醫(yī)學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及應(yīng)用第9章-虛擬現(xiàn)實(shí)在醫(yī)學(xué)方面課件

第9章虛擬現(xiàn)實(shí)在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)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(jì)算機(jī)技術(shù)和圖像處理技術(shù)，在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示一個(gè)看似真實(shí)的模擬人體，再進(jìn)一步將人體功能性的數(shù)據(jù)加以數(shù)字化，賦加到這個(gè)人體形態(tài)框架上，經(jīng)過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的交叉融合最終形成能夠在很多方面代替真實(shí)人體的虛擬對(duì)象。

虛擬人的全部研究發(fā)展包括4個(gè)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(guān)鍵的環(huán)節(jié)是采集人體數(shù)據(jù)。

首先需要確定出一個(gè)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(jì)算機(jī)進(jìn)行合成，從而制成一個(gè)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(duì)“虛擬人”的研究。在2000年正式列入高新技術(shù)發(fā)展計(jì)劃中。 2003年2月18日17時(shí)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(xué)構(gòu)建成功，這標(biāo)志著繼美國、韓國后，中國成為世界上第三個(gè)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(hào)的相關(guān)圖片。圖9.3我國虛擬人女一號(hào)

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(biāo)本時(shí)的場(chǎng)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(biāo)本國家數(shù)據(jù)集采集時(shí)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(hào)（女性）2003年8556149.7GB中國虛擬人1號(hào)（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(yīng)用領(lǐng)域1．醫(yī)學(xué)參考2．制藥實(shí)驗(yàn)3．軍事應(yīng)用4．腫瘤治療5．航空航天6．體育運(yùn)動(dòng)圖9.5虛擬人在軍事方面的應(yīng)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(shí)技術(shù)在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中的重要應(yīng)用。

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

其最大的優(yōu)勢(shì)在于克服了傳統(tǒng)光學(xué)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(shí)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(yùn)用幾何模型，生成解剖結(jié)構(gòu)的3D幾何形狀，附加一些簡(jiǎn)單的交互操作，產(chǎn)生較為粗糙的動(dòng)畫效果，這一代VE主要應(yīng)用于對(duì)醫(yī)護(hù)人員的教學(xué)和培訓(xùn)。

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(shí)感、視覺逼真性和臨床實(shí)用性，目前VE正處在這一代的研究階段。

可預(yù)見的第三代VE在考慮了人體器官組織形狀的同時(shí)，還將加入不同解剖組織的物理特性和生物特性，將會(huì)成為一個(gè)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(xùn)練，如圖9.10所示；虛擬神經(jīng)外科手術(shù)訓(xùn)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(xùn)練圖9.11虛擬神經(jīng)外科手術(shù)訓(xùn)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(fù)臨床磨練。但這種方式嚴(yán)重制約著醫(yī)學(xué)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(jì)算機(jī)，并利用各種醫(yī)學(xué)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(xué)系統(tǒng)。

借助于虛擬外科手術(shù)系統(tǒng)，醫(yī)務(wù)人員可以沉浸于計(jì)算機(jī)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(yàn)和學(xué)習(xí)如何進(jìn)行各種手術(shù)，并培養(yǎng)應(yīng)付各種突發(fā)情況的能力。

醫(yī)生和醫(yī)學(xué)生可以根據(jù)自己的需要重復(fù)進(jìn)行各種必要的操作訓(xùn)練，并可以得到根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)建立的專家手術(shù)系統(tǒng)的指導(dǎo)，這大大節(jié)約了培訓(xùn)醫(yī)務(wù)人員的費(fèi)用和時(shí)間，從而達(dá)到迅速提高學(xué)習(xí)者手術(shù)技能的目的。9.2.3虛擬靜脈注射

為了提高護(hù)士的靜脈注射水平，血管內(nèi)導(dǎo)管插入技術(shù)仿真器在美國應(yīng)運(yùn)而生。

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

和實(shí)際操作一樣，培訓(xùn)人員一只手持一個(gè)帶有傳感器的手柄，以此來模擬要進(jìn)行注射的病人部位；另一只手持一個(gè)真正的注射器或是輸液管部件，這一部分與屏幕上的一個(gè)虛擬針頭相對(duì)應(yīng)。

當(dāng)培訓(xùn)人員將注射器或輸液管推注到觸覺接口時(shí)，虛擬皮膚在壓力下可變形。

在這個(gè)過程中，系統(tǒng)會(huì)顯示出一個(gè)代表皮膚和靜脈的視圖，以幫助受訓(xùn)人員定位。

通過安裝在觸覺接口的激勵(lì)器組件，培訓(xùn)人員可以感覺到在皮膚接觸時(shí)所受到的微小阻力。9.3虛擬康復(fù)訓(xùn)練

虛擬康復(fù)訓(xùn)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(dòng)作，以保持屏幕中情景模式的繼續(xù)，直到最終完成訓(xùn)練目標(biāo)。

該系統(tǒng)是專門為神經(jīng)、骨科、老年康復(fù)和兒童康復(fù)開發(fā)的虛擬康復(fù)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(duì)象進(jìn)行交互，可提供多種形式的反饋信息使枯燥單調(diào)的運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練過程更輕松、更有趣和更容易。9.3.1肢體運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練應(yīng)用1．外科術(shù)后康復(fù)

圖9.12和圖9.13所示分別為傳統(tǒng)肢體康復(fù)訓(xùn)練和虛擬肢體康復(fù)訓(xùn)練的情況。圖9.12傳統(tǒng)肢體康復(fù)訓(xùn)練圖9.13虛擬肢體康復(fù)訓(xùn)練2．中風(fēng)病人的康復(fù)訓(xùn)練

圖9.14所示為中風(fēng)患者在特殊的醫(yī)療機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練的情景。圖9.14傳統(tǒng)中風(fēng)康復(fù)訓(xùn)練

利用VR技術(shù)的中風(fēng)康復(fù)訓(xùn)練能夠在時(shí)間和空間上解決患者在慢性期長(zhǎng)期康復(fù)訓(xùn)練的需求，患者甚至可以足不出戶在家中完成遠(yuǎn)程的康復(fù)訓(xùn)練。

圖9.15所示為中風(fēng)患者接受虛擬康復(fù)訓(xùn)練的情景。圖9.15虛擬中風(fēng)康復(fù)訓(xùn)練9.3.2心理及認(rèn)知功能訓(xùn)練應(yīng)用

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

認(rèn)知功能康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)促進(jìn)了計(jì)算機(jī)技術(shù)和認(rèn)知科學(xué)更高層次的結(jié)合，在認(rèn)知障礙的康復(fù)訓(xùn)練方面表現(xiàn)出了傳統(tǒng)方法無法比擬的優(yōu)勢(shì)。

虛擬現(xiàn)實(shí)可以使人沉浸在計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)產(chǎn)生的三維環(huán)境中，通過各種游戲反復(fù)訓(xùn)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(rèn)知功能。

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

從1992年起虛擬現(xiàn)實(shí)被應(yīng)用于心理治療領(lǐng)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(xué)家應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)治療恐高癥、幽閉恐怖癥、進(jìn)食障礙、創(chuàng)傷后應(yīng)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(shí)技術(shù)與現(xiàn)代高等醫(yī)學(xué)教育9.4.1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用

基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)的教學(xué)方式主要分為理論授課和實(shí)驗(yàn)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(xué)插圖，學(xué)生大多感覺學(xué)習(xí)過程枯燥、不好理解、不好記憶。

而利用虛擬現(xiàn)實(shí)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(xué)、病理學(xué)的數(shù)學(xué)模型存在一個(gè)數(shù)據(jù)庫中，在顯示屏上有意識(shí)地顯示某些細(xì)節(jié)，學(xué)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(yīng)用于教學(xué)過程也是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教育的一個(gè)典型實(shí)例。

學(xué)生在課堂上能以三維的形式看到人體數(shù)千個(gè)解剖結(jié)構(gòu)的形狀、位置及器官間的相互空間關(guān)系等，學(xué)習(xí)興趣和效果顯著提高。9.4.2虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用

虛擬手術(shù)教學(xué)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)臨床醫(yī)學(xué)教育中的最顯著的應(yīng)用。

醫(yī)學(xué)學(xué)生在手術(shù)培訓(xùn)過程中進(jìn)行臨床實(shí)踐主要是在動(dòng)物或者人體上進(jìn)行操作，而在實(shí)踐中會(huì)遇到教育資源有限的問題。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)解決了這一難題，它可以模擬非常真實(shí)的手術(shù)場(chǎng)景，為學(xué)生創(chuàng)造出一個(gè)虛擬的手術(shù)過程，在此過程中學(xué)生可以進(jìn)行反復(fù)的訓(xùn)練。

這種教育方式不僅可以節(jié)約教育資源，還具有零風(fēng)險(xiǎn)、可反復(fù)操作等優(yōu)勢(shì)，學(xué)生可利用它完成手術(shù)的各個(gè)操作步驟，并對(duì)操作的過程和結(jié)果進(jìn)行分析和總結(jié)，這樣可以更多地積累臨床實(shí)踐技巧和經(jīng)驗(yàn)。9.4.3虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)教育的基礎(chǔ)是基于遠(yuǎn)程醫(yī)療的分支網(wǎng)真醫(yī)學(xué)，即遠(yuǎn)程呈現(xiàn)醫(yī)學(xué)，它把專家的知識(shí)通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)叫枰倪h(yuǎn)程位置，在遠(yuǎn)程醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

網(wǎng)真醫(yī)學(xué)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)全新領(lǐng)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(luò)上創(chuàng)建一種獨(dú)特的“面對(duì)面”體驗(yàn)的新型技術(shù)。9.5醫(yī)學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)軟件的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外應(yīng)用醫(yī)學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用軟件有很多，這些應(yīng)用軟件在提高手術(shù)教學(xué)和訓(xùn)練的質(zhì)量、減少術(shù)中決策時(shí)間、降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)性等方面具有較大幫助，有重要的臨床意義，為醫(yī)學(xué)研究和教學(xué)的發(fā)展發(fā)揮巨大的作用。

下面介紹幾個(gè)典型的醫(yī)學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)軟件。1．3dBody可視化虛擬人體解剖學(xué)軟件2．交互式醫(yī)學(xué)影像控制系統(tǒng)3．可視化與醫(yī)學(xué)仿真平臺(tái)本章小結(jié)

本章介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與醫(yī)學(xué)知識(shí)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(fù)訓(xùn)練以及各種用于醫(yī)學(xué)實(shí)踐教學(xué)的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)等方面實(shí)現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用和快速發(fā)展。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展前景，