醫(yī)學虛擬現實與臨床醫(yī)療

1、一、一、概述概述二、二、生物醫(yī)學工程研究的主要內容生物醫(yī)學工程研究的主要內容三、三、醫(yī)院中的生物醫(yī)學工程醫(yī)院中的生物醫(yī)學工程臨床工程臨床工程四、四、醫(yī)學虛擬現實醫(yī)學虛擬現實2一、概述一、概述定義定義內涵內涵特點特點3什么叫生物醫(yī)學工程什么叫生物醫(yī)學工程生物醫(yī)學工程（生物醫(yī)學工程（Biomedical Engineering, BME）是運用自然科學和工程技術的原理和）是運用自然科學和工程技術的原理和方法，研究人的生理、病理過程，揭示人體的方法，研究人的生理、病理過程，揭示人體的生命現象，并從工程角度解決防病治病問題的生命現象，并從工程角度解決防病治病問題的一門綜合性學科。一門綜合性學科。一、概

2、述一、概述4美國國立衛(wèi)生研究院有關名詞命名專家組的定義：美國國立衛(wèi)生研究院有關名詞命名專家組的定義： 生物醫(yī)學工程學是結合物理學、化學、數學和計算機科學與生物醫(yī)學工程學是結合物理學、化學、數學和計算機科學與工程學原理，從事生物學、醫(yī)學、行為學或衛(wèi)生學的研究：工程學原理，從事生物學、醫(yī)學、行為學或衛(wèi)生學的研究： 提出基本概念，產生從分子水平到器官水平的知識；提出基本概念，產生從分子水平到器官水平的知識； 開發(fā)創(chuàng)新的生物學制品、材料、加工方法、植入物、器械開發(fā)創(chuàng)新的生物學制品、材料、加工方法、植入物、器械和信息學方法；和信息學方法； 用于疾病預防、診斷和治療，病人康復，改善衛(wèi)生狀況等用于疾病預防、

3、診斷和治療，病人康復，改善衛(wèi)生狀況等目的。目的。一、概述一、概述5早期的生物醫(yī)學工程也稱為早期的生物醫(yī)學工程也稱為醫(yī)學工程學醫(yī)學工程學(Medical (Medical Engineering)Engineering)：綜合運用數理科學原理和現代工程技術：綜合運用數理科學原理和現代工程技術研究和解決研究和解決基礎醫(yī)學基礎醫(yī)學和和臨床醫(yī)學臨床醫(yī)學中問題的分支學科。中問題的分支學科。 臨床工程學臨床工程學（或臨床醫(yī)學工程學）（或臨床醫(yī)學工程學）(Clinical (Clinical Engineering)Engineering)：綜合運用數理科學原理和現代工程技術：綜合運用數理科學原理和現代工程

4、技術的理論和方法研究、解決的理論和方法研究、解決臨床醫(yī)學臨床醫(yī)學實際問題的分支學實際問題的分支學科?？?。一、概述一、概述6生物醫(yī)學工程是工程學與生物醫(yī)學結合的產物生物醫(yī)學工程是工程學與生物醫(yī)學結合的產物理念上是綜合與分析的結合理念上是綜合與分析的結合結果上是工程技術或產品為生物醫(yī)學服務結果上是工程技術或產品為生物醫(yī)學服務一、概述一、概述7工程學（綜合）生物醫(yī)學工程學科的內涵生物醫(yī)學工程學科的內涵工程學（綜合）信息反饋市場產品生物醫(yī)學（分析）醫(yī)學檢驗裝置開發(fā)理論想法8生物醫(yī)學工程學科的特點生物醫(yī)學工程學科的特點工程學工程學電子學電子學計算機科學計算機科學力學力學材料科學材料科學機械制造學機械制造

5、學 - -生物醫(yī)學生物醫(yī)學生物學生物學神經科學神經科學內科學內科學外科學外科學矯形科學矯形科學 - -綜合綜合分析分析9二、生物醫(yī)學工程二、生物醫(yī)學工程 主要研究內容主要研究內容10醫(yī)學道德與倫理醫(yī)學道德與倫理解剖與生理解剖與生理生物力學生物力學康復工程與輔助技術康復工程與輔助技術生物材料學生物材料學 組織工程學組織工程學 生物醫(yī)學儀器生物醫(yī)學儀器生物醫(yī)學傳感器生物醫(yī)學傳感器生物信號處理生物信號處理生物電現象生物電現象 生物醫(yī)學工程主要研究內容生物醫(yī)學工程主要研究內容生物系統建模與仿真生物系統建模與仿真基因組學和生物信息學基因組學和生物信息學計算生物學與復雜性理論計算生物學與復雜性理論放射成像

6、放射成像醫(yī)學成像醫(yī)學成像光學和激光在生物醫(yī)學中光學和激光在生物醫(yī)學中的應用的應用數字化醫(yī)療設備和技術數字化醫(yī)療設備和技術微型診療系統微型診療系統 11生物材料的應用生物材料的應用例例12模型及仿真的實例模型及仿真的實例心臟模型的計算機仿真心臟模型的計算機仿真膝關節(jié)模型的計算機仿真膝關節(jié)模型的計算機仿真例例13電學模型電學模型計算機模型計算機模型教學模型教學模型力學模型力學模型心臟心臟例例14微型診療系統微型診療系統消化道檢測膠囊消化道檢測膠囊 電路板傳感器陣列旋轉內部小丸而露出傳感器7mm7mm電池儲藥倉旋轉內部小丸而釋放藥物診斷治療美國SmartPill Diagnositics, Inc.

7、研制的SmartpillTM 智能藥丸，用于監(jiān)測胃腸道壓力和腸道運轉時間。美國美國Medtronic公司的公司的BravoTM 藥丸可吸附在食藥丸可吸附在食道上實時監(jiān)測道上實時監(jiān)測PH值，已進值，已進入臨床。入臨床。例例15消化道微型手術機器人消化道微型手術機器人 微型針攝像頭溫度/PH/化學傳感器微型泵連接機構生物材料射頻模塊微型電池信號處理芯片系統運動機構無線能量耦合單元微吮吸單元硬度傳感器韓國膠囊式內窺鏡機器人（韓國膠囊式內窺鏡機器人（Endoscopic microcapsule），），在多關節(jié)式藥丸系統中，集成了微型攝像頭、微型泵、在多關節(jié)式藥丸系統中，集成了微型攝像頭、微型泵、組織

8、活檢鉗、組織活檢鉗、PH值傳感器等微型設備，系統具有主值傳感器等微型設備，系統具有主動運動與姿態(tài)控制功能，可以完成局部藥物釋放、圖動運動與姿態(tài)控制功能，可以完成局部藥物釋放、圖像采集、像采集、PH值測定、組織活檢、治療等多種功能。值測定、組織活檢、治療等多種功能。例例16三、醫(yī)院中的生物醫(yī)學工程三、醫(yī)院中的生物醫(yī)學工程 臨床工程臨床工程17臨床工程的定義與內涵臨床工程的定義與內涵醫(yī)療儀器設備工程醫(yī)療儀器設備工程醫(yī)院信息工程醫(yī)院信息工程醫(yī)療影像信息工程醫(yī)療影像信息工程遠程醫(yī)療工程遠程醫(yī)療工程臨床診斷醫(yī)療工程臨床診斷醫(yī)療工程臨床工程的學科建設臨床工程的學科建設臨床工程臨床工程18臨床工程學臨床工程

9、學臨床工程學臨床工程學 (Clinical Engineering)(Clinical Engineering)： 綜合運用數理科學原理和現代工程技術的綜合運用數理科學原理和現代工程技術的理論和方法研究、解決臨床醫(yī)學實際問題的理論和方法研究、解決臨床醫(yī)學實際問題的分支學科。分支學科。19國家教委已在國家教委已在2004年明確我國生物醫(yī)學工程專業(yè)教育年明確我國生物醫(yī)學工程專業(yè)教育的方向和目標，從生物醫(yī)學工程與儀器、生物材料與的方向和目標，從生物醫(yī)學工程與儀器、生物材料與組織工程、生物醫(yī)學信息、臨床工程四個方向向國際組織工程、生物醫(yī)學信息、臨床工程四個方向向國際先進水平靠近。先進水平靠近。國家衛(wèi)生

10、部醫(yī)院管理研究所和中華醫(yī)學會醫(yī)學工程學國家衛(wèi)生部醫(yī)院管理研究所和中華醫(yī)學會醫(yī)學工程學會也于會也于2005年開始了年開始了“臨床工程師資格認證臨床工程師資格認證”工作。工作。 盡管還沒有相應的法律、法規(guī)支持和納入規(guī)范化，但盡管還沒有相應的法律、法規(guī)支持和納入規(guī)范化，但 這一大步的前進仍具有可喜可賀的里程碑意義。這一大步的前進仍具有可喜可賀的里程碑意義。BME專業(yè)教育和人才培養(yǎng)專業(yè)教育和人才培養(yǎng)20臨床診斷醫(yī)療工程臨床診斷醫(yī)療工程21（一）、定義（一）、定義利用數字影像、計算機及空間定位技術制定合利用數字影像、計算機及空間定位技術制定合理的手術方案并進行手術模擬。理的手術方案并進行手術模擬。CAS

11、CAS基于計算機，對大量數據信息高速處理及控制更基于計算機，對大量數據信息高速處理及控制更安全、更準確。安全、更準確。它可以對圖像進行三維重建和融合，術前充分評估患它可以對圖像進行三維重建和融合，術前充分評估患者的情況，規(guī)劃手術路徑、方案，模擬手術。術中追者的情況，規(guī)劃手術路徑、方案，模擬手術。術中追蹤手術器械，引導手術。確定手術范圍，從而使外科蹤手術器械，引導手術。確定手術范圍，從而使外科手術更加精確、安全和微創(chuàng)化。手術更加精確、安全和微創(chuàng)化。 計算機輔助外科手術計算機輔助外科手術(computer aided surgery(computer aided surgery，CAS)CAS)2

12、2醫(yī)學圖像醫(yī)學圖像CTMRIPETDSADRI外科醫(yī)生外科醫(yī)生結合圖像結合圖像立體定位系統立體定位系統光學定位光學定位機械機械定位定位超聲定位超聲定位電磁定位電磁定位患者患者手術手術器械器械配合配合配準配準跟蹤跟蹤三維三維顯示顯示（二）、組成（二）、組成231 1、光學定位法、光學定位法2 2、機械手定位法、機械手定位法3 3、超聲波定位法、超聲波定位法4 4、電磁定位法、電磁定位法5 5、混合定位系統、混合定位系統（三）、立體定位系統（三）、立體定位系統24（四）、配準（四）、配準用計算機圖像處理技術將各種影像模式投影在一個用計算機圖像處理技術將各種影像模式投影在一個坐標系下，融合成新的醫(yī)學

13、模式。按操作分為坐標系下，融合成新的醫(yī)學模式。按操作分為:基于外部特征基于外部特征基于內部特征基于內部特征25（五）、應用（五）、應用 神經外科術神經外科術 血管畸形手術血管畸形手術 脊椎手術脊椎手術 內鏡手術內鏡手術 關節(jié)置換手術關節(jié)置換手術 耳鼻喉科手術耳鼻喉科手術 骨科手術骨科手術 教學教學 26四、醫(yī)學虛擬現實四、醫(yī)學虛擬現實計算機和電子技術創(chuàng)造的新世界計算機和電子技術創(chuàng)造的新世界看似真實的模擬世界看似真實的模擬世界27虛擬現實（虛擬現實（Virtual Reality，VR）：一種基）：一種基于可計算信息的沉浸式交互環(huán)境。于可計算信息的沉浸式交互環(huán)境。 采用以計算機技術為核心的現代高

14、科技生成逼采用以計算機技術為核心的現代高科技生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環(huán)真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境，用戶借助必要的設備以自然的方式與虛擬境，用戶借助必要的設備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對象進行交互、相互影響，從而產生環(huán)境中的對象進行交互、相互影響，從而產生等同親臨真實環(huán)境的感受和體驗。等同親臨真實環(huán)境的感受和體驗。 虛擬現實虛擬現實28虛擬現實虛擬現實_范疇范疇虛擬現實是高度發(fā)展的計算機技術在虛擬現實是高度發(fā)展的計算機技術在各種領域的應用過程中的結晶和反各種領域的應用過程中的結晶和反映。映。圖形學圖形學圖像處理圖像處理模式識別模式識別網絡技術網絡技術并行處理并

15、行處理人工智能人工智能數學數學物理物理通信通信氣象氣象地理地理美學美學心理學心理學社會學社會學29虛擬現實虛擬現實_關鍵技術關鍵技術實物虛化：實物虛化：現實世界空間向多維信息化空間的一現實世界空間向多維信息化空間的一種映射，主要包括基本模型構建、空間跟蹤、聲種映射，主要包括基本模型構建、空間跟蹤、聲音定位、視覺跟蹤和視點感應等音定位、視覺跟蹤和視點感應等 。虛物實化：虛物實化：確保用戶從虛擬環(huán)境中獲取同真實環(huán)確保用戶從虛擬環(huán)境中獲取同真實環(huán)境中一樣或相似的視覺、聽覺、力覺和觸覺等感境中一樣或相似的視覺、聽覺、力覺和觸覺等感官認知。官認知。高性能計算處理技術：高性能計算處理技術：主要包括數據轉換

16、和數據主要包括數據轉換和數據預處理技術；實時、逼真圖像生成與顯示技術；預處理技術；實時、逼真圖像生成與顯示技術；多種聲音的合成與聲音空間化技術等。多種聲音的合成與聲音空間化技術等。30虛擬現實虛擬現實_特點特點沉浸感沉浸感( Immersive) :用戶將感覺不到身體用戶將感覺不到身體所處的外部環(huán)境而所處的外部環(huán)境而“融合融合”到虛擬世界中去到虛擬世界中去;交互性交互性( Interactive) :用戶可通過三維交互用戶可通過三維交互設備直接控制虛擬世界中的對象并獲得反饋設備直接控制虛擬世界中的對象并獲得反饋;虛擬環(huán)境中人的參與與反饋虛擬環(huán)境中人的參與與反饋人機交互的有效性人機交互的有效性人

17、機交互的實時性人機交互的實時性31虛擬現實虛擬現實_特點特點多感知性多感知性 (Multi-Sensory) :VR 系統具有感系統具有感知視、聽、觸、嗅、味等多種信息的能力知視、聽、觸、嗅、味等多種信息的能力;構想性（構想性（Imagination）：）：VR應具有廣闊的應具有廣闊的可想像空間，可拓寬人類認知范圍，不僅可可想像空間，可拓寬人類認知范圍，不僅可再現真實存在的環(huán)境，也可以隨意構想客觀再現真實存在的環(huán)境，也可以隨意構想客觀不存在的甚至是不可能發(fā)生的環(huán)境。不存在的甚至是不可能發(fā)生的環(huán)境。 32沉浸式虛擬現實系統（沉浸式虛擬現實系統（Immersive VR）增強式虛擬現實系統（增強式

18、虛擬現實系統（Augmented VR）桌面式虛擬現實系統（桌面式虛擬現實系統（Desktop VR）分布式虛擬現實系統（分布式虛擬現實系統（Distributed VR）33虛擬現實系統分類虛擬現實系統分類沉浸式虛擬現實系統是一種高級的、較理想的虛沉浸式虛擬現實系統是一種高級的、較理想的虛擬現實系統，它提供一個完全沉浸的體驗，使用擬現實系統，它提供一個完全沉浸的體驗，使用戶有一種仿佛置身于真實世界之中的感覺。戶有一種仿佛置身于真實世界之中的感覺。沉浸式系統沉浸式系統（Immersive VR）34沉浸式虛擬現實系統沉浸式虛擬現實系統的的特點特點具有高度實時性能。具有高度實時性能。具有高度的沉

19、浸感。具有高度的沉浸感。具有良好的系統集成度與整合性能。具有良好的系統集成度與整合性能。具有良好的開放性。具有良好的開放性。能同時支持多種輸入與輸出設備并行能同時支持多種輸入與輸出設備并行工作。工作。35桌面式虛擬現實系統也稱窗口虛擬現實，是利桌面式虛擬現實系統也稱窗口虛擬現實，是利用個人計算機或初級圖形工作站等設備，以計用個人計算機或初級圖形工作站等設備，以計算機屏幕作為用戶觀察虛擬世界的一個窗口，算機屏幕作為用戶觀察虛擬世界的一個窗口，采用立體圖形、自然交互等技術，產生三維立采用立體圖形、自然交互等技術，產生三維立體空間的交互場景，通過包括鍵盤、鼠標和力體空間的交互場景，通過包括鍵盤、鼠標

20、和力矩球等各種輸入設備操縱虛擬世界，實現與虛矩球等各種輸入設備操縱虛擬世界，實現與虛擬世界的交互。擬世界的交互。桌面式系統桌面式系統(Desktop VR)36桌面式虛擬現實系統桌面式虛擬現實系統的的特點特點用戶處于不完全沉浸的環(huán)境，缺少完全沉浸、用戶處于不完全沉浸的環(huán)境，缺少完全沉浸、身臨其境的感覺，即使戴上立體眼鏡，仍然會身臨其境的感覺，即使戴上立體眼鏡，仍然會受到周圍現實世界的干擾。受到周圍現實世界的干擾。對硬件設備要求低，有時甚至只需要計算機，對硬件設備要求低，有時甚至只需要計算機，或是增加數據手套、空間跟蹤設置等?；蚴窃黾訑祿痔住⒖臻g跟蹤設置等。由于其實現成本相對較低，所以應用相對

21、普遍由于其實現成本相對較低，所以應用相對普遍，而且它也具備了沉浸性虛擬現實系統的一些，而且它也具備了沉浸性虛擬現實系統的一些技術要求。技術要求。37增強式增強式VR系統系統(Augmented VR)增強式虛擬現實系統既可以允許用戶看到真實增強式虛擬現實系統既可以允許用戶看到真實世界，同時也可以看到疊加在真實世界上的虛世界，同時也可以看到疊加在真實世界上的虛擬對象，它是把真實環(huán)境和虛擬環(huán)境組合在一擬對象，它是把真實環(huán)境和虛擬環(huán)境組合在一起的一種系統。起的一種系統。終極目標：用戶感覺不到現實世界中的真實物終極目標：用戶感覺不到現實世界中的真實物體與用于增強視覺信息的虛擬物體之間的差別體與用于增強

22、視覺信息的虛擬物體之間的差別38平視顯示器即抬頭顯示器（平視顯示器即抬頭顯示器（Head Up Display），），戰(zhàn)機飛行員的平視顯戰(zhàn)機飛行員的平視顯示器，它可以將儀表示器，它可以將儀表讀數和武器瞄準數據讀數和武器瞄準數據投射到安裝在飛行員投射到安裝在飛行員面前的穿透式屏幕上，面前的穿透式屏幕上，可以使飛行員不必低可以使飛行員不必低頭讀座艙中儀表的數頭讀座艙中儀表的數據，從而可集中精力據，從而可集中精力盯著敵人的飛機或導盯著敵人的飛機或導航偏差。航偏差。39增強式虛擬現實系統增強式虛擬現實系統的的特點特點真實世界和虛擬世界融為一體。真實世界和虛擬世界融為一體。具有實時人機交互功能。具有實時

23、人機交互功能。真實世界和虛擬世界是在三維空間中真實世界和虛擬世界是在三維空間中整合的。整合的。40分布式虛擬現實系統分布式虛擬現實系統（Distributed VR）虛擬現實系統運行在分布式系統下有虛擬現實系統運行在分布式系統下有兩方面的原因兩方面的原因：充分利用分布式計算機系統提供的強大計充分利用分布式計算機系統提供的強大計算能力；算能力；有些有些應用本身具有分布特性，如多人通過應用本身具有分布特性，如多人通過網絡進行游戲和虛擬戰(zhàn)爭模擬等。網絡進行游戲和虛擬戰(zhàn)爭模擬等。41各用戶具有共享的虛擬各用戶具有共享的虛擬工作空間。工作空間。偽實體的行為真實感。偽實體的行為真實感。 支持實時交互，共享

24、時支持實時交互，共享時鐘。鐘。多個用戶可以各自不同多個用戶可以各自不同的方式相互通信。的方式相互通信。資源信息共享以及允許資源信息共享以及允許用戶自然操縱虛擬世界用戶自然操縱虛擬世界中的對象。中的對象。 分布式虛擬現實系統的特點分布式虛擬現實系統的特點42虛擬人虛擬人_數字人數字人美國主導和醞釀的幾個具有國際影響的研究計劃：美國主導和醞釀的幾個具有國際影響的研究計劃：人類基因組計劃人類基因組計劃(Human Genome Project,HGP)可視人計劃可視人計劃(Visible Human Project, VHP)虛擬人計劃虛擬人計劃(Virtual Human Project,VHP)

25、人類腦計劃人類腦計劃(Human Brain Project, HBP)等等雖然有各自的研究目標，但在人體模型、人體信息雖然有各自的研究目標，但在人體模型、人體信息的數字化研究上有著一定的內在聯系。為此，美國的數字化研究上有著一定的內在聯系。為此，美國科學家聯盟科學家聯盟(FAS)于于2001年又將上述計劃概括為年又將上述計劃概括為數字人計劃數字人計劃(Digital Human Project, DHP)。醫(yī)學應用醫(yī)學應用43虛擬人虛擬人_數字人數字人數字人計劃數字人計劃目標：實現人體從基因到分子、細胞、目標：實現人體從基因到分子、細胞、組織、器官、系統和整體的精確模擬。組織、器官、系統和整

26、體的精確模擬。經歷經歷4個發(fā)展階段個發(fā)展階段“虛擬可視人虛擬可視人”“虛擬物理人虛擬物理人”“虛擬生理人虛擬生理人” “虛擬智能人虛擬智能人” 44虛擬人虛擬人外國虛擬人研究外國虛擬人研究1989年美國國立醫(yī)學圖書館開始醞釀為年美國國立醫(yī)學圖書館開始醞釀為“可視化人體計劃可視化人體計劃”。科羅拉多大學健康科學中心承擔數據獲科羅拉多大學健康科學中心承擔數據獲取工作，第一套男性取工作，第一套男性(斷面距離為斷面距離為1.0 mm)、女性、女性(斷面距離為斷面距離為0.33 mm) VHP數據集分別于數據集分別于1994年、年、1995年完成并向年完成并向世界公布。世界公布。45美國虛擬人美國虛擬人

27、1號號46中國虛擬人研究中國虛擬人研究2001年北京年北京174次香山科學會議次香山科學會議“中國數字化虛擬人體科技問題中國數字化虛擬人體科技問題”啟動中國數字化虛擬人體的研究。啟動中國數字化虛擬人體的研究。第一軍醫(yī)大第一軍醫(yī)大(南方醫(yī)科大學南方醫(yī)科大學)中國虛擬人中國虛擬人I號號 (男男) ，0.2mm；中國虛擬人中國虛擬人II號號(女女)，0.1 mm。47虛擬現實技術在虛擬現實技術在中醫(yī)領域的應用中醫(yī)領域的應用經絡可視化顯示的研究經絡可視化顯示的研究虛擬針灸虛擬針灸遠程脈診系統遠程脈診系統中醫(yī)四診教學系統中醫(yī)四診教學系統48經絡可視化經絡可視化顯示的研究顯示的研究例例49基于虛擬現實技術

28、的中醫(yī)針灸基于虛擬現實技術的中醫(yī)針灸虛擬現實技術在虛擬現實技術在中醫(yī)領域的應用中醫(yī)領域的應用例例50515253遠程脈診遠程脈診系統系統虛擬現實技術在虛擬現實技術在中醫(yī)領域的應用中醫(yī)領域的應用例例54虛擬現實技術虛擬現實技術在西醫(yī)領域的應用在西醫(yī)領域的應用 藥物分子設計藥物分子設計 數字化虛擬人體試驗。數字化虛擬人體試驗。解決以往必須先通過解決以往必須先通過動物實驗、小樣本臨動物實驗、小樣本臨床驗證才能用于臨床床驗證才能用于臨床實驗的時間跨度。實驗的時間跨度。55新藥研制新藥研制苯乙烯分子苯乙烯分子球棍模型球棍模型醫(yī)學教育醫(yī)學教育虛擬人體骨骼虛擬人體骨骼通過虛擬現實技術建立起通過虛擬現實技術建

29、立起人體結構模型，可以使學人體結構模型，可以使學生通過人機交互對人體模生通過人機交互對人體模型進行瀏覽，在模型內部型進行瀏覽，在模型內部“漫游漫游”，能讓學生非常，能讓學生非常直觀、輕松學習解剖結構，直觀、輕松學習解剖結構，發(fā)揮學習的主動性。發(fā)揮學習的主動性。 虛擬現實技術虛擬現實技術在西醫(yī)領域的應用在西醫(yī)領域的應用56醫(yī)學醫(yī)學解剖解剖57虛擬解剖虛擬解剖58標本的數字資料完整，提供完整的資源標本的數字資料完整，提供完整的資源直觀的為學生創(chuàng)建人體器官的空間結構直觀的為學生創(chuàng)建人體器官的空間結構可重復對標本進行解剖操作，節(jié)省大量的資源可重復對標本進行解剖操作，節(jié)省大量的資源教學時間和場所可靈活設

30、置，實現自主開放性教學時間和場所可靈活設置，實現自主開放性教學教學整合了大體、斷層、局部、系統解剖學課程，整合了大體、斷層、局部、系統解剖學課程，將獨立的課程有機的集合起來將獨立的課程有機的集合起來虛擬人體解剖的優(yōu)勢虛擬人體解剖的優(yōu)勢59培訓外科大夫培訓外科大夫以往培訓一位合格的外科醫(yī)生，要以往培訓一位合格的外科醫(yī)生，要在上級醫(yī)生帶領下，長期在病人身在上級醫(yī)生帶領下，長期在病人身上積累手術經驗。這種上積累手術經驗。這種“練手藝練手藝”的的過程，代價高、風險在、不具備重過程，代價高、風險在、不具備重復性。復性。虛擬現實技術虛擬現實技術在西醫(yī)領域的應用在西醫(yī)領域的應用60運用虛擬現實技術可以使醫(yī)務

31、工作者沉浸于虛擬的場景內，體運用虛擬現實技術可以使醫(yī)務工作者沉浸于虛擬的場景內，體驗并學習如何應付各種臨床手術的實際情況，通過視、聽、觸驗并學習如何應付各種臨床手術的實際情況，通過視、聽、觸覺感知等多種感官了解和學習各種手術實際操作，對于年輕醫(yī)覺感知等多種感官了解和學習各種手術實際操作，對于年輕醫(yī)生可以經過在計算機上進行多次的手術仿真訓練，再上真正的生可以經過在計算機上進行多次的手術仿真訓練，再上真正的手術臺，可極大的節(jié)約培訓醫(yī)手術臺，可極大的節(jié)約培訓醫(yī)務人員的費用和時間，依據專務人員的費用和時間，依據專家的經驗創(chuàng)建出的手術專家系家的經驗創(chuàng)建出的手術專家系統還可以在訓練中進行必要的統還可以在訓

32、練中進行必要的提示和指導。提示和指導。虛擬手術仿真訓練系統具有低虛擬手術仿真訓練系統具有低代價、零風險、多重復性、自代價、零風險、多重復性、自動指導的優(yōu)點。動指導的優(yōu)點。虛擬患者可隨時虛擬患者可隨時“原地滿血原地滿血”復活。復活。虛擬現實技術虛擬現實技術在西醫(yī)領域的應用在西醫(yī)領域的應用61在虛擬手術中，醫(yī)生戴著數據手套，拿在虛擬手術中，醫(yī)生戴著數據手套，拿著虛擬手術刀，數據手套上配備位置跟著虛擬手術刀，數據手套上配備位置跟蹤定位裝置，這樣虛擬現實系統便可以蹤定位裝置，這樣虛擬現實系統便可以精確的跟蹤醫(yī)生的運動和位置，模擬產精確的跟蹤醫(yī)生的運動和位置，模擬產生醫(yī)生和虛擬病人之間的手術操作交互。生

33、醫(yī)生和虛擬病人之間的手術操作交互。一些類似手術儀器、而且可以提供力反一些類似手術儀器、而且可以提供力反饋的設備正在研制當中，他們可以提供饋的設備正在研制當中，他們可以提供手術刀或其他器械通過虛擬肌肉時的真手術刀或其他器械通過虛擬肌肉時的真實阻力。實阻力。虛擬手術虛擬手術虛擬現實技術虛擬現實技術在西醫(yī)領域的應用在西醫(yī)領域的應用例例62德國卡爾斯魯厄大學的虛擬腹腔鏡手術德國卡爾斯魯厄大學的虛擬腹腔鏡手術63腰椎穿刺虛擬訓練系統腰椎穿刺虛擬訓練系統64虛擬醫(yī)學手術仿真訓練是一種技術難度較大的虛擬醫(yī)學手術仿真訓練是一種技術難度較大的應用。與其它虛擬現實應用相比，它的特點是：應用。與其它虛擬現實應用相比

34、，它的特點是：1、 虛擬場景復雜，需要產生多層次、多種形虛擬場景復雜，需要產生多層次、多種形態(tài)、相聯關系復雜的三維虛擬人體組織；態(tài)、相聯關系復雜的三維虛擬人體組織；2、 人機交互性強，要求定位和反饋精確度高。人機交互性強，要求定位和反饋精確度高。虛擬手術虛擬手術虛擬現實技術虛擬現實技術在西醫(yī)領域的應用在西醫(yī)領域的應用65技術難點：技術難點： 1、仿真的逼真性較低，主要原因是不同虛擬、仿真的逼真性較低，主要原因是不同虛擬人體組織（尤其是軟組織）的精確解剖結構和人體組織（尤其是軟組織）的精確解剖結構和幾何模型細節(jié)層次的建立以及三維實時顯示算幾何模型細節(jié)層次的建立以及三維實時顯示算法仍有待進一步的改

35、進和優(yōu)化；法仍有待進一步的改進和優(yōu)化； 2、虛擬組織的各種行為模型（即真實動態(tài)物、虛擬組織的各種行為模型（即真實動態(tài)物理模型，如在受到外力時的組織實時形變等）理模型，如在受到外力時的組織實時形變等）的建立還不夠完善和真實；的建立還不夠完善和真實； 虛擬手術虛擬手術虛擬現實技術虛擬現實技術在西醫(yī)領域的應用在西醫(yī)領域的應用663、多通道感覺的缺乏，目前研究大多集中于視覺效果的、多通道感覺的缺乏，目前研究大多集中于視覺效果的虛擬，對其他感覺通道如聽覺、觸覺等力反饋的表現較虛擬，對其他感覺通道如聽覺、觸覺等力反饋的表現較為缺乏，而在醫(yī)學手術中力的反饋是非常重要的；為缺乏，而在醫(yī)學手術中力的反饋是非常重

36、要的；4、多種不同來源的三維醫(yī)學影像數據的融合和復雜模型、多種不同來源的三維醫(yī)學影像數據的融合和復雜模型的的LOD模型優(yōu)化等技術尚有待發(fā)展；由于人體數據的復模型優(yōu)化等技術尚有待發(fā)展；由于人體數據的復雜程度高、量大，采用現有數據組合生成最終虛擬手術雜程度高、量大，采用現有數據組合生成最終虛擬手術使用的人體模型數據集的建模方法還有待研究；使用的人體模型數據集的建模方法還有待研究；5、由于西方人種與黃色人種在生理結構上有一定的差異，、由于西方人種與黃色人種在生理結構上有一定的差異，國外人體模型和研究產品并不能完全適應我國的需要。國外人體模型和研究產品并不能完全適應我國的需要。虛擬手術虛擬手術虛擬現實

37、技術虛擬現實技術在西醫(yī)領域的應用在西醫(yī)領域的應用67虛擬醫(yī)學手術仿真訓練的技術實現主要分為以下虛擬醫(yī)學手術仿真訓練的技術實現主要分為以下三個部分：三個部分：1、醫(yī)學圖像的三維重建、醫(yī)學圖像的三維重建2、虛擬人體組織器官的物理建模、虛擬人體組織器官的物理建模3、虛擬手術器械與虛擬人體的碰撞檢測和力反饋、虛擬手術器械與虛擬人體的碰撞檢測和力反饋虛擬手術虛擬手術虛擬現實技術虛擬現實技術在西醫(yī)領域的應用在西醫(yī)領域的應用68 虛擬手術：虛擬手術： 逐步形成之中逐步形成之中 相關研究方向主要有：相關研究方向主要有：醫(yī)學可視化 （Medical Visualization）醫(yī)學增強現實（Medical au

38、gmented Reality）醫(yī)用機器人，手術模擬（Surgery Simulation）圖象引導手術（Image Guided Surgery）計算機輔助手術（Computer Aided Surgery，Computer Assisted Surgery）等69虛擬手術優(yōu)點：虛擬手術優(yōu)點：手術方案能夠利用圖像數手術方案能夠利用圖像數據，幫助醫(yī)生合理、定量據，幫助醫(yī)生合理、定量地制定手術方案，對于選地制定手術方案，對于選擇最佳手術路徑、減小手擇最佳手術路徑、減小手術損傷、減少對臨近組織術損傷、減少對臨近組織損害、提高腫瘤定位精度、損害、提高腫瘤定位精度、執(zhí)行復雜外科手術和提高執(zhí)行復雜外科手

39、術和提高手術成功率等具有十分重手術成功率等具有十分重要的意義。要的意義。手術教學訓練手術教學訓練80%80%的手術的手術失誤是人為因素引起的，失誤是人為因素引起的，所以手術訓練極其重要。所以手術訓練極其重要。 70虛擬手術其他優(yōu)勢：虛擬手術其他優(yōu)勢：保護保護醫(yī)生醫(yī)生降低手術費用降低手術費用改善病人的預后改善病人的預后建造定制的修復擬合模型建造定制的修復擬合模型遠程干預遠程干預71遠程外科手術是技術在醫(yī)學上的一個重要應遠程外科手術是技術在醫(yī)學上的一個重要應用用, 其最初目的是能夠讓醫(yī)師在一個地球基站其最初目的是能夠讓醫(yī)師在一個地球基站中對太空中的某個宇航員進行手術。斯坦福中對太空中的某個宇航員進行手術。斯坦福國際研究院已研制了一套遠程手術實驗系統。國際研究院已研制了一套遠程手術實驗系統。內布拉斯加州大學研究人員研制出的一種機器人內布拉斯加州大學研究人員研制出的一種機器人機器人裝著輪子，高為