淺談虛擬現實技術在醫學領域的應用與發展

王超?馮豆豆?徐云鵬

指導教師：呂美 汪振澤

摘 要：隨著計算機科技的發展，虛擬現實系統得以豐富和廣泛應用，在軍事、娛樂和機械制造、醫學等領域被廣泛的應用，尤其近年來在醫學方面取得了很大的進展，本文介紹了虛擬現實技術在基礎醫學、臨床醫學、遠程醫療、虛擬醫院、虛擬實驗室等醫學領域的應用，探討了為醫學服務的虛擬現實技術的發展前景。

關鍵詞：虛擬現實；醫學；應用與前景

沈陽建筑大學大學生創新創業訓練計劃項目

虛擬現實技術（Virtual Reality，簡稱VR）開始于20世紀60年代，是在計算機圖形學、計算機仿真技術、人機接口技術以及傳感技術的基礎上發展起來的交叉學科。由于虛擬現實作為一種新型媒體，目前尚未被進行固定的定義。一些虛擬現實的研究者和用戶本身對這項媒體技術存在各自的看法，而從技術層面上來講，虛擬現實集合了計算機圖形學、多媒體、人工智能、多傳感器、網絡并行處理，通過視、聽、觸覺，并且以圖表及動畫方式呈現，包含了交互性、想象性、沉浸性。

20世紀80年代之后，隨著計算機科技的發展，為醫學服務的虛擬現實系統得以豐富和廣泛應用，更為精確、直觀、形象并且符合現實的技術方法來實現科學性與技術性。在醫學領域與技術交流過程中虛擬現實技術存在明顯的優勢，尤其針對醫學教育和培訓，能使用戶主動地針對學習任務去獲得盡可能多的現場感，大大縮短訓練時間，減少訓練經費，利于克服傳統學習和訓練方法抽象、理解困難、不易反復實踐、耗費多等缺點，因此得到了進一步的研究與應用。根據1993年的統計，世界市場上出現的805個虛擬現實應用系統中有49個用于醫學領域，主要涉及以下幾個方面：

1 虛擬人體

在20世紀80年代，美國與德國的學者便開始了對于虛擬人體技術的探索和實踐，實現了用戶可以在計算機屏幕上對“可視”進行解剖，并可把局部的圖像進行縮放的效果，并且采用人工智能技術，把人體各部位不同領域的知識填充到空間模型，用戶可以自由地在三維人體空間及相應的文字資料進行各種操作。

虛擬人體還可開展虛擬解剖學、虛擬放射學、虛擬內窺鏡學等學科的計算機輔助教學。在對病人實施復雜手術之前，外科醫生可以先在由虛擬現實系統產生的一具虛擬人體上進行練習，制定手術方案。也可通過對虛擬人體的解剖，對病人進行病理分析。學生則可在此系統上親眼觀察并獲得專家從事重大手術過程的第一手資料，亦可動手實習。

2 遙控外科手術和顯微外科手術

將裝備有基于虛擬現實技術的遠程控制操作設備的遙控手術中心與邊遠地區建立起遠程醫療虛擬現實系統，醫生只需對虛擬病人的模型進行手術，并通過高速寬帶網絡將醫生的動作傳送到網絡另一端的手術機器人，由機器人對病人進行手術。手術實際進展的圖像也可通過機器人的攝象機實時地傳回給醫生的頭盔立體顯示器，并將其與虛擬病人疊加，以便醫生實時掌握手術的情況并發出手術指令。

就顯微外科手術而言，現已經實現了使用虛擬現實系統把手術部位放大，醫生按放大后的常規手術動作幅度操作的同時，又將醫生的這種常規幅度的手術動作縮小為顯微手術機械手的細微動作的過程，進而大大降低顯微外科的難度。

3 醫學圖像學與藥物分子研究

1992年北卡羅來納大學就開始進行超聲圖像與虛擬現實相結合的研究，把實時的超聲掃描圖像經信號變換傳輸到醫生所戴的頭盔顯示器，醫生依賴于頭盔的“看穿”能力，能看到超聲圖像映迭到病人身體上。

此外，用于醫學的虛擬現實軟件可以將MRI（磁共振成象）生成的二維圖象與體視圖象組合在一起，用虛擬現實眼鏡可看到這類圖像，大大提高診斷的直觀性和準確性，利于建立與手術臺上相吻合的可視環境，進而更為廣泛應用于手術前規劃和學生的實習。

另一方面，藥物設計師戴上三維實體眼鏡，在屏幕上觀察分子結構的立體圖像，使分子間能相互結合也可以在虛擬現實境界中控制藥物分子模型，通過所模擬分子的分子力反饋來測試出如何把該藥物分子安放在其它分子的結合基上的最佳方向，利用計算機生成的分子模型，把所有相關類型的藥物聯接在一起，并將其鎖定在病原體上，從而解除病原體的致病能力。

4 康復醫療與虛擬實驗室

美國加州的洛瑪琳達大學已經研制出“神經康復工作站”（Neuro-Rehabilitation W ork-station ），這是一個采用壓力傳感器、生物傳感器，具有數據手套和視線跟蹤系統的可視化Unix工作站，可用于診斷因嚴重事故或先天性引起的身體缺陷，并針對病人缺乏運動的現象，讓其沉浸在與真實世界的物理規律不盡相同的虛擬現實之中，從而有助于恢復病人的感覺或運動障礙。

虛擬實驗室則是在計算機上加上一組軟件和相應的硬件，讓使用者在操作這臺計算機時就象操作一臺實驗儀器一樣。因為虛擬實驗室的硬件僅是解決信號的輸入和輸出，而能很方便的改變、增減、改善系統的功能與規模的多用基于圖形方式的LAB-VIEW語言編寫的軟件才是關鍵，所以許多醫學教育中的實驗和臨床相關實驗均可以在虛擬實驗室中進行。

虛擬現實在醫學上的應用已經取得了豐碩的成果，許多產品已經達到了商品化的水平，但整體上仍存在著一些不足之處。克服這些不足，一方面依賴于計算機軟硬件技術的進一步發展，另一方面也取決于虛擬現實研究人員對人體的解剖、生理、病理、心理特點的進一步認識。隨著各國對虛擬現實技術投入的加大和信息高速公路的建設，這項技術會更快地推動虛擬現實技術在醫學中更廣泛、更深入的應用，給傳統醫學帶來重大變革。

從另外一個角度來看，虛擬現實技術在醫學領域的應用還存在進一步的拓展的空間，如動物醫學領域，而隨著這種發展和完善，未來本行業用戶和普通的大眾都將親自感受虛擬現實技術帶來的令人驚嘆的視覺效果，體會這種豐富應用，大大提升工作效果。

參考文獻

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