計算機圖形學(xué)之虛擬現(xiàn)實在醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用教程文件

1、計算機圖形學(xué)之虛擬現(xiàn)實在醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用 基本簡介基本簡介：虛擬現(xiàn)實技術(shù)是仿真技術(shù)的一個重要方向是仿真技術(shù)與計算機圖形學(xué)人機接口技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)的集合是一門富有挑戰(zhàn)性的交叉技術(shù)前沿學(xué)科和研究領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VR)主要包括模擬環(huán)境、感知、自然技能和傳感設(shè)備等方面。模擬環(huán)境是由計算機生成的實時動態(tài)的三維立體逼真圖像。感知是指理想的VR應(yīng)該具有一切人所具有的感知。除計算機圖形技術(shù)所生成的視覺感知外，還有聽覺、觸覺、力覺、運動等感知，甚至還包括嗅覺和味覺等，也稱為多感知。自然技能是指人的頭部轉(zhuǎn)動，眼睛、手勢、或其他人體行為動作，由計算機來處理與參與者的動作相適應(yīng)的數(shù)據(jù)，

2、并對用戶的輸入作出實時響應(yīng)，并分別反饋到用戶的五官。傳感設(shè)備是指三維交互設(shè)備。 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用：虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用：隨著近些年來VR技術(shù)的愈發(fā)成熟，目前在很多方面上都有廣泛的應(yīng)用。比如娛樂方面的3D電影行業(yè)和網(wǎng)絡(luò)游戲、工業(yè)上的工業(yè)和汽車仿真、能源上的油田礦井和水利電力、軍事航空上的模擬訓(xùn)練和衛(wèi)星發(fā)射，以及旅游和醫(yī)學(xué)等各方面的應(yīng)用。醫(yī)療領(lǐng)域虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用：醫(yī)療領(lǐng)域虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用：VR在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用具有十分重要的現(xiàn)實意義。在虛擬環(huán)境中，可以建立虛擬的人體模型，借助于跟蹤球、HMD、感覺手套，學(xué)生可以很容易了解人體內(nèi)部各器官結(jié)構(gòu)，這比現(xiàn)有的采用教科書的方式要有效得多。Pieper及Sa

3、tara等研究者在90年代初基于兩個SGI工作站建立了一個虛擬外科手術(shù)訓(xùn)練器，用于腿部及腹部外科手術(shù)模擬。這個虛擬的環(huán)境包括虛擬的手術(shù)臺與手術(shù)燈，虛擬的外科工具（如手術(shù)刀、注射器、手術(shù)鉗等），虛擬的人體模型與器官等。借助于HMD及感覺手套，使用者可以對虛擬的人體模型進行手術(shù)。但該系統(tǒng)有待進一步改進，如需提高環(huán)境的真實感，增加網(wǎng)絡(luò)功能，使其能同時培訓(xùn)多個使用者，或可在外地專家的指導(dǎo)下工作等。手術(shù)后果預(yù)測及改善殘疾人生活狀況，乃至新型藥物的研制等方面，VR技術(shù)都有十分重要的意義。在醫(yī)學(xué)院校，學(xué)生可在虛擬實驗室中，進行“尸體”解剖和各種手術(shù)練習(xí)。用這項技術(shù)，由于不受標本、場地等的限制，所以培訓(xùn)費用大

4、大降低。一些用于醫(yī)學(xué)培訓(xùn)、實習(xí)和研究的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，仿真程度非常高，其優(yōu)越性和效果是不可估量和不可比擬的。例如，導(dǎo)管插入動脈的模擬器，可以使學(xué)生反復(fù)實踐導(dǎo)管插入動脈時的操作；眼睛手術(shù)模擬器，根據(jù)人眼的前眼結(jié)構(gòu)創(chuàng)造出三維立體圖像，并帶有實時的觸覺反饋，學(xué)生利用它可以觀察模擬移去晶狀體的全過程，并觀察到眼睛前部結(jié)構(gòu)的血管、虹膜和鞏膜組織。及角膜的透明度等。還有麻醉虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、口腔手術(shù)模擬器等。外科醫(yī)生在真正動手術(shù)之前，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)的幫助，能在顯示器上重復(fù)地模擬手術(shù)，移動人體內(nèi)的器官，尋找最佳手術(shù)方案并提高熟練度。在遠距離遙控外科手術(shù)，復(fù)雜手術(shù)的計劃安排，手術(shù)過程的信息指導(dǎo)，手術(shù)后果預(yù)測及改善

5、殘疾人生活狀況，乃至新藥研制等方面，虛擬現(xiàn)實技術(shù)都能發(fā)揮十分重要的作用。 虛擬現(xiàn)實在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用大致上有兩類。一是虛擬人體，也就是數(shù)字化人體，這樣的人體模型醫(yī)生更容易了解人體的構(gòu)造和功能。另一是虛擬手術(shù)系統(tǒng)，可用于指導(dǎo)手術(shù)的進行。虛擬人體就是利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)建造人體模型。在做這種項目的時候并不像想象中的那么簡單，首先必須詳細了解人體結(jié)構(gòu)，這就需要十分深入的知識，或者全面的知識科普。其次，運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)建造虛擬人體的時候，必須要注意層次結(jié)構(gòu)，不能僅僅是技術(shù)或者軟件的簡單操作，而應(yīng)該結(jié)合人體結(jié)構(gòu)知識進行。 虛擬人體的與現(xiàn)實人體相比，其優(yōu)點也是顯而易見的。第一，從操作角度來說，虛擬人體雖然只是一個

6、模型，但是因為其核心技術(shù)是虛擬現(xiàn)實，也能實現(xiàn)互動比如選擇性觀察、內(nèi)部解剖等。第二，普通的人體模型需要大量的人力物力進行保存管理，而且保存的時間不長，但是虛擬人體完全沒有這方面的憂慮，這也是虛擬模型的突出優(yōu)勢。通過這兩個方面的結(jié)合，可以看出，虛擬人體可以讓醫(yī)生更方便的學(xué)習(xí)和了解人體的構(gòu)造以及功能。如果非要找出它有所欠缺之處，大概就是在實體感官上了。還是會有很多人固執(zhí)地糾結(jié)“虛擬人體不能帶來百分百的真實感，這樣會使得學(xué)習(xí)過程中感覺失真，感受不深”等問題。這種問題的看法見仁見智，但是事實卻是：虛擬人體的使用越來越廣泛了。另一種是虛擬手術(shù)系統(tǒng)，這也是三維互動系統(tǒng)的內(nèi)容，也是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域教育培訓(xùn)的平臺之一。

7、虛擬手術(shù)系統(tǒng)是通過三維互動系統(tǒng)呈現(xiàn)手術(shù)的過程。但是因為是三維互動，所以并不會只是簡單的操作現(xiàn)實，而是可以進行“互動”讓學(xué)習(xí)者可以進行虛擬操作，并根據(jù)系統(tǒng)程序顯示“手術(shù)結(jié)果”。這樣既能達到教學(xué)的目的，也能取得一定程度上的“實操”體驗效果。因為虛擬手術(shù)系統(tǒng)的制作不僅對醫(yī)學(xué)知識、虛擬現(xiàn)實技術(shù)以及系統(tǒng)編程的技術(shù)水平要求非常之高，而且對于這三者的結(jié)合運用要求更高，所以這種系統(tǒng)現(xiàn)階段并不能廣泛被開發(fā)應(yīng)用，反而只是一般展示培訓(xùn)教學(xué)作用的醫(yī)學(xué)動畫被應(yīng)用得更多。而國內(nèi)許多做三維互動系統(tǒng)、三維動畫的虛擬現(xiàn)實公司并沒有達到做這方面項目的技術(shù)要求。虛擬現(xiàn)實在醫(yī)學(xué)上的六種應(yīng)虛擬現(xiàn)實在醫(yī)學(xué)上的六種應(yīng)用用 1.解決截肢者的

8、幻痛煩惱： 截肢受害者中最常見的煩惱就是幻肢痛 - 患者感到被切斷的肢體仍在，且在該處發(fā)生疼痛。疼痛多在斷肢的遠端出現(xiàn)，疼痛性質(zhì)有多種，如電擊樣、切割樣、撕裂樣或燒傷樣等。對幻肢痛的發(fā)生原理，目前尚無統(tǒng)一意見，西醫(yī)亦乏有效療法。很有可能大腦對肢體仍然存有意識，即使它已經(jīng)不存在了。盡管這樣的問題發(fā)生存在一定的頻率，但至今沒有一種有效地方法適用于所有的截肢者。 2.舒緩燒傷受害者的痛苦： 燒傷患者同樣可以利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來減輕疼痛，患者可以通過一個叫做SnowWorld的虛擬現(xiàn)實游戲可以緩解燒傷治療后的痛苦（比如誘導(dǎo)“皮膚伸展”療法），這個游戲最早是由位于梅伍德（Maywood，位于美國），伊利諾

9、伊州的羅耀拉大學(xué)醫(yī)院（Loyola University Hospital）開始應(yīng)用。在這個虛擬冰雪世界中，病人可以飛躍冰雪覆蓋的峽谷，下面是冰冷的河流和瀑布，水面上狹窄的浮冰上有很多雪人、冰屋、機器人和企鵝，可以向他們投擲雪球。病人的注意力被吸引到冰雪世界中，不再關(guān)注自己的傷痛，從而在清涼幻覺中有效減輕痛楚。經(jīng)過MRI檢查結(jié)果和病人的體驗結(jié)果證實它是成功的。 3.治療士兵患有的創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙（PTSD）：VR能夠有效治療從戰(zhàn)場返回患有創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙的士兵。治療中，VR設(shè)備會將會把士兵帶回戰(zhàn)爭的一個場景，讓他們再次“經(jīng)歷”戰(zhàn)爭和死亡，使其在適當(dāng)?shù)膲毫ο轮饾u學(xué)會處理，控制自己的情緒。雖然很多人對

10、于這種治療方式存在爭議，支持者說使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)與其他的治療方式相結(jié)合會達到非常很理想的治療效果。VR可以幫助治療的心理障礙并不僅僅局限于創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙。 虛擬現(xiàn)實醫(yī)療中心（The Virtual Reality Medical Center）對于恐懼癥，焦慮癥和驚恐障礙都都有很不錯的治療效果。 4.治療兒童自閉癥： 虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)證實了其在治療兒童自閉癥方面的能力。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)為自閉癥患者創(chuàng)造一種安全、無威脅的技能實踐教育環(huán)境以訓(xùn)練其社會技能，使患者與電腦之間存在積極而且豐富的互動。之所以可以達到這種治療效果是因為兒童在電腦互動之間存在樂趣，大大降低了其對陌生環(huán)境和陌生人物的恐懼感。海

11、寧卡塞爾（Justine Cassell），西北大學(xué)（Northwestern University）的技術(shù)中心和社會行為的主任告訴NBC（美國全國廣播公司）News說，這個技術(shù)擁有可預(yù)測性，可控性和“無限的耐心”，他可以像一個非常負責(zé)人的老師來有效地教導(dǎo)這些孩子。 5.為學(xué)生提供手術(shù)練習(xí)的機會： 醫(yī)學(xué)院的學(xué)生并沒有太多自己動手實踐的機會，所以不會有嘗試和犯錯的可能。虛擬現(xiàn)實使其完成了一次從理論到實際操作的大跳躍，讓學(xué)生們也能夠多次經(jīng)歷手術(shù)臺，做到“熟能生巧”。最近虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用包括3D模擬一個女人的分娩過程，這能夠幫助醫(yī)生在手術(shù)之前做到更完善的籌備和提高對異常情況的處理能力。虛擬

12、現(xiàn)實技術(shù)還能夠提供其他任何手術(shù)類型的模擬器，從腦外科手術(shù)到整形手術(shù)。就像我們親自在現(xiàn)場所看到的，無論是從外觀還是感覺，就像真正的走進了手術(shù)室。 6.虛擬現(xiàn)實可以幫助酗酒者：韓國很久之前的一份報告顯示， 虛擬環(huán)境可以幫助到酗酒患者的治療。 調(diào)查人員為酗酒患者設(shè)置了三個虛擬環(huán)境： 第一個是放松的環(huán)境， 第二個是酗酒的危害， 第三個是展示酗酒者的形象。通過這些療法， 點查人員發(fā)現(xiàn)， 患者對酒精的腦部敏感度會大大降低。 但是這項研究僅僅是調(diào)查了12位患者， 所以我們需要進行更多的調(diào)查研究。 除了上面所說應(yīng)用之外，在臨床診斷上利用三維重構(gòu)技術(shù)開發(fā)的純軟件醫(yī)學(xué)虛擬現(xiàn)實已經(jīng)開發(fā)出許多虛擬內(nèi)窺鏡的軟件，可以使

13、醫(yī)生的視線在病人體內(nèi)甚至毛細血管中自由航行，這種動態(tài)的現(xiàn)實顯示對臨床診斷具有無比珍貴的價值。在整形外科領(lǐng)域，運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠模擬術(shù)后的效果，避免可能出現(xiàn)的不和諧之處。在遠程醫(yī)療領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實技術(shù)也有著巨大潛力，例如在偏遠的山區(qū)通過遠程醫(yī)療虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，患者不進城也能夠接受名醫(yī)的治療。對于危急病人，還可以實施遠程手術(shù)，這時醫(yī)生只要對病人模型進行手術(shù)，他的動作就可以通過衛(wèi)星傳送給遠處的手術(shù)機器人，手術(shù)的實際圖像通過機器人上的攝像機還能夠傳回到醫(yī)生的頭盔立體顯示器，并將其和虛擬病人模型進行疊加，為醫(yī)生提供有用的信息。總結(jié)總結(jié) 現(xiàn)在日新月異的計算機和電子技術(shù)為VR在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用提供了眾多的功能。然而，當(dāng)今醫(yī)學(xué)上VR的應(yīng)用仍然存在許多問題。主要有：1、安全問題：如何合理地使用傳感器，保證傳感器的生物相容性，檢測各種信息之間可能存在的沖突，以及控制誤差傳遞等。在無人工干預(yù)的情況下，它們應(yīng)當(dāng)能夠自動追蹤和處理隨時可能發(fā)生的任何異?，F(xiàn)象。2、使用效益：包括系統(tǒng)的精度、使用性能、人機交互性、是否為病人和醫(yī)生所接受等。3、社會因素：所有的這些技術(shù)并不是要用來取代醫(yī)生的作用，而只是為他們的工作提供額外的幫助和功能。4、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域上的應(yīng)用為臨床醫(yī)學(xué)和醫(yī)學(xué)教育提供了許多新的