虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展

中國醫(yī)科大學(xué)　李可心中國醫(yī)科大學(xué)計算機教研室　劉尚輝

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展

中國醫(yī)科大學(xué)李可心
中國醫(yī)科大學(xué)計算機教研室劉尚輝

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（virtual reality）作為近年來新興的技術(shù)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、軍事、建筑、教育等多個領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實技術(shù)利用計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、三維重建技術(shù)、立體顯示技術(shù)、傳感器技術(shù)等在醫(yī)學(xué)教育、診療方面有廣闊的應(yīng)用前景。本文主要探討虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學(xué)及教育領(lǐng)域的應(yīng)用研究。

虛擬現(xiàn)實；醫(yī)學(xué)教育；臨床治療

近年來，計算機技術(shù)的高速發(fā)展使得計算機技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得以應(yīng)用，一定程度上提升了教育和醫(yī)療服務(wù)水平。而虛擬現(xiàn)實技術(shù)（virtual reality）作為近年來新興科技也在醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域中產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，在教育技術(shù)、疾病治療、醫(yī)學(xué)影像等方面都有廣泛應(yīng)用。從應(yīng)用角度看，它是一個綜合計算機、網(wǎng)絡(luò)、仿真技術(shù)和物理學(xué)、數(shù)學(xué)等多種科學(xué)并在計算機領(lǐng)域的拓展和開發(fā)的高新技術(shù)［1］。VR技術(shù)可以讓使用者置身于計算機模擬出的三維虛擬空間中，通過模擬使用者的聽覺、觸覺、視覺等多種感官，使其身臨其境［2］。

1　虛擬現(xiàn)實在醫(yī)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

1.1虛擬手術(shù)

虛擬手術(shù)（Virtual Surgery）系統(tǒng)是專門用來對手術(shù)全過程進(jìn)行仿真的虛擬現(xiàn)實應(yīng)用系統(tǒng)，主要包括虛擬建模、醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)的可視化、人體組織器官的應(yīng)力形變仿真、傳感與反饋、高速圖形顯示與圖像處理等幾部分［3］。在現(xiàn)有的醫(yī)學(xué)生培養(yǎng)過程中，由于醫(yī)療環(huán)境的變化、標(biāo)本短缺、成本昂貴等問題的出現(xiàn)，虛擬手術(shù)系統(tǒng)為外科學(xué)的發(fā)展提供了廣闊的空間，大大提高了外科醫(yī)學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量和效率。在實際手術(shù)中，醫(yī)生主要依靠視覺與觸覺反饋信息進(jìn)行手術(shù)操作，因此虛擬手術(shù)系統(tǒng)大都是針對視覺與觸覺兩大方面的仿真研究，通過視覺反饋直觀地呈現(xiàn)出逼真的虛擬手術(shù)場景及操作對象，利用觸覺反饋感受虛擬環(huán)境中力的作用并對操作作出及時、正確的判斷［4］。

1.2醫(yī)學(xué)虛擬實驗室

虛擬實驗室就是以計算機網(wǎng)絡(luò)為核心，將虛擬儀器通過網(wǎng)絡(luò)連接起來，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析和遠(yuǎn)程操作的一個系統(tǒng)［5］。醫(yī)學(xué)虛擬實驗?zāi)Ｐ偷目缂夹g(shù)實現(xiàn)研究基于對適用技術(shù)思想、戴爾經(jīng)驗之塔理論進(jìn)行的梳理和分析，提出了醫(yī)學(xué)虛擬實驗?zāi)Ｐ烷_發(fā)的跨技術(shù)概念［6］。虛擬實驗室的硬件是解決信號的輸入和輸出，軟件能很方便的改變、增減、改善系統(tǒng)的功能與規(guī)模，虛擬實驗室的軟件一般多用基于圖形方式的LAB V IEW語言編寫［3］。在虛擬實驗室中，醫(yī)學(xué)生可以自主設(shè)計實驗，充分提高了學(xué)生的創(chuàng)新和動手能力。特別是一些現(xiàn)實中危險系數(shù)較高的實驗，通過虛擬實驗室的方式也可以讓學(xué)生們有更多的體會。虛擬實驗室的實驗可重復(fù)性也將提高學(xué)生的科研能力，即使找到實驗的不足加以彌補，高校、便捷、節(jié)約資源。由此衍生出的虛擬實驗?zāi)Ｐ蛯︶t(yī)學(xué)生的實踐操作能力提升也有很大的輔助作用。

2　虛擬現(xiàn)實在疾病治療中的應(yīng)用

2.1虛擬現(xiàn)實在腦卒中治療中的作用

Kim N［7］等人對于腦卒中患者的治療研究中發(fā)現(xiàn)，基于社區(qū)的虛擬現(xiàn)實跑步機訓(xùn)練可有效改善中風(fēng)患者的平衡能力。Laver KE［8］等人也表明，虛擬現(xiàn)實技術(shù)和交互式視頻游戲作為常規(guī)治療可以改善上肢和日常生活活動功能，有足夠的證據(jù)來證明虛擬現(xiàn)實和交互式視頻游戲能夠改善握力、步態(tài)速度或整體運動功能。國內(nèi)的研究也發(fā)現(xiàn)，腦卒中患者在虛擬仿真的環(huán)境中進(jìn)行運動康復(fù)治療，有效改善步行穩(wěn)定性和對稱性，避免了傳統(tǒng)康復(fù)治療過程中的枯燥乏味、單一重復(fù)的訓(xùn)練模式，有效克服傳統(tǒng)康復(fù)治療的局限性和單一性，提高患者治療的積極性、主動性和參與性，促使其更快更好的回歸社會和家庭［9］。

2.2虛擬現(xiàn)實在心理疾病治療中的應(yīng)用

Freedman SA等［10］發(fā)現(xiàn)，在暴露于創(chuàng)傷應(yīng)激后約有20%的人會出現(xiàn)創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙（PTSD），針對這種心理問題，基于互聯(lián)網(wǎng)的早期干預(yù)對于疾病的預(yù)后有積極的影響。虛擬現(xiàn)實療法也較多關(guān)注恐懼癥的治療，例如蜘蛛恐懼癥、恐高癥等［11］。在焦慮的治療方面實驗研究表明，虛擬現(xiàn)實暴露療法在治療焦慮障礙時是有效的，試經(jīng)治療之后，對情境的控制感和自我效能感提升，消極自我評價降低，對創(chuàng)傷事件的容忍力提高，重新獲得對情境的控制感［12］。Meyerbr?ker K，Emmelkamp PM［13］的研究也證實虛擬現(xiàn)實暴露療法（VRET）已成為治療焦慮障礙的一個不錯選擇。過去的幾年中，臨床和相關(guān)研究領(lǐng)域已經(jīng)有研究者開始使用虛擬現(xiàn)實手段制定特定的虛擬情景并將患者暴露其中從而引發(fā)其焦慮，達(dá)到治療焦慮障礙的目的［11］。在其他心理疾病的治療中，例如注意缺陷障礙、進(jìn)食障礙和精神分裂癥等，虛擬現(xiàn)實以其客觀性和可靠性避免了傳統(tǒng)診斷的主觀性和矛盾性［14］。

3　虛擬現(xiàn)實在醫(yī)學(xué)影像學(xué)中的應(yīng)用

3.1醫(yī)學(xué)虛擬內(nèi)窺鏡技術(shù)

醫(yī)學(xué)虛擬內(nèi)窺鏡技術(shù)（Virtual Endoscopy VE）是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像技術(shù)與計算機圖形學(xué)、數(shù)字圖像處理技術(shù)、科學(xué)可視化技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等現(xiàn)代化技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，這項新的技術(shù)通過CT、MRI等醫(yī)學(xué)掃描設(shè)備獲取人體的二維切片數(shù)據(jù)，通過計算機將采集到的數(shù)據(jù)生成人體各個器官的三維模型，之后對生成的三維模型進(jìn)行可視化顯示［15］。從某種程度來講，虛擬內(nèi)窺鏡技術(shù)在一定程度上更加精確地診斷患者病情減少了手術(shù)的風(fēng)險，它具有非侵入性、重復(fù)使用、動態(tài)病理分析、無檢查死角等獨特優(yōu)點［16］。虛擬內(nèi)窺鏡憑借其良好的檢查效果，更加人性化的治療將逐漸成為未來醫(yī)學(xué)影像的發(fā)展方向，具有廣泛的應(yīng)用前景。

3.2基于虛擬現(xiàn)實的器官三維重建

運用虛擬現(xiàn)實建模語言（Virtual Reality Modeling Language，VRML）技術(shù)進(jìn)行醫(yī)學(xué)人體數(shù)據(jù)的三維重建是目前國內(nèi)不同于傳統(tǒng)三維重建技術(shù)的一種新方法，運用VRML建模不論從重建效果還是從實時交互性方面都有其獨到之處［17］。王明炎［18］等提出了虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的女性盆腔三維重建和可視化理念，由于女性盆腔解剖結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且容納了較多由軟組織構(gòu)成臟器，目前現(xiàn)有的建模數(shù)據(jù)不夠充分。研究采用正常女性盆腔CT掃描數(shù)據(jù)在Dextro scope平臺對骨盆和盆腔內(nèi)的主要臟器進(jìn)行三維重建，并在虛擬現(xiàn)實環(huán)境下進(jìn)行虛擬手術(shù)的操作，使模擬手術(shù)更為簡便和真實。

4　總結(jié)與展望

隨著計算機、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍及作用也得到了提升，但是離我們對于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的期待還有一定的距離。由于虛擬現(xiàn)實技術(shù)是多學(xué)科的交叉應(yīng)用，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域還有待發(fā)展，某些現(xiàn)有的應(yīng)用還存不足［19］。相信隨著科技的進(jìn)步和發(fā)展，以及醫(yī)學(xué)信息化建設(shè)的普及，虛擬現(xiàn)實技術(shù)將在醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域得到更廣泛、更深入的應(yīng)用，這也必將在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域產(chǎn)生更大的變革［3］。相信在不久的將來，虛擬現(xiàn)實技術(shù)將廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)教學(xué)科研和工作中，為提升醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量做出一定的貢獻(xiàn)。

［1］許微.虛擬現(xiàn)實技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2009（2）：279-280.

［2］馬愛勝.虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展與展望［J］.電子制作.2015（04）：101.

［3］張晗.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用探討［J］.西北醫(yī)學(xué)教育，2010（01）：48-51.

［4］朱玲.虛擬手術(shù)中軟組織形變與切割技術(shù)研究［D］.哈爾濱工程大學(xué)，2012.

［5］黃慕雄.高校教學(xué)型虛擬實驗室建設(shè)的現(xiàn)狀與建議［J］.電化教育研究，2005（09）：77-80.

［6］范楊慧.醫(yī)學(xué)虛擬實驗?zāi)Ｐ偷目缂夹g(shù)實現(xiàn)研究［D］.吉林大學(xué)，2013.

［7］Kim N，Park Y，Lee BH.Effects of community-based virtual reality treadmill training on balance ability in patients with chronic stroke. J Phys Ther Sci.2015，27（3）：655-658.

［8］Laver KE，et，al.Virtual reality for stroke rehabilitation.Cochrane Database Syst Rev.2015，2.

［9］趙一瑾.虛擬現(xiàn)實技術(shù)對腦卒中后偏癱步態(tài)影響的臨床研究［D］.南方醫(yī)科大學(xué)，2014.

［10］Freedman SA，et al.Early intervention for preventing posttraumatic stress disorder：an Internet-based virtual reality treatment.Eur J Psychotraumatol.2015，6：25608.

［11］王雪，王廣新.虛擬現(xiàn)實暴露療法在心理治療中的應(yīng)用研究綜述［J］.心理技術(shù)與應(yīng)用，2014（12）：13-18.

［12］王廣新，李立.焦慮障礙的虛擬現(xiàn)實暴露療法研究述評［J］.心理科學(xué)進(jìn)展，2012（08）.

［13］Meyerbr?ker K，Emmelkamp PM.Virtual reality exposure therapy in anxiety disorders：a systematic review of process-and-outcome studies. Depress Anxiety，2010，27（10）：933-944.

［14］李濤.心理治療技術(shù)的新發(fā)展：虛擬現(xiàn)實及其應(yīng)用［J］.陜西師范大學(xué)學(xué)報（哲學(xué)社會科學(xué)版），2005（02）：119-122.

［15］楊坤.醫(yī)學(xué)虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的研究［D］.西安理工大學(xué)，2007.

［16］任高宏，裴國獻(xiàn).虛擬技術(shù)對21世紀(jì)微創(chuàng)外科發(fā)展的影響［J］.中華創(chuàng)傷骨科雜志，2004（08）.

［17］徐剛，王春燕.基于虛擬現(xiàn)實建模語言的醫(yī)學(xué)體數(shù)據(jù)三維重建研究［J］.自動化與儀器儀表，2012（04）：38-40.

［18］王明炎，陳春林，彭浩，等.虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的女性盆腔三維重建和可視化［J］.解剖學(xué)雜志.2008（04）：564-566.

［19］霍妍，婁巖.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用研究與設(shè)計［J］.中國醫(yī)學(xué)工程，2014（09）：191-192.

劉尚輝。

項目來源：黑河學(xué)院教育科學(xué)研究專項課題“《環(huán)境監(jiān)測》4A網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)與應(yīng)用實踐研究”。

本文為遼寧省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃2014年度課題“醫(yī)學(xué)虛擬現(xiàn)實（VR）實驗室系統(tǒng)設(shè)計與建設(shè)”（項目編號：JG14DB451）以及中國醫(yī)科大學(xué)“十二五”第四批醫(yī)學(xué)教育科學(xué)研究立項課題（項目編號：YDJK2014013）的階段研究成果。