医学虚拟现实与临床医疗78

邱鹏山东中医药大学理工学院2012年11月一、概述二、生物医学工程研究的主要内容三、医院中的生物医学工程——临床工程四、医学虚拟现实2一、概述定义内涵特点3什么叫生物医学工程生物医学工程（BiomedicalEngineering,BME）是运用自然科学和工程技术的原理和方法，研究人的生理、病理过程，揭示人体的生命现象，并从工程角度解决防病治病问题的一门综合性学科。一、概述4美国国立卫生研究院有关名词命名专家组的定义：生物医学工程学是结合物理学、化学、数学和计算机科学与工程学原理，从事生物学、医学、行为学或卫生学的研究：①提出基本概念，产生从分子水平到器官水平的知识；②开发创新的生物学制品、材料、加工方法、植入物、器械和信息学方法；③用于疾病预防、诊断和治疗，病人康复，改善卫生状况等目的。一、概述5•早期的生物医学工程也称为医学工程学(MedicalEngineering)：综合运用数理科学原理和现代工程技术研究和解决基础医学和临床医学中问题的分支学科。•临床工程学（或临床医学工程学）(ClinicalEngineering)：综合运用数理科学原理和现代工程技术的理论和方法研究、解决临床医学实际问题的分支学科。一、概述6生物医学工程是工程学与生物医学结合的产物理念上是综合与分析的结合结果上是工程技术或产品为生物医学服务一、概述7工程学（综合）生物医学工程学科的内涵工程学（综合）信息反馈市场产品生物医学（分析）医学检验装置开发理论想法8生物医学工程学科的特点生物医学工程学工程学电子学计算机科学力学材料科学机械制造学-----------生物医学生物学神经科学内科学外科学矫形科学--------综合分析9二、生物医学工程主要研究内容10医学道德与伦理解剖与生理生物力学康复工程与辅助技术生物材料学组织工程学生物医学仪器生物医学传感器生物信号处理生物电现象生物医学工程主要研究内容生物系统建模与仿真基因组学和生物信息学计算生物学与复杂性理论放射成像医学成像光学和激光在生物医学中的应用数字化医疗设备和技术微型诊疗系统…………11生物材料的应用12模型及仿真的实例心脏模型的计算机仿真膝关节模型的计算机仿真13电学模型计算机模型教学模型力学模型心脏14微型诊疗系统－－消化道检测胶囊电路板传感器阵列旋转内部小丸而露出传感器7mm7mm电池储药仓旋转内部小丸而释放药物诊断治疗美国SmartPillDiagnositics,Inc.研制的SmartpillTM智能药丸，用于监测胃肠道压力和肠道运转时间。美国Medtronic公司的BravoTM药丸可吸附在食道上实时监测PH值，已进入临床。15消化道微型手术机器人微型针摄像头温度/PH/化学传感器微型泵连接机构生物材料射频模块微型电池信号处理芯片系统运动机构无线能量耦合单元微吮吸单元硬度传感器韩国胶囊式内窥镜机器人（Endoscopicmicrocapsule），在多关节式药丸系统中，集成了微型摄像头、微型泵、组织活检钳、PH值传感器等微型设备，系统具有主动运动与姿态控制功能，可以完成局部药物释放、图像采集、PH值测定、组织活检、治疗等多种功能。16三、医院中的生物医学工程——临床工程17临床工程的定义与内涵医疗仪器设备工程医院信息工程医疗影像信息工程远程医疗工程临床诊断医疗工程临床工程的学科建设临床工程18临床工程学临床工程医疗仪器设备工程医院信息工程医疗影像工程远程医疗诊断医疗工程临床工程学(ClinicalEngineering)：综合运用数理科学原理和现代工程技术的理论和方法研究、解决临床医学实际问题的分支学科。19国家教委已在2004年明确我国生物医学工程专业教育的方向和目标，从生物医学工程与仪器、生物材料与组织工程、生物医学信息、临床工程四个方向向国际先进水平靠近。国家卫生部医院管理研究所和中华医学会医学工程学会也于2005年开始了“临床工程师资格认证”工作。尽管还没有相应的法律、法规支持和纳入规范化，但这一大步的前进仍具有可喜可贺的里程碑意义。BME专业教育和人才培养20临床诊断医疗工程临床诊断医疗工程计算机辅助外科手术放射治疗系统虚拟现实技术在医学中的应用理疗影像诊断21（一）、定义利用数字影像、计算机及空间定位技术制定合理的手术方案并进行手术模拟。CAS基于计算机，对大量数据信息高速处理及控制更安全、更准确。它可以对图像进行三维重建和融合，术前充分评估患者的情况，规划手术路径、方案，模拟手术。术中追踪手术器械，引导手术。确定手术范围，从而使外科手术更加精确、安全和微创化。计算机辅助外科手术(computeraidedsurgery，CAS)22医学图像CTMRIPETDSADRI外科医生结合图像立体定位系统光学定位机械定位超声定位电磁定位患者手术器械配合配准跟踪三维显示（二）、组成231、光学定位法2、机械手定位法3、超声波定位法4、电磁定位法5、混合定位系统（三）、立体定位系统24（四）、配准用计算机图像处理技术将各种影像模式投影在一个坐标系下，融合成新的医学模式。按操作分为:基于外部特征基于内部特征25（五）、应用神经外科术血管畸形手术脊椎手术内镜手术关节置换手术耳鼻喉科手术骨科手术教学•26四、医学虚拟现实计算机和电子技术创造的新世界看似真实的模拟世界27虚拟现实（VirtualReality，VR）：一种基于可计算信息的沉浸式交互环境。采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互、相互影响，从而产生等同亲临真实环境的感受和体验。虚拟现实28虚拟现实_范畴虚拟现实是高度发展的计算机技术在各种领域的应用过程中的结晶和反映。图形学图像处理模式识别网络技术并行处理人工智能……数学物理通信气象地理美学心理学社会学……29虚拟现实_关键技术1.实物虚化：现实世界空间向多维信息化空间的一种映射，主要包括基本模型构建、空间跟踪、声音定位、视觉跟踪和视点感应等。2.虚物实化：确保用户从虚拟环境中获取同真实环境中一样或相似的视觉、听觉、力觉和触觉等感官认知。3.高性能计算处理技术：主要包括数据转换和数据预处理技术；实时、逼真图像生成与显示技术；多种声音的合成与声音空间化技术等。30虚拟现实_特点1.沉浸感(Immersive):用户将感觉不到身体所处的外部环境而“融合”到虚拟世界中去;2.交互性(Interactive):用户可通过三维交互设备直接控制虚拟世界中的对象并获得反馈;虚拟环境中人的参与与反馈人机交互的有效性人机交互的实时性31虚拟现实_特点3.多感知性(Multi-Sensory):VR系统具有感知视、听、触、嗅、味等多种信息的能力;4.构想性（Imagination）：VR应具有广阔的可想像空间，可拓宽人类认知范围，不仅可再现真实存在的环境，也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。321.沉浸式虚拟现实系统（ImmersiveVR）2.增强式虚拟现实系统（AugmentedVR）3.桌面式虚拟现实系统（DesktopVR）4.分布式虚拟现实系统（DistributedVR）33虚拟现实系统分类沉浸式虚拟现实系统是一种高级的、较理想的虚拟现实系统，它提供一个完全沉浸的体验，使用户有一种仿佛置身于真实世界之中的感觉。沉浸式ＶＲ系统（ImmersiveVR）34沉浸式虚拟现实系统的特点具有高度实时性能。具有高度的沉浸感。具有良好的系统集成度与整合性能。具有良好的开放性。能同时支持多种输入与输出设备并行工作。35桌面式虚拟现实系统也称窗口虚拟现实，是利用个人计算机或初级图形工作站等设备，以计算机屏幕作为用户观察虚拟世界的一个窗口，采用立体图形、自然交互等技术，产生三维立体空间的交互场景，通过包括键盘、鼠标和力矩球等各种输入设备操纵虚拟世界，实现与虚拟世界的交互。桌面式ＶＲ系统(DesktopVR)36桌面式虚拟现实系统的特点用户处于不完全沉浸的环境，缺少完全沉浸、身临其境的感觉，即使戴上立体眼镜，仍然会受到周围现实世界的干扰。对硬件设备要求低，有时甚至只需要计算机，或是增加数据手套、空间跟踪设置等。由于其实现成本相对较低，所以应用相对普遍，而且它也具备了沉浸性虚拟现实系统的一些技术要求。37增强式VR系统(AugmentedVR)增强式虚拟现实系统既可以允许用户看到真实世界，同时也可以看到叠加在真实世界上的虚拟对象，它是把真实环境和虚拟环境组合在一起的一种系统。终极目标：用户感觉不到现实世界中的真实物体与用于增强视觉信息的虚拟物体之间的差别38平视显示器即抬头显示器（HeadUpDisplay），战机飞行员的平视显示器，它可以将仪表读数和武器瞄准数据投射到安装在飞行员面前的穿透式屏幕上，可以使飞行员不必低头读座舱中仪表的数据，从而可集中精力盯着敌人的飞机或导航偏差。39增强式虚拟现实系统的特点真实世界和虚拟世界融为一体。具有实时人机交互功能。真实世界和虚拟世界是在三维空间中整合的。40分布式虚拟现实系统（DistributedVR）虚拟现实系统运行在分布式系统下有两方面的原因：充分利用分布式计算机系统提供的强大计算能力；有些应用本身具有分布特性，如多人通过网络进行游戏和虚拟战争模拟等。41各用户具有共享的虚拟工作空间。伪实体的行为真实感。支持实时交互，共享时钟。多个用户可以各自不同的方式相互通信。资源信息共享以及允许用户自然操纵虚拟世界中的对象。分布式虚拟现实系统的特点42虚拟人_数字人美国主导和酝酿的几个具有国际影响的研究计划：人类基因组计划(HumanGenomeProject,HGP)可视人计划(VisibleHumanProject,VHP)虚拟人计划(VirtualHumanProject,VHP)人类脑计划(HumanBrainProject,HBP)等虽然有各自的研究目标，但在人体模型、人体信息的数字化研究上有着一定的内在联系。为此，美国科学家联盟(FAS)于2001年又将上述计划概括为数字人计划(DigitalHumanProject,DHP)。医学应用43虚拟人_数字人数字人计划目标：实现人体从基因到分子、细胞、组织、器官、系统和整体的精确模拟。经历4个发展阶段①“虚拟可视人”②“虚拟物理人”③“虚拟生理人”④“虚拟智能人”44虚拟人外国虚拟人研究1989年美国国立医学图书馆开始酝酿为“可视化人体计划”。科罗拉多大学健康科学中心承担数据获取工作，第一套男性(断面距离为1.0mm)、女性(断面距离为0.33mm)VHP数据集分别于1994年、1995年完成并向世界公布。45美国虚拟人1号46中国虚拟人研究2001年北京174次香山科学会议“中国数字化虚拟人体科技问题”启动中国数字化虚拟人体的研究。第一军医大(南方医科大学)中国虚拟人I号(男)，0.2mm；中国虚拟人II号(女)，0.1mm。47虚拟现实技术在中医领域的应用经络可视化显示的研究虚拟针灸远程脉诊系统中医四诊教学系统48经络可视化显示的研究49基于虚拟现实技术的中医针灸虚拟现实技术在中医领域的应用50515253远程脉诊系统虚拟现实技术在中医领域的应用54虚拟现实技术在西医领域的应用药物分子设计数字化虚拟人体试验。解决以往必须先通过动物实验、小样本临床验证才能用于临床实验的时间跨度。55新药研制苯乙烯分子球棍模型医学教育虚拟人体骨骼通过虚拟现实技术建立起人体结构模型，可以使学生通过人机交互对人体模型进行浏览，在模型内部“漫游”，能让学生非常直观、轻松学习解剖结构，发挥学习的主动性。虚拟现实技术在西医领域的应用56医学解剖57虚拟解剖58标本的数字资料完整，提供完整的资源直观的为学生创建人体器官的空间结构可