虚拟现实技术在医学中的应用

作者:未知

  摘 要 本文首先介绍了虚拟现实技术的概念、发展历程及其具有的沉浸感、交互性、构想性的特点,接着分析了实现虚拟现实的基本原理,之后从医学教育、辅助治疗、康复三个方面阐述了其发展现状,最后讨论了其面临的技术、推广问题,并对其未来发展进行了展望。
  关键词 虚拟现实;医学;教学;辅助治疗
  中图分类号 TP3 文献标识码 A 文章编号 1674-6708(2019)231-0129-02
  1 VR技术概述
  虚拟现实(Virtual?Reality?VR)技术是以计算机技术为核心,结合图形学、仿真技术、传感技术等多学科交叉的一项前沿科技[1]。该技术的应用能够生成逼真的感觉世界,让使用者使用人的自然技能,如视觉、听觉、嗅觉、触觉等,对虚拟世界进行感知、交互,模拟真实体验。虚拟现实技术发源于美国,这一概念在20世纪60年代就已经被提出,但在当时计算机技术本身并未成熟,因此VR发展受到一定限制,处于酝酿形成阶段;之后随着数字化技术的高速发展,VR变得精确、直观和形象化;到20世纪80年代,其理论逐渐向实践转化,这一技术已应用于军事、医学、生产等领域,改善着人们的生产生活。随着大数据和互联网应用的兴起,智能化也成为新时期VR研究的重点。在医学领域中,虚拟现实技术的应用也不断增多,如医学教育、辅助治疗、康复等[2]。
  目前,VR技术处于广泛应用阶段。软、硬件设备的飞速发展,为VR技术的发展带来了很大变革。与此同时,VR技术在国家层面上也获得了高度重视,与其相关的诸多领域已成为国家重点基础研究发展项目。VR研究和应用正向高端和民用两个方向拓展,开始普及化和商业化。实现VR技术需要的硬件有显示设备、交互设备、专用芯片等,但最主要的是VR内容的生成[1]。一般来说,VR中的数字化内容生成需要经过获取、理解、建模、呈现这4个步骤。VR内容的获取一般通过光学方法,采集对象信息,也可通过模拟人的视觉方式计算立体信息;人体运动捕捉则需应用电动机械、电磁等技术;对信息的分析、理解往往需要利用相应的算法完成,近年来,深度学习技术的应用越来越多;VR建模主要利用包括真实感实时绘制技术(能模拟出物体的物理特性)、虚拟环境建造技术(在建模的基础上进行实时绘制及三维显示,与现实世界“同步”发展)完成; VR交互可以使用智能语音交互、体感交互、脑机接口技术及眼动跟踪技术等实现。
  2 医学领域应用现状
  2.1 医学教育
  在医学教育中,如何让医学生理解人体的形态结构是医学院校教学过程中的难题。以前,只能让学生观看各种人体标本、模型、挂图等,解剖课程由于尸体来源少,只有部分学生有实践的机会。此外,这些模型、标本、尸体与活体器官在形态上也存在较大差异。这就造成了医学生毕业后还需要进行较长时间的培训,使得医生的培养周期较长,且成本较高。而虚拟现实技术的出现为医学教育提供了一种全新的手段。借助它,人们可以构建出虚拟的三维人体模型,同时学生可以通过手势、语音等命令对模型进行操作,如放大、缩小、旋转或是展示单独或部分的人体系统。虚拟人体模型还能够让学生进行模拟解剖操作,并能够使学生在操作时获得一定的反馈,如当血管破裂时会有血液流出等。相比传统的尸体解剖,这种方式的成本较低,没有时间、场地等限制[3]。2017年,Medis?Media公司开发了一款虚拟现实应用——《3D?Organon?VR? Anatomy》,该应用同时支持Oculus?Rift和HTC? Vive两款VR眼镜。该产品是一个完整的虚拟现实版的解剖图集,用户可以利用它探索超过4?000个真实的解剖学结构,其中的肌肉、骨骼和器官等还可以移除。
  在临床技能培训方面,传统的方式如动物实验、手术观摩等方式受到场地、资源等的限制,培训的效果、效率很难保证。而虚拟现实技术的出现能够使医学生很方便地进行模拟手术等技能训练,并获得自己训练的记录、评分等信息。此外,医生在术前进行手术计划制定时亦可以使用虚拟显示技术,并进行模拟操作,从而使医生在实际手术时更有把握,成功率更高[4]。
  2.2 辅助治疗
  在医疗实践过程中,当病人患有急危重症急需手术时,可能会因时间、空间原因不能及时找专业的医生,从而错过最佳的手术时机。而远程医疗的出现则打破了这种空间上的限制,借助虚拟现实技术,则能够进一步提高远程医疗的准确性与安全性。因此,在远程医疗过程中,医生可以借助虚拟显示技术、网络技术远程操控手术机器人或是指导另一端的医生完成手术。在手术前,医生可通过虚拟的患者模型来制定手术计划,之后利用网络实际操作手术机器人,手术过程可通过VR眼镜等设备实时呈现给医生,让医生能够及时监测和指导手术过程。?虚拟现实技术也能够辅助进行心理治疗。一些心理精神疾病,如恐惧症、焦虑症、精神分裂症等,大部分是由环境因素导致的。VR技术可以构建出虚拟环境,通过适时调节参数,让患者逐渐适应环境,进而改善心理问题[5]。虚拟现实技术在辅助治疗中发挥了重要作用,它的应用能够帮助医生解决在治疗过程中遇到的如空间限制、数据监测与处理能力不足等问题,提高治疗的成功率,也降低了风险,但也存在一些问题,如远程医疗的实施还需借助网络技术、机器人制造技术的成熟,需要多学科多领域的交叉;在心理治疗过程中对患者的心理状态的评估准确性还存在瓶颈等。
  2.3 康复
  虚拟现实技术可应用于帕金森病冻结步态康复。冻结步态是帕金森病晚期的破坏性症状,使患者行动困难、有跌倒风险,具有间歇性和不可预测性。传统的康复方法是采用跑步机训练,但这种方式不能从根本上使患者行走能力康复,且效果持续时间短。因此,许多研究者希望记住VR技术改善在帕金森病患者的康復效果。研究者利用VR技术虚拟出较为复杂的环境,提供有挑战性的训练任务,同时可在常规步行、越过障碍物、步行速度等方面进行针对性地训练。这种训练方式能够调动患者训练的积极性,降低跌倒风险,同时使改善得到持?续[6]。但由于帕金森病本身的病理生理机制尚未明确,虚拟现实的应用还处在早期研究阶段。   在烧伤康复中,传统的康复训练多为牵伸或持续被动训练,这种方法具有强制性,会导致患者疼痛,存在许多弊端。有研究者利用虚拟现实技术设计了一种仿真钢琴,可显著改善偏瘫患者手及手臂功能。该训练采用CyberGloves手套(一种VR数据手套),能够有效改善患者的运动能力。
  3 討论
  虽然虚拟现实技术在医学中的应用发展很快,但也面临许多技术、推广应用中的问题。
  在技术方面,VR环境的智能程度较低,只能对场景进行模拟,而无法还原物体在现实世界中的诸多性质。用户可交互、可操作的功能有限,在多数情况下用户只可以通过视觉进行观察,难以通过其他感官与虚拟环境多种方式互动。虚拟和真实世界难以达到融合,虚拟环境中的对象无法实现自身演化,缺乏生命力,在医疗领域的许多应用无法达到理想的效果。图像识别技术不成熟,在复杂图形、动态图像方面,信息筛选、识别的正确率和精确率均较低,难以满足在医学领域应用的要求。实时三维建模技术缺乏,储存、处理庞大的信息量和数据能力上的不足,都会影响虚拟环境呈现的整体沉浸感。除技术方面需求较高外,VR技术在应用和推广过程中也面临困难。目前,应用在医学领域的高精度VR设备成本高,且能掌握熟练操作技能的人才较少,使得这项技术难以大规模普及。同时,构建虚拟人体、虚拟环境的设备价格昂贵,进一步制约了其推广应用。3D模型的建设过程繁琐、精密程度高,在技术上难以充分实现。此外,虚拟现实系统本身存在使用者在虚拟环境下容易失去方向感,导致晕动病,可能会影响手术操作的准确性。
  4 结论
  VR技术自20世纪60年代在美国提出,发展至今,基本原理和实现方法已初步形成,并已应用在多个领域中。在医学上,VR技术的发展与应用对医学教育、辅助治疗、康复等方面提供了很大帮助。其作用主要体现在克服了现实中医疗资源少、成本高的缺陷,打破空间限制。但VR技术的应用成本较高,硬件和软件条件仍有所不足;虚拟现实技术是多学科多领域相互交叉、渗透、融合的产物,在计算机、网络、数据等技术方面的欠缺也会制约其发展。但这项新兴技术还有着很大发展空间,将会有越来越多的技术人员与企业投入到VR的研发中,未来,随着技术的不断成熟、完善,将会为医学领域带来新的突破与变革。
  参考文献
  [1]赵沁平,周彬,李甲,等.虚拟现实技术研究进展[J].科技导报,2016,34(14):71-75.
  [2]吴志利,邓辉胜.虚拟现实技术在临床技能培训中的应用进展[J].中国继续医学教育,2018,10(32):17-19.
  [3]王丹,张红星,徐派的,等.虚拟现实技术在医学领域的应用[J].湖北中医杂志,2018,40(9):64-66.
  [4]杨懿农,向长和,饶利兵,等.利用虚拟现实技术构建虚拟人体科学馆[J].解剖学杂志,2018,41(4):488-489.
  [5]李婴歌,杨家兴,刘子玉,等.关于虚拟现实技术在心理诊疗中的创新应用方法探析[J].科技风,2018(18):63.
  [6]余彬,曾庆,黄国志.头戴式虚拟现实系统在运动康复治疗中的应用进展[J].中国康复医学杂志,2018,33(6):734-737.
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