虛擬現(xiàn)實技術在醫(yī)學中的應用

顧楚涵

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

關鍵詞 虛擬現(xiàn)實；醫(yī)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(xiàn)實（Virtual？Reality？VR）技術是以計算機技術為核心，結(jié)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(xiàn)實技術發(fā)源于美國，這一概念在20世紀60年代就已經(jīng)被提出，但在當時計算機技術本身并未成熟，因此VR發(fā)展受到一定限制，處于醞釀形成階段；之后隨著數(shù)字化技術的高速發(fā)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?qū)嵺`轉(zhuǎn)化，這一技術已應用于軍事、醫(yī)學、生產(chǎn)等領域，改善著人們的生產(chǎn)生活。隨著大數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)應用的興起，智能化也成為新時期VR研究的重點。在醫(yī)學領域中，虛擬現(xiàn)實技術的應用也不斷增多，如醫(yī)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(fā)展，為VR技術的發(fā)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(fā)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(yè)化。實現(xiàn)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(nèi)容的生成[1]。一般來說，VR中的數(shù)字化內(nèi)容生成需要經(jīng)過獲取、理解、建模、呈現(xiàn)這4個步驟。VR內(nèi)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(huán)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(xiàn)實世界“同步”發(fā)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(xiàn)。

2 醫(yī)學領域應用現(xiàn)狀

2.1 醫(yī)學教育

在醫(yī)學教育中，如何讓醫(yī)學生理解人體的形態(tài)結(jié)構(gòu)是醫(yī)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(tài)上也存在較大差異。這就造成了醫(yī)學生畢業(yè)后還需要進行較長時間的培訓，使得醫(yī)生的培養(yǎng)周期較長，且成本較高。而虛擬現(xiàn)實技術的出現(xiàn)為醫(yī)學教育提供了一種全新的手段。借助它，人們可以構(gòu)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(zhuǎn)或是展示單獨或部分的人體系統(tǒng)。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(tǒng)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(fā)了一款虛擬現(xiàn)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(chǎn)品是一個完整的虛擬現(xiàn)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(jié)構(gòu)，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(tǒng)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(xiàn)實技術的出現(xiàn)能夠使醫(yī)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(yī)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(yī)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(yī)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(yè)的醫(yī)生，從而錯過最佳的手術時機。而遠程醫(yī)療的出現(xiàn)則打破了這種空間上的限制，借助虛擬現(xiàn)實技術，則能夠進一步提高遠程醫(yī)療的準確性與安全性。因此，在遠程醫(yī)療過程中，醫(yī)生可以借助虛擬顯示技術、網(wǎng)絡技術遠程操控手術機器人或是指導另一端的醫(yī)生完成手術。在手術前，醫(yī)生可通過虛擬的患者模型來制定手術計劃，之后利用網(wǎng)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(xiàn)給醫(yī)生，讓醫(yī)生能夠及時監(jiān)測和指導手術過程。？虛擬現(xiàn)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(huán)境因素導致的。VR技術可以構(gòu)建出虛擬環(huán)境，通過適時調(diào)節(jié)參數(shù)，讓患者逐漸適應環(huán)境，進而改善心理問題[5]。虛擬現(xiàn)實技術在輔助治療中發(fā)揮了重要作用，它的應用能夠幫助醫(yī)生解決在治療過程中遇到的如空間限制、數(shù)據(jù)監(jiān)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(yī)療的實施還需借助網(wǎng)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(tài)的評估準確性還存在瓶頸等。

2.3 康復

虛擬現(xiàn)實技術可應用于帕金森病凍結(jié)步態(tài)康復。凍結(jié)步態(tài)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(tǒng)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(xù)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(huán)境，提供有挑戰(zhàn)性的訓練任務，同時可在常規(guī)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(diào)動患者訓練的積極性，降低跌倒風險，同時使改善得到持？續(xù)[6]。但由于帕金森病本身的病理生理機制尚未明確，虛擬現(xiàn)實的應用還處在早期研究階段。

在燒傷康復中，傳統(tǒng)的康復訓練多為牽伸或持續(xù)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(xiàn)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(shù)據(jù)手套），能夠有效改善患者的運動能力。

3 討論

雖然虛擬現(xiàn)實技術在醫(yī)學中的應用發(fā)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(huán)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(xiàn)實世界中的諸多性質(zhì)。用戶可交互、可操作的功能有限，在多數(shù)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(huán)境多種方式互動。虛擬和真實世界難以達到融合，虛擬環(huán)境中的對象無法實現(xiàn)自身演化，缺乏生命力，在醫(yī)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(tài)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(yī)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(shù)據(jù)能力上的不足，都會影響虛擬環(huán)境呈現(xiàn)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(yī)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(guī)模普及。同時，構(gòu)建虛擬人體、虛擬環(huán)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(xiàn)。此外，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)本身存在使用者在虛擬環(huán)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(jié)論

VR技術自20世紀60年代在美國提出，發(fā)展至今，基本原理和實現(xiàn)方法已初步形成，并已應用在多個領域中。在醫(yī)學上，VR技術的發(fā)展與應用對醫(yī)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(xiàn)在克服了現(xiàn)實中醫(yī)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(xiàn)實技術是多學科多領域相互交叉、滲透、融合的產(chǎn)物，在計算機、網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)等技術方面的欠缺也會制約其發(fā)展。但這項新興技術還有著很大發(fā)展空間，將會有越來越多的技術人員與企業(yè)投入到VR的研發(fā)中，未來，隨著技術的不斷成熟、完善，將會為醫(yī)學領域帶來新的突破與變革。

參考文獻

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