系统、胸部创伤救治模拟训练系统、天花接种模拟训练系统、VR2Demo精神运动技术训练系统和环甲软骨切开术模拟训练系统。美陆军利用国防部的高级军事演习模拟与可视人体研究室合作,研究人体结构和功能模拟。

五、结束语

虚拟现实技术在医学方面的应用展现出了良好的前景,表现了其良好的应用效果。随着虚拟现实技术的不断发展完善以及医学教育环境的不断变化,硬件设备性价比的不断提高,虚拟技术必将更多的应用于医学领域,虚拟现实技术在医学领域中的作用显得越来越重要,显示出了巨大的优势。因此,我们有理由相信:与网络技术、多媒体技术并驾齐驱的虚拟现实技术,必将具有更加广阔的应用和发展前景。

参考文献:

[1](美)William R.Sherman,(美)Alan B,虚拟现实系统——接口应用与设计,电子工业出版社,2004.11.

[2]张大新,虚拟现实技术(VR)在医学教育和实验中的广泛应用及意义,科技创新导报,2008.30.

[3]柳菁,虚拟现实技术应用于心理治疗领域的最新进展,心理科学,2008,31(3):762-764.