虚拟现实技术在医学领域的研究进展

中国医科大学　李可心中国医科大学计算机教研室　刘尚辉

虚拟现实技术在医学领域的研究进展

中国医科大学李可心
中国医科大学计算机教研室刘尚辉

虚拟现实技术（virtual reality）作为近年来新兴的技术被广泛应用于医学、军事、建筑、教育等多个领域。虚拟现实技术利用计算机和网络技术、三维重建技术、立体显示技术、传感器技术等在医学教育、诊疗方面有广阔的应用前景。本文主要探讨虚拟现实技术在医学及教育领域的应用研究。

虚拟现实；医学教育；临床治疗

近年来，计算机技术的高速发展使得计算机技术在医学领域得以应用，一定程度上提升了教育和医疗服务水平。而虚拟现实技术（virtual reality）作为近年来新兴科技也在医学教育领域中产生了深远的影响，在教育技术、疾病治疗、医学影像等方面都有广泛应用。从应用角度看，它是一个综合计算机、网络、仿真技术和物理学、数学等多种科学并在计算机领域的拓展和开发的高新技术［1］。VR技术可以让使用者置身于计算机模拟出的三维虚拟空间中，通过模拟使用者的听觉、触觉、视觉等多种感官，使其身临其境［2］。

1　虚拟现实在医学教学中的应用

1.1虚拟手术

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几部分［3］。在现有的医学生培养过程中，由于医疗环境的变化、标本短缺、成本昂贵等问题的出现，虚拟手术系统为外科学的发展提供了广阔的空间，大大提高了外科医学生的培养质量和效率。在实际手术中，医生主要依靠视觉与触觉反馈信息进行手术操作，因此虚拟手术系统大都是针对视觉与触觉两大方面的仿真研究，通过视觉反馈直观地呈现出逼真的虚拟手术场景及操作对象，利用触觉反馈感受虚拟环境中力的作用并对操作作出及时、正确的判断［4］。

1.2医学虚拟实验室

虚拟实验室就是以计算机网络为核心，将虚拟仪器通过网络连接起来，以实现数据采集、分析和远程操作的一个系统［5］。医学虚拟实验模型的跨技术实现研究基于对适用技术思想、戴尔经验之塔理论进行的梳理和分析，提出了医学虚拟实验模型开发的跨技术概念［6］。虚拟实验室的硬件是解决信号的输入和输出，软件能很方便的改变、增减、改善系统的功能与规模，虚拟实验室的软件一般多用基于图形方式的LAB V IEW语言编写［3］。在虚拟实验室中，医学生可以自主设计实验，充分提高了学生的创新和动手能力。特别是一些现实中危险系数较高的实验，通过虚拟实验室的方式也可以让学生们有更多的体会。虚拟实验室的实验可重复性也将提高学生的科研能力，即使找到实验的不足加以弥补，高校、便捷、节约资源。由此衍生出的虚拟实验模型对医学生的实践操作能力提升也有很大的辅助作用。

2　虚拟现实在疾病治疗中的应用

2.1虚拟现实在脑卒中治疗中的作用

Kim N［7］等人对于脑卒中患者的治疗研究中发现，基于社区的虚拟现实跑步机训练可有效改善中风患者的平衡能力。Laver KE［8］等人也表明，虚拟现实技术和交互式视频游戏作为常规治疗可以改善上肢和日常生活活动功能，有足够的证据来证明虚拟现实和交互式视频游戏能够改善握力、步态速度或整体运动功能。国内的研究也发现，脑卒中患者在虚拟仿真的环境中进行运动康复治疗，有效改善步行稳定性和对称性，避免了传统康复治疗过程中的枯燥乏味、单一重复的训练模式，有效克服传统康复治疗的局限性和单一性，提高患者治疗的积极性、主动性和参与性，促使其更快更好的回归社会和家庭［9］。

2.2虚拟现实在心理疾病治疗中的应用

Freedman SA等［10］发现，在暴露于创伤应激后约有20%的人会出现创伤后应激障碍（PTSD），针对这种心理问题，基于互联网的早期干预对于疾病的预后有积极的影响。虚拟现实疗法也较多关注恐惧症的治疗，例如蜘蛛恐惧症、恐高症等［11］。在焦虑的治疗方面实验研究表明，虚拟现实暴露疗法在治疗焦虑障碍时是有效的，试经治疗之后，对情境的控制感和自我效能感提升，消极自我评价降低，对创伤事件的容忍力提高，重新获得对情境的控制感［12］。Meyerbröker K，Emmelkamp PM［13］的研究也证实虚拟现实暴露疗法（VRET）已成为治疗焦虑障碍的一个不错选择。过去的几年中，临床和相关研究领域已经有研究者开始使用虚拟现实手段制定特定的虚拟情景并将患者暴露其中从而引发其焦虑，达到治疗焦虑障碍的目的［11］。在其他心理疾病的治疗中，例如注意缺陷障碍、进食障碍和精神分裂症等，虚拟现实以其客观性和可靠性避免了传统诊断的主观性和矛盾性［14］。

3　虚拟现实在医学影像学中的应用

3.1医学虚拟内窥镜技术

医学虚拟内窥镜技术（Virtual Endoscopy VE）是现代医学影像技术与计算机图形学、数字图像处理技术、科学可视化技术、虚拟现实技术等现代化技术相结合的产物，这项新的技术通过CT、MRI等医学扫描设备获取人体的二维切片数据，通过计算机将采集到的数据生成人体各个器官的三维模型，之后对生成的三维模型进行可视化显示［15］。从某种程度来讲，虚拟内窥镜技术在一定程度上更加精确地诊断患者病情减少了手术的风险，它具有非侵入性、重复使用、动态病理分析、无检查死角等独特优点［16］。虚拟内窥镜凭借其良好的检查效果，更加人性化的治疗将逐渐成为未来医学影像的发展方向，具有广泛的应用前景。

3.2基于虚拟现实的器官三维重建

运用虚拟现实建模语言（Virtual Reality Modeling Language，VRML）技术进行医学人体数据的三维重建是目前国内不同于传统三维重建技术的一种新方法，运用VRML建模不论从重建效果还是从实时交互性方面都有其独到之处［17］。王明炎［18］等提出了虚拟现实环境下的女性盆腔三维重建和可视化理念，由于女性盆腔解剖结构较为复杂且容纳了较多由软组织构成脏器，目前现有的建模数据不够充分。研究采用正常女性盆腔CT扫描数据在Dextro scope平台对骨盆和盆腔内的主要脏器进行三维重建，并在虚拟现实环境下进行虚拟手术的操作，使模拟手术更为简便和真实。

4　总结与展望

随着计算机、网络等技术的不断发展，虚拟现实技术在医学领域中的应用范围及作用也得到了提升，但是离我们对于虚拟现实技术的期待还有一定的距离。由于虚拟现实技术是多学科的交叉应用，虚拟现实技术在医学领域还有待发展，某些现有的应用还存不足［19］。相信随着科技的进步和发展，以及医学信息化建设的普及，虚拟现实技术将在医学教育领域得到更广泛、更深入的应用，这也必将在医疗卫生领域产生更大的变革［3］。相信在不久的将来，虚拟现实技术将广泛应用于医学教学科研和工作中，为提升医疗服务质量做出一定的贡献。

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刘尚辉。

项目来源：黑河学院教育科学研究专项课题“《环境监测》4A网络课程建设与应用实践研究”。

本文为辽宁省教育科学“十二五”规划2014年度课题“医学虚拟现实（VR）实验室系统设计与建设”（项目编号：JG14DB451）以及中国医科大学“十二五”第四批医学教育科学研究立项课题（项目编号：YDJK2014013）的阶段研究成果。