遠程醫療可視化與數字藝術設計

林華　高璐靜

摘要：數字藝術設計是集現代數學、系統控制論、圖形圖像學、人工智能、通信技術、計算機軟、硬件技術以及動畫原理、電影藝術和藝術設計等最新成果的學科。數字藝術設計與醫學科學結合。實現了和醫學教學、科研、臨床、護理和科普等方面有關的，二維的、三維的、四維的，靜態的、動態的和動態交互的，虛擬現實、過去和未來的圖形和圖像，為近程的和遠程的醫學教學、臨床、科研和科普都提供了有力的助手。

關鍵詞：遠程醫療；數字藝術設計；可視化；遠程診斷；遠程教育；遠程治療；設備遠程維護

1.醫學科學與數字藝術設計

醫學與藝術的關系，是醫學人文學研究的重要領域，MedicalArt、Medicine as an Art曾經是作為醫學性質之爭的焦點，有關醫學是藝術還是科學的爭論，是一個持續很久的課題，在西方醫學哲學或醫學人文學術領域如今還在討論。其實醫學本身既是科學又是藝術。然而，醫學科學與藝術結合之路途似乎十分遙遠，而且步履艱難，其中一個很重要的原因是表現手段的問題。其中手的繪畫表現能力幾乎難倒了所有的醫生或學者，因為醫生多半不會畫畫，而藝術家又很難理解醫學科學或者醫學家大腦之中的科學形象，而無法使之視覺化。

計算機的誕生，特別是微型計算機及其視覺藝術設計應用軟件和設計規律的普及和大量使用——即數字藝術這門新興學科的誕生。其展示世界、再現實物的能力，已讓技法高超的藝術家和設計師們相形見絀。同時也給許多對于繪畫造型表現能力望而卻步的科學家、科技工作者、醫生、醫務工作者賦予了神來之筆。為科學與藝術、醫學科學與藝術的結合架起了可以逾越的橋梁，而數字藝術設計正是這樣一座橋梁。

人類歷史的腳步已經邁入21世紀，這個世紀是建立在以電子計算機為平臺的基礎之上的，這是21世紀的重要的時代特征之一，在這樣一個計算機時代對于醫學科學也提出了新的要求，計算機技術對醫學教育、醫學科研、醫學臨床的沖擊和影響已經勢不可擋。隨著計算機技術、互聯網網絡技術與醫學科學的結合，遠程診斷、遠程治療、遠程手術以及遠程護理這些原來不敢想象的內容，如今已經變成或者即將變成現實。但是遠程醫療的一個最重要的環節是如何看到病人的病情和對病情進行診斷和治療，于是遠程醫療可視化的問題就擺在面前了。

1.1醫學科學可視化的概念

我認為科學的可視化應該分為科學的科學可視化和科學的藝術可視化。醫學科學的可視覺化包括：醫學教學的可視化、醫學科學研究的視覺化、醫學診斷的可視化、醫學治療的可視化、醫學護理的可視化和醫學科學普及的可視化等。醫學科學的科學可視化是指借助于醫學科學儀器、實驗設備，對于醫學科學研究、實驗、臨床、教學或者科普過程的科學的可視化。例如：基于顯微鏡、透視機、B超機、多普勒彩超機、CT機、核磁共振成像儀和其他的一些觀測和監測儀器設備等的可視化。醫學科學的藝術可視化，是將那些危險的、距離遠的、一般人無法觀察的（如：腦溢血和心肌梗塞的形成和發病過程等等），或者是規律性的、定性的、無法用語言描述的（解剖學、病理學、病毒學）等一些醫學科學現象用視覺藝術的形式直觀地表示出來。

在醫學中涉及到科學的藝術可視化的學科可能有諸如：解剖學、病理學、病毒學、法醫學、外科學、眼科學、循環系統生理學、病理形態學、美容學等學科。醫學科學的藝術可視化以其獨特的藝術形式服務于醫學領域，為醫學臨床、教學、科研和科普等領域提供良好的視覺可視化傳達。在這期間，醫學科學與科學的藝術可視化二者相得益彰。彼此良性循環。隨著數字藝術設計的不斷發展和提高。它已經擴展到醫學的領域。

1.2數字藝術設計的定義

數字藝術設計是設計者根據需求進行的有目的地創造性的構思與計劃，以及將這種構思與計劃、以計算機為平臺、由兩維、三維和四維的圖形、圖像、文字、符號以及音頻等要素構成的、按照數字藝術規律設計形成的靜態的、動態的或動態交互的、再現現實或虛擬過去和未來的視聽圖形和圖像藝術的過程和結果。

是具有獨立審美價值的藝術形式和過程，是介于藝術與科學、藝術設計與計算機圖形設計之間的邊緣學科。作為結果形成了數字化的靜態和動態的以及動態交互的、再現現實或虛擬過去與未來的數字造型藝術。

數字藝術設計分為兩大類和九個子項。兩大類是：以計算機為平臺的靜態藝術設計和動態藝術設計。九個子項是：兩維靜態藝術設計、兩維動態藝術設計、三維靜態藝術設計、三維動態藝術設計、視頻藝術設計、數字游戲設計、數字音樂與音效、數字表演和虛擬現實設計等九個子項。

數字藝術設計綜合了現代數學、系統控制論、圖形圖像學、人工智能、計算機軟硬件技術和動畫原理、電影藝術和藝術設計等學科的最新成果。數字藝術設計與醫學科學結合，實現了和醫學臨床、教學、科研和科普等領域等方面有關的、二維的、三維的、靜態的、動態的醫學科學與數字藝術設計緊密結合的、為醫學教學、臨床實習以及手術和科研都提供了有力的助手。

2.遠程醫學與數字藝術設計

在這里我們首先應該界定“遠程”有多遠。一個房間內的距離叫“遠程”？隔開一個房間的距離叫“遠程”？一個醫院內的距離叫“遠程”？兩個城市之間的距離叫“遠程”？兩個國家之間的距離叫“遠程”？我個人認為。只要是與患者直接有關的、卻離開了患者一定距離的、借助于有線的和無線的線路、網絡或儀器設備進行接觸的和非接觸式的醫學教學、檢查、診斷、治療、手術和護理都可以是“遠程”醫學的領域。

當互聯網普及、提速、容量加大之后，傳輸圖像和影像的速度不再是問題的時候，基于互聯網的遠程醫學教育、診斷、治療、護理甚至是手術都已經成為和即將成為現實。基于數字藝術設計的可視化技術與藝術將對遠程醫學產生重要的影響。

2.1對于遠程醫學教育的影響--

在醫學教學、實驗和實習過程中，有些簡單的、經常性的、或者有了實驗結果、但是實驗結果不便重復演示的（時間的原因、空間的原因、經濟成本的原因等），可以利用數字二維、三維和四維的圖形和圖像藝術設計系統來進行實驗效果的重復、模擬和直觀演示，這也就是我們說到的醫學科學的可覺化。數字二維、三維和四維的圖形和圖像藝術設計已廣泛應用于教學輔助系統中，產生了多媒體的、互動的教學方式和教學效果。它可以使醫學教學過程生動、形象、直觀和易于理解，極大地提高了醫學生的學生興趣、教學效果、降低了成本并且改變了醫學生的學習方式和學習效果。

例如：在醫學院的解剖實驗課上，由于尸體數量有限、學生人數太多以及解剖教室空間有限的問題，很難做到人人動手實施細致的、長時間的解剖實驗，致使解剖講學的直觀性與講學內容的生動性方面受到了限制。另外，由于尸體是死的、靜態的，而人是活的，普通尸解做不到對人體、器官以及內部運動機理進行“真實”狀態下的、動態的直觀了解。

鑒于上述原因。我們可以利用數字藝術設計來繪制二維的、三維的和四維的、詳細的醫學地圖——醫學科學影像圖形和圖像。進行直觀的、生動的，動態的或動態交互的、以及虛擬現實交互的演示、分析和感受，這樣可以部分地取代解剖教學中、對于已經定性的醫學生理學理論和解剖學知識講解，而不必進行真實尸體的解剖就可以了解到應該了解到的基本知識。例如我今年所帶的碩士畢業生所設計的“基于Kinect和Unity 3D的動態交互式人體虛擬解剖系統”就可以在一個很大的空間中。徒手實現人體的動態交互式虛擬解剖。這個系統既可以進行全身的從皮膚到肌肉、骨骼和內臟的解剖，也可以按照例如：循環系、呼吸系、消化系等系統進行解剖教學和展示（圖1）。這套系統本身就是遠程的、非接觸的解剖教學。

同樣，數字藝術設計也可以應用到病理學、病毒學等基礎醫學的教學之中。推而廣之，借助這樣的方法，對整個系統器官建立較為立體和直觀的認識，從而按系統教學模式是對原有臨床醫學教育的再組合，可以是整體醫學在醫學教育中的體現與實踐的有力助手。如果上述功能在醫學院和醫院的教學中都能夠實現，那么，借助有線通訊、衛星無線通訊和互聯網在醫學遠程教育教學中當然也可以實現了。這樣就可以方便一些二、三線地區的醫學院校的醫學生和醫院的醫生進行專業知識的學習和水平的提升。

2.2對于遠程醫學診斷的影響

中醫的診斷一般為“望診、聞診、問診、切診”，是中醫診斷疾病的方法，叫做四診。這些被西醫診斷學所不齒的方法，現在我們可以借助于數字藝術設計去輔助完善這些過程。例如：“望診”傳統醫書都是用文字描述，十分抽象。如果不經過大量的、多年的臨床經驗的積累，是無法實現“望診”的。我的一個研究生家里是中醫世家，她在學習古醫術的基礎上，在老中醫的指導下，設計并實現了中醫“望診”交互學習系統，第一次把抽象的“望診”、“具象化”（圖2）。同樣借助于將數字藝術設計與醫學影像庫、移動網絡、智能手機、傳感器、計算機數據庫進行綜合的分析和判斷，形成相對科學的、面對面近程的和遠程的中醫“四診”的診斷。

西醫的診斷也有類似“望診、聞診、問診、切診”，但更多地是借助于醫學科學儀器設備，例如：B超、彩超、心電、x光片、CT片、核磁片以及各種化驗的結果。醫生依據經驗進行可視化的、綜合的分析和診斷，這里的診斷可視化包括數據分析的可視化和影像學的可視化。現在我們可以借助于數字藝術設計、計算機圖形圖像學、人工智能自動讀片（X光片。CT片、核磁片）系統進行近程的和遠程的醫學診斷。例如。隨著計算機圖形學的發展。運用CT或者FMRl獲取的掃描數據，按照DlCOM標準格式（或其他格式），在符合要求的顯示器上，呈現器官的三維形像，輔助醫生從CT設備（或其他設備）中重現診斷設備產生的動態的器官影像。醫生采用這類系統提供的多種智能型影像處理分析工具，按照自己的主觀判定，識別潛在病灶，分析評估器官的病變，通過本系統輔助匯總成診斷報告，以提高醫生的診斷效率。供共性的和個性的患者的遠程診斷。例如：IQQA3D影像解讀分析系統（圖3）。

這些都離不開可視化，通過數字藝術設計結合計算機圖形形成的這些內容，借助移動網絡、智能手機、平板電腦，加之于醫學影像庫、計算機數據庫參考對照比對等，對于西醫的上述檢驗結果進行綜合的分析和判斷，形成面對面的、近程的和遠程的、相對更加科學的西醫學的診斷。同時，借助于數字藝術設計與醫療設備、結合有線、無線和INT網，可以實現遠程、個性化的診療進入千家萬戶。

3.對于醫學遠程治療的影響

隨著計算機技術的提高與普及，借助計算機控制的顯微手術器械和遙控顯微手術器械。結合計算機硬件技術和軟件技術、計算機圖形學、數字藝術設計與醫學科學相結合，推動醫學教學的現代化、科學化，以及外科手術術前的“虛擬可視化”的訓練，在我國的醫學院或者醫院中建立一個全新的、介于臨床醫學教學之后、臨床手術實踐之前的“數字虛擬醫學部”，或者在醫院的外科設立“數字虛擬手術研究部”，目前應該提到日程之上來了。

在醫學院設立的“數字虛擬醫學部”中，高年級的醫學生在指導醫師的監督和指導下，為虛擬的患者——可以是真實的人體模型、或者是人體器官模型和運用虛擬現實技術和數字三維動態藝術設計的虛擬人體和人體器官相結合。實施虛擬手術（這個過程很像利用飛行模擬器訓練飛行員的過程），通過這樣反復練習的訓練過程，將相關的手術做得十分熟練。之后，再到真實的環境中對真人實施手術，這樣即使是首次手術的醫生也可以是一個經驗豐富的醫生，這樣可以盡量地提高醫學生外科手術的熟練程度，縮短從一個醫學生到醫生的時間過程。減少患者對實習醫生的恐懼，提升手術的成功機率，使患者受惠并得到較好的照顧。

在醫院里，在外科設立的“數字虛擬手術研究部”中，結合現在開始使用的計算機控制手術器械（顯微手術器械），將重大的手術結合真實的人體模型、或者是虛擬現實技術和數字三維動態藝術設計的虛擬人體和人體器官影像相結合，來規劃和設計手術。通過目鏡和顯微手術器械，將整個復雜的手術過程實施虛擬實景的模擬，把手術過程中的可能遇到的問題和困難，進行先期的“真實的”模擬和熟悉，并進行反復練習。同時，如果將兩臺這樣的設備連在一起。其中一臺由老師操控的話，老師就可以在模擬手術的過程中對學生的手術過程加以近程的或者遠程的指導。這樣模擬的結果可以提高手術的成功率、減少對患者的傷害。增進患者的治愈度。

今后，隨著科學和計算機技術的進步，三維立體顯示器、三維目鏡、頭盔、數據手套、增強現實等立體影像顯示和觀察設備及相關的計算機裝置以及互聯網的逐漸普及和應用，無論在近程的和遠程的虛擬手術中觀看到立體仿真度更高的視覺效果和沉浸度極高的“觸覺”體驗，這種虛擬的真實感會更加接近于真實手術的實際（圖4）。

4.對醫療設備的遠程組裝、使用、維護與維修的可視化

現在的醫療設備科技含量越來越高，很多設備非常昂貴，組裝、操作和維護十分復雜。目前醫療設備的使用說明書多是文字和黑白插圖的，文字說明繁多，并不直觀，閱讀理解和學習十分困難。一旦誤操作，造成的損失——無論是患者的、還是對設備都是難以承擔的，所以上述過程的預先培訓作用和意義重大。但是如果只是以文字和口述進行培訓。效果十分有限。尤其在異地和遠程更加不便。于是，基于數字藝術設計的可視化醫療設備的安裝、使用、維護和維修成為強有力的助手。

例如。我帶的一個學生進行的“螺旋CT機可視化設計與實現”項目就是此類。這樣的一個可視化設計可以實現以下作用：可以作為供技術人員參考安裝螺旋CT機的裝機說明；可以作為醫院醫生使用螺旋CT機的可視化使用說明；可以作為使用螺旋CT機的醫生向病人解釋診病原理的直觀說明；當然還可以作為醫療器械生產廠家為自己的產品進行科學的、可視化宣傳推廣的利器（圖5）。基于數字藝術設計的可視化，可以起到提高工作效率、避免其中因操作不當造成的零件損傷、降低工作成本、節約工作時間、提高醫療設備使用效率、延長使用壽命的作用。

基于數字藝術設計醫療設備的可視化，還可以起到向患者介紹病例的病理和病因的作用，便于醫患溝通，幫助病人了解診斷、治療、恢復和療養的過程。同時還利于面向普通大眾進行醫學學設備和診療手段的科普的作用，同時可以實現基于這些設備的遠程護理的作用。上述這些內容都是既可以面對面，更便于遠程化的。

綜上所述，借助數字藝術設計、計算機科學和醫學科學，探索二者在遠程醫療領域相結合之路。前途將是無限光明的。