虛擬現實技術在醫學中的應用

顧楚涵

摘 要 本文首先介紹了虛擬現實技術的概念、發展歷程及其具有的沉浸感、交互性、構想性的特點，接著分析了實現虛擬現實的基本原理，之后從醫學教育、輔助治療、康復三個方面闡述了其發展現狀，最后討論了其面臨的技術、推廣問題，并對其未來發展進行了展望。

關鍵詞 虛擬現實；醫學；教學；輔助治療

中圖分類號 TP3 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2019）231-0129-02

1 VR技術概述

虛擬現實（Virtual？Reality？VR）技術是以計算機技術為核心，結合圖形學、仿真技術、傳感技術等多學科交叉的一項前沿科技[1]。該技術的應用能夠生成逼真的感覺世界，讓使用者使用人的自然技能，如視覺、聽覺、嗅覺、觸覺等，對虛擬世界進行感知、交互，模擬真實體驗。虛擬現實技術發源于美國，這一概念在20世紀60年代就已經被提出，但在當時計算機技術本身并未成熟，因此VR發展受到一定限制，處于醞釀形成階段；之后隨著數字化技術的高速發展，VR變得精確、直觀和形象化；到20世紀80年代，其理論逐漸向實踐轉化，這一技術已應用于軍事、醫學、生產等領域，改善著人們的生產生活。隨著大數據和互聯網應用的興起，智能化也成為新時期VR研究的重點。在醫學領域中，虛擬現實技術的應用也不斷增多，如醫學教育、輔助治療、康復等[2]。

目前，VR技術處于廣泛應用階段。軟、硬件設備的飛速發展，為VR技術的發展帶來了很大變革。與此同時，VR技術在國家層面上也獲得了高度重視，與其相關的諸多領域已成為國家重點基礎研究發展項目。VR研究和應用正向高端和民用兩個方向拓展，開始普及化和商業化。實現VR技術需要的硬件有顯示設備、交互設備、專用芯片等，但最主要的是VR內容的生成[1]。一般來說，VR中的數字化內容生成需要經過獲取、理解、建模、呈現這4個步驟。VR內容的獲取一般通過光學方法，采集對象信息，也可通過模擬人的視覺方式計算立體信息；人體運動捕捉則需應用電動機械、電磁等技術；對信息的分析、理解往往需要利用相應的算法完成，近年來，深度學習技術的應用越來越多；VR建模主要利用包括真實感實時繪制技術（能模擬出物體的物理特性）、虛擬環境建造技術（在建模的基礎上進行實時繪制及三維顯示，與現實世界“同步”發展）完成； VR交互可以使用智能語音交互、體感交互、腦機接口技術及眼動跟蹤技術等實現。

2 醫學領域應用現狀

2.1 醫學教育

在醫學教育中，如何讓醫學生理解人體的形態結構是醫學院校教學過程中的難題。以前，只能讓學生觀看各種人體標本、模型、掛圖等，解剖課程由于尸體來源少，只有部分學生有實踐的機會。此外，這些模型、標本、尸體與活體器官在形態上也存在較大差異。這就造成了醫學生畢業后還需要進行較長時間的培訓，使得醫生的培養周期較長，且成本較高。而虛擬現實技術的出現為醫學教育提供了一種全新的手段。借助它，人們可以構建出虛擬的三維人體模型，同時學生可以通過手勢、語音等命令對模型進行操作，如放大、縮小、旋轉或是展示單獨或部分的人體系統。虛擬人體模型還能夠讓學生進行模擬解剖操作，并能夠使學生在操作時獲得一定的反饋，如當血管破裂時會有血液流出等。相比傳統的尸體解剖，這種方式的成本較低，沒有時間、場地等限制[3]。2017年，Medis？Media公司開發了一款虛擬現實應用——《3D？Organon？VR？ Anatomy》，該應用同時支持Oculus？Rift和HTC？ Vive兩款VR眼鏡。該產品是一個完整的虛擬現實版的解剖圖集，用戶可以利用它探索超過4？000個真實的解剖學結構，其中的肌肉、骨骼和器官等還可以移除。

在臨床技能培訓方面，傳統的方式如動物實驗、手術觀摩等方式受到場地、資源等的限制，培訓的效果、效率很難保證。而虛擬現實技術的出現能夠使醫學生很方便地進行模擬手術等技能訓練，并獲得自己訓練的記錄、評分等信息。此外，醫生在術前進行手術計劃制定時亦可以使用虛擬顯示技術，并進行模擬操作，從而使醫生在實際手術時更有把握，成功率更高[4]。

2.2 輔助治療

在醫療實踐過程中，當病人患有急危重癥急需手術時，可能會因時間、空間原因不能及時找專業的醫生，從而錯過最佳的手術時機。而遠程醫療的出現則打破了這種空間上的限制，借助虛擬現實技術，則能夠進一步提高遠程醫療的準確性與安全性。因此，在遠程醫療過程中，醫生可以借助虛擬顯示技術、網絡技術遠程操控手術機器人或是指導另一端的醫生完成手術。在手術前，醫生可通過虛擬的患者模型來制定手術計劃，之后利用網絡實際操作手術機器人，手術過程可通過VR眼鏡等設備實時呈現給醫生，讓醫生能夠及時監測和指導手術過程。？虛擬現實技術也能夠輔助進行心理治療。一些心理精神疾病，如恐懼癥、焦慮癥、精神分裂癥等，大部分是由環境因素導致的。VR技術可以構建出虛擬環境，通過適時調節參數，讓患者逐漸適應環境，進而改善心理問題[5]。虛擬現實技術在輔助治療中發揮了重要作用，它的應用能夠幫助醫生解決在治療過程中遇到的如空間限制、數據監測與處理能力不足等問題，提高治療的成功率，也降低了風險，但也存在一些問題，如遠程醫療的實施還需借助網絡技術、機器人制造技術的成熟，需要多學科多領域的交叉；在心理治療過程中對患者的心理狀態的評估準確性還存在瓶頸等。

2.3 康復

虛擬現實技術可應用于帕金森病凍結步態康復。凍結步態是帕金森病晚期的破壞性癥狀，使患者行動困難、有跌倒風險，具有間歇性和不可預測性。傳統的康復方法是采用跑步機訓練，但這種方式不能從根本上使患者行走能力康復，且效果持續時間短。因此，許多研究者希望記住VR技術改善在帕金森病患者的康復效果。研究者利用VR技術虛擬出較為復雜的環境，提供有挑戰性的訓練任務，同時可在常規步行、越過障礙物、步行速度等方面進行針對性地訓練。這種訓練方式能夠調動患者訓練的積極性，降低跌倒風險，同時使改善得到持？續[6]。但由于帕金森病本身的病理生理機制尚未明確，虛擬現實的應用還處在早期研究階段。

在燒傷康復中，傳統的康復訓練多為牽伸或持續被動訓練，這種方法具有強制性，會導致患者疼痛，存在許多弊端。有研究者利用虛擬現實技術設計了一種仿真鋼琴，可顯著改善偏癱患者手及手臂功能。該訓練采用CyberGloves手套（一種VR數據手套），能夠有效改善患者的運動能力。

3 討論

雖然虛擬現實技術在醫學中的應用發展很快，但也面臨許多技術、推廣應用中的問題。

在技術方面，VR環境的智能程度較低，只能對場景進行模擬，而無法還原物體在現實世界中的諸多性質。用戶可交互、可操作的功能有限，在多數情況下用戶只可以通過視覺進行觀察，難以通過其他感官與虛擬環境多種方式互動。虛擬和真實世界難以達到融合，虛擬環境中的對象無法實現自身演化，缺乏生命力，在醫療領域的許多應用無法達到理想的效果。圖像識別技術不成熟，在復雜圖形、動態圖像方面，信息篩選、識別的正確率和精確率均較低，難以滿足在醫學領域應用的要求。實時三維建模技術缺乏，儲存、處理龐大的信息量和數據能力上的不足，都會影響虛擬環境呈現的整體沉浸感。除技術方面需求較高外，VR技術在應用和推廣過程中也面臨困難。目前，應用在醫學領域的高精度VR設備成本高，且能掌握熟練操作技能的人才較少，使得這項技術難以大規模普及。同時，構建虛擬人體、虛擬環境的設備價格昂貴，進一步制約了其推廣應用。3D模型的建設過程繁瑣、精密程度高，在技術上難以充分實現。此外，虛擬現實系統本身存在使用者在虛擬環境下容易失去方向感，導致暈動病，可能會影響手術操作的準確性。

4 結論

VR技術自20世紀60年代在美國提出，發展至今，基本原理和實現方法已初步形成，并已應用在多個領域中。在醫學上，VR技術的發展與應用對醫學教育、輔助治療、康復等方面提供了很大幫助。其作用主要體現在克服了現實中醫療資源少、成本高的缺陷，打破空間限制。但VR技術的應用成本較高，硬件和軟件條件仍有所不足；虛擬現實技術是多學科多領域相互交叉、滲透、融合的產物，在計算機、網絡、數據等技術方面的欠缺也會制約其發展。但這項新興技術還有著很大發展空間，將會有越來越多的技術人員與企業投入到VR的研發中，未來，隨著技術的不斷成熟、完善，將會為醫學領域帶來新的突破與變革。

參考文獻

[1]趙沁平，周彬，李甲，等.虛擬現實技術研究進展[J].科技導報，2016，34（14）：71-75.

[2]吳志利，鄧輝勝.虛擬現實技術在臨床技能培訓中的應用進展[J].中國繼續醫學教育，2018，10（32）：17-19.

[3]王丹，張紅星，徐派的，等.虛擬現實技術在醫學領域的應用[J].湖北中醫雜志，2018，40（9）：64-66.

[4]楊懿農，向長和，饒利兵，等.利用虛擬現實技術構建虛擬人體科學館[J].解剖學雜志，2018，41（4）：488-489.

[5]李嬰歌，楊家興，劉子玉，等.關于虛擬現實技術在心理診療中的創新應用方法探析[J].科技風，2018（18）：63.

[6]余彬，曾慶，黃國志.頭戴式虛擬現實系統在運動康復治療中的應用進展[J].中國康復醫學雜志，2018，33（6）：734-737.