醫(yī)學虛擬現(xiàn)實技術(shù)及應用第9章-虛擬現(xiàn)實在醫(yī)學方面課件

第9章虛擬現(xiàn)實在醫(yī)學方面的應用虛擬人體9.1醫(yī)生虛擬操作與虛擬手術(shù)9.29.1虛擬人體

虛擬人體，也稱數(shù)字虛擬人，或稱虛擬可視人（VisibleHuman），是指將人體結(jié)構(gòu)數(shù)字化，通過計算機技術(shù)和圖像處理技術(shù)，在計算機屏幕上顯示一個看似真實的模擬人體，再進一步將人體功能性的數(shù)據(jù)加以數(shù)字化，賦加到這個人體形態(tài)框架上，經(jīng)過虛擬現(xiàn)實技術(shù)的交叉融合最終形成能夠在很多方面代替真實人體的虛擬對象。

虛擬人的全部研究發(fā)展包括4個階段：“虛擬可視人”、“虛擬物理人”、“虛擬生理人”和“虛擬智能人”。9.1.1虛擬人體技術(shù)

制作“虛擬人”，最關鍵的環(huán)節(jié)是采集人體數(shù)據(jù)。

首先需要確定出一個理想的人體樣本；然后經(jīng)過尸體解剖、拍照、分析；再將數(shù)據(jù)輸入計算機進行合成，從而制成一個完整的立體人類生理結(jié)構(gòu)。

圖9.1所示為虛擬人體切片圖。

圖9.2所示為美國男性數(shù)據(jù)集中的圖片。圖9.1虛擬人體切片圖圖9.2美國男性虛擬人

我國對“虛擬人”的研究。在2000年正式列入高新技術(shù)發(fā)展計劃中。 2003年2月18日17時18分，我國首例女性虛擬人數(shù)據(jù)集在位于廣州市的解放軍第一軍醫(yī)大學構(gòu)建成功，這標志著繼美國、韓國后，中國成為世界上第三個擁有本國虛擬人數(shù)據(jù)庫的國家。圖9.3所示為我國虛擬人女一號的相關圖片。圖9.3我國虛擬人女一號

圖9.4所示為我國科研人員在處理尸體，制作虛擬人切片標本時的場景。

表9-1所示為美、韓、中虛擬人體的具體數(shù)據(jù)比較。圖9.4制作虛擬人切片標本國家數(shù)據(jù)集采集時間切片精度切片數(shù)量數(shù)據(jù)量美國男性數(shù)據(jù)集1994年187815GB美國女性數(shù)據(jù)集1995年519030GB韓國韓國可視人2001年9000158.2GB中國虛擬人1號（女性）2003年8556149.7GB中國虛擬人1號（男性）2003年9232161.6GB表9-1 美、韓、中虛擬人體的具體數(shù)據(jù)9.1.2虛擬人體的應用領域1．醫(yī)學參考2．制藥實驗3．軍事應用4．腫瘤治療5．航空航天6．體育運動圖9.5虛擬人在軍事方面的應用圖9.6宇航員人體模型9.2醫(yī)生虛擬操作與虛擬手術(shù)9.2.1虛擬內(nèi)窺鏡

虛擬內(nèi)窺鏡技術(shù)（VirtualEndoscopy，VE）是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在現(xiàn)代醫(yī)學中的重要應用。

這項技術(shù)主要是利用醫(yī)學影像數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)來源，融合計算機圖形學、可視化技術(shù)、圖像處理技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，以此來模擬傳統(tǒng)光學內(nèi)窺鏡的一種新興醫(yī)療技術(shù)手段。

其最大的優(yōu)勢在于克服了傳統(tǒng)光學內(nèi)窺鏡需要插入人體，做接觸式檢查的方式，避免了患者在接受傳統(tǒng)檢查時所必須面臨的痛苦。 VE的發(fā)展大致分為三代。

第一代VE是運用幾何模型，生成解剖結(jié)構(gòu)的3D幾何形狀，附加一些簡單的交互操作，產(chǎn)生較為粗糙的動畫效果，這一代VE主要應用于對醫(yī)護人員的教學和培訓。

第二代VE是利用具有高分辨率的可視化人體數(shù)據(jù)，如CT、MRI等圖像數(shù)據(jù)，產(chǎn)生較為逼真的圖像效果，增加了真實感、視覺逼真性和臨床實用性，目前VE正處在這一代的研究階段。

可預見的第三代VE在考慮了人體器官組織形狀的同時，還將加入不同解剖組織的物理特性和生物特性，將會成為一個在物理上、生理上以及系統(tǒng)上都完全逼真的VE系統(tǒng)。1．虛擬腹腔鏡2．虛擬消化內(nèi)鏡3．虛擬呼吸內(nèi)鏡9.2.2虛擬外科手術(shù)

虛擬外科手術(shù)涵蓋很多方面，其中包括虛擬骨科手術(shù)訓練，如圖9.10所示；虛擬神經(jīng)外科手術(shù)訓練，如圖9.11所示；虛擬耳鼻喉科手術(shù)和虛擬眼外科手術(shù)等。（a）股骨干骨折（b）股骨頸骨折手術(shù)圖9.10虛擬骨科手術(shù)訓練圖9.11虛擬神經(jīng)外科手術(shù)訓練

醫(yī)生的培養(yǎng)，特別是外科醫(yī)生的培養(yǎng)由于受到客觀條件的限制，因此外科技能的培養(yǎng)往往只能通過在尸體或病人身上反復臨床磨練。但這種方式嚴重制約著醫(yī)學教育的發(fā)展。

虛擬手術(shù)系統(tǒng)的出現(xiàn)解決了這一問題。

虛擬外科手術(shù)是借助計算機，并利用各種醫(yī)學影像數(shù)據(jù)，為醫(yī)生構(gòu)建和提供的仿真手術(shù)虛擬教學系統(tǒng)。

借助于虛擬外科手術(shù)系統(tǒng)，醫(yī)務人員可以沉浸于計算機生成的虛擬手術(shù)環(huán)境內(nèi)，通過虛擬仿真手術(shù)器械體驗和學習如何進行各種手術(shù)，并培養(yǎng)應付各種突發(fā)情況的能力。

醫(yī)生和醫(yī)學生可以根據(jù)自己的需要重復進行各種必要的操作訓練，并可以得到根據(jù)專家經(jīng)驗建立的專家手術(shù)系統(tǒng)的指導，這大大節(jié)約了培訓醫(yī)務人員的費用和時間，從而達到迅速提高學習者手術(shù)技能的目的。9.2.3虛擬靜脈注射

為了提高護士的靜脈注射水平，血管內(nèi)導管插入技術(shù)仿真器在美國應運而生。

該系統(tǒng)包括一個專用觸覺接口、一臺PC和一個桌面監(jiān)視器。

和實際操作一樣，培訓人員一只手持一個帶有傳感器的手柄，以此來模擬要進行注射的病人部位；另一只手持一個真正的注射器或是輸液管部件，這一部分與屏幕上的一個虛擬針頭相對應。

當培訓人員將注射器或輸液管推注到觸覺接口時，虛擬皮膚在壓力下可變形。

在這個過程中，系統(tǒng)會顯示出一個代表皮膚和靜脈的視圖，以幫助受訓人員定位。

通過安裝在觸覺接口的激勵器組件，培訓人員可以感覺到在皮膚接觸時所受到的微小阻力。9.3虛擬康復訓練

虛擬康復訓練系統(tǒng)通過摳像技術(shù)，使患者可以在屏幕上看到自己或以虛擬圖形式出現(xiàn)的人體圖像，然后患者根據(jù)屏幕中情景的變化和提示做各種動作，以保持屏幕中情景模式的繼續(xù)，直到最終完成訓練目標。

該系統(tǒng)是專門為神經(jīng)、骨科、老年康復和兒童康復開發(fā)的虛擬康復治療系統(tǒng)，能使患者以自然方式與具有多種感官刺激的虛擬環(huán)境中的對象進行交互，可提供多種形式的反饋信息使枯燥單調(diào)的運動康復訓練過程更輕松、更有趣和更容易。9.3.1肢體運動訓練應用1．外科術(shù)后康復

圖9.12和圖9.13所示分別為傳統(tǒng)肢體康復訓練和虛擬肢體康復訓練的情況。圖9.12傳統(tǒng)肢體康復訓練圖9.13虛擬肢體康復訓練2．中風病人的康復訓練

圖9.14所示為中風患者在特殊的醫(yī)療機構(gòu)進行傳統(tǒng)康復訓練的情景。圖9.14傳統(tǒng)中風康復訓練

利用VR技術(shù)的中風康復訓練能夠在時間和空間上解決患者在慢性期長期康復訓練的需求，患者甚至可以足不出戶在家中完成遠程的康復訓練。

圖9.15所示為中風患者接受虛擬康復訓練的情景。圖9.15虛擬中風康復訓練9.3.2心理及認知功能訓練應用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)目前已被廣泛用于認知障礙的治療，如記憶障礙、注意力障礙、空間認知障礙和一些心理治療等。

認知功能康復訓練系統(tǒng)促進了計算機技術(shù)和認知科學更高層次的結(jié)合，在認知障礙的康復訓練方面表現(xiàn)出了傳統(tǒng)方法無法比擬的優(yōu)勢。

虛擬現(xiàn)實可以使人沉浸在計算機實時產(chǎn)生的三維環(huán)境中，通過各種游戲反復訓練來維持和提高患者的邏輯推理、思維、記憶、協(xié)調(diào)、注意力等認知功能。

心理治療起源于歐洲，從精神病學中發(fā)展出來，是雙方互動的一個過程，每一方通常由一個人構(gòu)成，但有可能由兩個或更多的人組成。

從1992年起虛擬現(xiàn)實被應用于心理治療領域，為心理治療技術(shù)的發(fā)展開創(chuàng)了全新的局面。

近期，國外的一些心理學家應用虛擬現(xiàn)實技術(shù)治療恐高癥、幽閉恐怖癥、進食障礙、創(chuàng)傷后應激障礙、精神分裂癥、性功能障礙、緩解疼痛等心理疾病并取得了極大的成果。9.4虛擬現(xiàn)實技術(shù)與現(xiàn)代高等醫(yī)學教育9.4.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)在基礎醫(yī)學教育中的應用

基礎醫(yī)學的教學方式主要分為理論授課和實驗操作兩種。

其中理論授課的方式是課堂講授加上傳統(tǒng)醫(yī)學插圖，學生大多感覺學習過程枯燥、不好理解、不好記憶。

而利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以在虛擬的環(huán)境下，將人體各器官的解剖、生理學、病理學的數(shù)學模型存在一個數(shù)據(jù)庫中，在顯示屏上有意識地顯示某些細節(jié)，學生可以將病人的各種病變部位分開或合在一起觀察病變情況。

將“虛擬人”應用于教學過程也是虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用于基礎醫(yī)學教育的一個典型實例。

學生在課堂上能以三維的形式看到人體數(shù)千個解剖結(jié)構(gòu)的形狀、位置及器官間的相互空間關系等，學習興趣和效果顯著提高。9.4.2虛擬現(xiàn)實技術(shù)在臨床醫(yī)學教育中的應用

虛擬手術(shù)教學是虛擬現(xiàn)實技術(shù)臨床醫(yī)學教育中的最顯著的應用。

醫(yī)學學生在手術(shù)培訓過程中進行臨床實踐主要是在動物或者人體上進行操作，而在實踐中會遇到教育資源有限的問題。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)解決了這一難題，它可以模擬非常真實的手術(shù)場景，為學生創(chuàng)造出一個虛擬的手術(shù)過程，在此過程中學生可以進行反復的訓練。

這種教育方式不僅可以節(jié)約教育資源，還具有零風險、可反復操作等優(yōu)勢，學生可利用它完成手術(shù)的各個操作步驟，并對操作的過程和結(jié)果進行分析和總結(jié)，這樣可以更多地積累臨床實踐技巧和經(jīng)驗。9.4.3虛擬現(xiàn)實技術(shù)在遠程醫(yī)學教育中的應用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用于遠程醫(yī)學教育的基礎是基于遠程醫(yī)療的分支網(wǎng)真醫(yī)學，即遠程呈現(xiàn)醫(yī)學，它把專家的知識通過通信網(wǎng)絡傳輸?shù)叫枰倪h程位置，在遠程醫(yī)療應用領域發(fā)揮其獨特的優(yōu)勢。

網(wǎng)真醫(yī)學是虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用的一個全新領域，它結(jié)合了高清視頻、音頻和交互式組件（軟件和硬件），在網(wǎng)絡上創(chuàng)建一種獨特的“面對面”體驗的新型技術(shù)。9.5醫(yī)學虛擬現(xiàn)實軟件的應用現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外應用醫(yī)學虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應用軟件有很多，這些應用軟件在提高手術(shù)教學和訓練的質(zhì)量、減少術(shù)中決策時間、降低手術(shù)風險性等方面具有較大幫助，有重要的臨床意義，為醫(yī)學研究和教學的發(fā)展發(fā)揮巨大的作用。

下面介紹幾個典型的醫(yī)學虛擬現(xiàn)實軟件。1．3dBody可視化虛擬人體解剖學軟件2．交互式醫(yī)學影像控制系統(tǒng)3．可視化與醫(yī)學仿真平臺本章小結(jié)

本章介紹了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學方面的應用。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)與醫(yī)學知識緊密結(jié)合，使得虛擬內(nèi)窺鏡、虛擬手術(shù)、虛擬靜脈注射、虛擬康復訓練以及各種用于醫(yī)學實踐教學的模擬訓練系統(tǒng)等方面實現(xiàn)了廣泛的應用和快速發(fā)展。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)與網(wǎng)絡技術(shù)、多媒體技術(shù)結(jié)合發(fā)展，必將開拓更加廣闊的應用領域和發(fā)展前景，