虚拟现实技术在医学领域的应用

荆芒,刘云,张昕

虚拟现实技术在医学领域的应用

荆芒,刘云,张昕*

（南京医科大学医学信息学与管理研究所 南京医科大学第一附属医院,江苏 南京 210029）

虚拟现实技术作为目前最热门的科技发展方向被广泛应用于多个领域。 本文简要介绍了虚拟现实技术的基本概念与特点，对虚拟现实技术在医学领域中的应用进行综述，重点阐述了虚拟手术系统、虚拟医学教育、虚拟临床应用、虚拟远程医疗、虚拟人体等技术与方法。

虚拟现实；虚拟手术训练；远程医疗

0 引言

虚拟现实（Virtual Reality简称VR）技术在最近几年迎来爆发式发展，医疗、旅游、游戏等行业成为其热门研究和重点应用的方向。虚拟现实技术诞生以来，研究人员就一直在探索和实践其在医学领域内的运用，它能够模拟现实环境，使用户在体验过程中有身临其境的感觉，可以应用于医学领域的医学教学、远程医疗、手术训练、临床医疗等各个方向。目前不断发展完善的虚拟现实技术在国内外医学行业也有了很多实际应用。

1 虚拟现实技术概述

1.1 虚拟现实技术定义

虚拟现实技术也称灵境技术或人工环境，它是一种由计算机技术辅助生成的高科技模拟系统，综合集成了计算机图形技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术[1]。虚拟现实技术创建的虚拟世界信息来自于多源信息的交互融合，它是虚拟环境和用户行为的互动仿真系统，用户通过使用虚拟现实专业设备进入虚拟世界，通过视、听、触觉感知以及与虚拟世界环境的互动等方式获得身临其境的真实感受。

1.2 虚拟现实技术的特点

由Burdea G在Electro93 国际会议上提出[2,3]。(1)沉浸性(Immersion)：是指使用者置身于虚拟场景中就像在现实世界一样，沉浸性特点强调使用者感受的真实性。(2)交互性(Interaction)：指使用者进入虚拟环境后，通过多种传感器与多维化信息的环境发生交互作用，使用者进行必要的操作，虚拟

环境做出相应的反馈，如同现实世界一样[4]。(3)构想性(Imagination)：在沉浸性和交互性的基础上，虚拟世界可以启发体验者的创造性思维，从而使体验者可以构想和创造新的场景，这些场景不仅可以是真实存在的环境，也可以是现实不存在的甚至是不可能发生的环境。

2 虚拟现实技术在医学领域的应用

医学领域对虚拟现实技术有着巨大的应用需求，同时也使虚拟现实研究面临严峻挑战。人体的复杂性和差异性导致在物理和生理等方面的数据量庞大且繁杂，加之各种器官组织具有弹塑性，对人体的切割、缝合等操作具有交互性，因此要将虚拟现实技术应用于医学领域具有一定难度。目前，虚拟现实技术已初步应用于医学培训、手术训练、远程会诊等方面，一些应用在医疗过程中起到不可替代的重要作用。

2.1 医学教育

在医学教育中，传统的标本解剖和手术培训方式花费在标本和实验环境上的费用非常高昂，学生缺乏实践操作的机会，导致临床实践具有较大风险，也使得宝贵的医学资源不能得到充分利用。利用虚拟现实技术可以很好地解决以上问题，虚拟标本解剖、虚拟实验室、虚拟医院等是目前在医学教育上应用较多的方向[5]。

目前医学教学中采用的解剖挂图和多媒体教学图片都是二维平面方式，不能直观的表现标本的立体特性，造成学生理解的困难。实体模型和标本虽具有立体结构，但形式单一，灵活性差，不能满足深层次、多方位的教学和实践需求。虚拟标本解剖是对虚拟标本进行操作，解剖者拥有真实的解剖体验，可以观察到标本解剖结构和剖面结构，得到器官或组织在标本空间的精确定位、三维测量数据和立体图像。标本模型可以随意的翻动，并可观察和实际感受皮肤肌理、骨骼、血管、肌肉结构的所有内容[6]。

采用虚拟现实技术建立的虚拟实验室，能模拟实现各种实际的甚至不可视、不可摸、不可入、危险性高的实验以及想象的实验场景[7]。在虚拟实验室内，学生拥有充分的实验自主权，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。医学院校利用虚拟现实技术不仅可以进行虚拟医学教育，还可以建立虚拟医院。虚拟医院利用病例库数据组建数据库系统，学生对虚拟医院的真实病例进行分析和练习，从真实病人数据模拟操作中得到直观地学习。

虚拟现实技术在医学教育中应用的最终目标是建立以虚拟培训为基础、实践为目的的虚拟医疗体系。

2.2 虚拟手术训练

统计数据表明，人为失误在临床手术失误中占有很大比例，手术训练对年轻外科医生的成长极为重要。利用虚拟手术系统，医生可以观察专家手术的过程，也可以进行多次练习，并且在虚拟环境中进行手术，不会发生严重的意外，减少手术训练时间和对昂贵实验对象的需求。

虚拟手术(Virtual Surgery)系统是专门用来对手术全过程进行仿真的虚拟现实应用系统，主要包括虚拟建模、医学数据的可视化、人体组织器官的应力形变仿真、传感与反馈、高速图形显示与图像处理等部分[8]。虚拟建模是指搭建虚拟手术环境以及对人体器官组织的虚拟建模。医学数据的可视化是将CT、MRI及PET等得到的二维断层数字影像经过图像处理转变为三维立体模型，并可进行多视角显示，辅助医生对病灶及周围组织器官血供等情况进行分析[9]。虚拟手术系统能够捕捉真实手术操作者的动作以及对手术器械的操作，并通过传感器将这些数据报送计算机数据分析检测系统，计算出虚拟手术器械与手术对象模型间的相互作用力，精确计算其形变。最后通过反馈装置将人体组织器官等形变精确的反馈给模拟手术操作者，使其能全方位精确掌握手术操作。同时，可以将获得的组织器官物理及生理改变进行模拟显示，使模拟手术操作者能得到更直观的反馈。

虚拟手术系统提供的手术训练平台可以重现急危重症手术病例供受训者反复进行练习，在虚拟手术训练后,系统还可对训练者手术操作和手术模型发生的变化进行准确测定，监测训练者手术技术的合理性和有效性。

2.3 临床医疗

虚拟现实技术可以应用在临床医疗的多个方向。医生利用虚拟内窥镜技术可以直接监测病人体内器官甚至毛细血管，这种动态的现实显示对临床诊断具有非常宝贵的价值；精神科疾病大多反映在大脑病态思维和情感等问题，很难在真实场景中再现，利用虚拟现实技术患者进入医生设定的虚拟场景，并获得沉浸感，从而可以进行个性化治疗；虚拟现实技术还可以用于治疗患有特殊疾病的病人，比如创伤后应激障碍（PTSD）、重度烧伤及恐惧症、管理假肢痛、脑损伤评估和康复、针对青年孤独症患者的社会认知训练、对焦虑症和抑郁症的治疗、中风康复、对儿童多动症（ADHD）、诊断学和成像可视化的管理等。

2.4 远程医疗

在远程医疗中采用虚拟现实技术，外地病人的各种生理参数可以反映在本地虚拟病人身上，专家们能及时做出结论，并给出相应的治疗措施，这样边远地区的病人也可以得到经验丰富的医生的诊治，特别是当地医生无法解决的疑难杂症。

远程手术是远程医疗的重要部分，它是指医生运用远程医疗手段，异地、实时地对远端病人进行手术，包括远程手术会诊、手术观察、手术指导、手术实施等[10]。利用虚拟现实技术在手术时，手术医生通过操作虚拟病人来控制给实际病人做手术的机器人。目前，美国佐治亚医学院和佐治亚技术研究所的专家已经合作研制出能进行远程眼科手术的机器人。这些机器人在有丰富经验的眼科医生的控制下，安全地完成眼科手术，而不需要医生亲自到现场去[11]。

2.5 虚拟人体

研制虚拟人体的目的是为医学提供更为精致的实验条件，利用虚拟人体可以研究治疗方案或试验新型药物。随着虚拟现实技术的进步，虚拟人体的研究从只能对心肺复苏按压进行反应发展到可以预先编程对复杂病情来进行反应的新阶段。将虚拟人病情数据、生理物理数据以及其他数据整合成一个模拟研究环境，在虚拟人体上进行一系列诊断与治疗研究，然后在这种环境中观察虚拟人体对外界刺激的反应。医生和制药公司也可以在与病人身体数据一模一样的虚拟人身上试验药物，获取虚拟病人服药后的生理反应，这种方法不但可以提高用药准确性还能加快新药研制及上市的效率。

3 结束语

虚拟现实技术在医疗领域的多个方向拥有广阔的应用前景，但受限于现有的技术水平，存在体验感受不完美，细节数据丢失严重等问题，仍然存在急需解决的理论和技术问题，这些都是目前虚拟现实技术研究发展的热门方向。随着对虚拟现实技术更深入的研究，其在医学领域会有更广泛、更丰富的应用，在不远的将来为传统医学领域带来重大变革。

[1] 吕婷. 虚拟现实技术及其在生物医学领域的应用[C] ,中华医学会第十六次全国医学信息学术会议,2010：217-221.

[2] HoldenM. Virtual environments for motor rehabilitation： Review. CyberpsycholBehav, 2005, 8：187-211.

[3] 郑彦平,贺钧.虚拟现实技术的应用现状及发展［J］.信息技术,2005,12：94-98.

[4] Forley JD. Interfaces for advanced computing ［J］. ScientificAmerican, 1987, 257(4)： 127-135.

[5] Ahmed K,Keeling AN．Role of Virtual Reality Simulation inTeaching and Assessing Technical Skillsin EndovascularIntervention[J]．Jof Vascu and IntervenRadiol，2010,21(1)：55-56.

[6] George AP，DeR．Review oftemporal bone dissection teaching：how it was，is and will be[J]．JLaryngolOtol，2010，124(2)：119-25.

[7] SchmidtR A．A schema theoryof discrete motor skilllearning [J]．Psychol Rev．1975(82)：225-260.

[8] 胡志秋．虚拟手术中四面体切割及优化问题研究［D］．青岛：青岛大学，2005．

[9] 纽艳华，汪元美，段会龙. 基于增强现实的外科手术导航技术[A],中国医疗器械杂志，2014（28）.

[10] 赵爱琴，张秀梅，王艳，童仲华. 基于医学物联网技术的远程手术应用研究[A]，中国卫生产业，2014（15）：195-198.

[11] 虚拟现实在传统医疗中的应用和进展，http：//www.vrzy.com/vr/31862.html.

Application of Virtual Reality Technique in Biomedical Field

JING Mang, LIU Yun, ZHANG Xin
(Institute of Medical Informatics and Management, Nanjing Medical University, The First Affiliated Hospital of Nanjing Medical University, Nanjing 210029, China)

Virtual reality technology as the most popular science and technology development direction is widely used in many fields.This paper briefly introduces the basic concepts and characteristics of virtual reality technology, the application of virtual reality technology in the field of medicine were reviewed, focusing on the virtual surgery system, virtual medical education, clinical application, remote medical treatment, virtual human technology and method.

Virtual reality technology; Virtual surgery; Remote medical treatment