计算机图形学之虚拟现实在医疗领域中的应用

计算机图形学虚拟现实在医疗领域中的应用什么是虚拟现实•虚拟现实技术：是指一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统它利用计算机生成一种模拟环境是一种多源信息融合的交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真使用户沉浸到该环境中的一种技术。•基本简介：虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向是仿真技术与计算机图形学人机接口技术、多媒体技术、传感技术网络技术等多种技术的集合是一门富有挑战性的交叉技术前沿学科和研究领域。虚拟现实技术(VR)主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面。模拟环境是由计算机生成的实时动态的三维立体逼真图像。感知是指理想的VR应该具有一切人所具有的感知。除计算机图形技术所生成的视觉感知外，还有听觉、触觉、力觉、运动等感知，甚至还包括嗅觉和味觉等，也称为多感知。自然技能是指人的头部转动，眼睛、手势、或其他人体行为动作，由计算机来处理与参与者的动作相适应的数据，并对用户的输入作出实时响应，并分别反馈到用户的五官。传感设备是指三维交互设备。•虚拟现实技术的应用：随着近些年来VR技术的愈发成熟，目前在很多方面上都有广泛的应用。比如娱乐方面的3D电影行业和网络游戏、工业上的工业和汽车仿真、能源上的油田矿井和水利电力、军事航空上的模拟训练和卫星发射，以及旅游和医学等各方面的应用。•医疗领域虚拟现实技术的应用：VR在医学方面的应用具有十分重要的现实意义。在虚拟环境中，可以建立虚拟的人体模型，借助于跟踪球、HMD、感觉手套，学生可以很容易了解人体内部各器官结构，这比现有的采用教科书的方式要有效得多。Pieper及Satara等研究者在90年代初基于两个SGI工作站建立了一个虚拟外科手术训练器，用于腿部及腹部外科手术模拟。这个虚拟的环境包括虚拟的手术台与手术灯，虚拟的外科工具（如手术刀、注射器、手术钳等），虚拟的人体模型与器官等。借助于HMD及感觉手套，使用者可以对虚拟的人体模型进行手术。但该系统有待进一步改进，如需提高环境的真实感，增加网络功能，使其能同时培训多个使用者，或可在外地专家的指导下工作等。手术后果预测及改善残疾人生活状况，乃至新型药物的研制等方面，VR技术都有十分重要的意义。•在医学院校，学生可在虚拟实验室中，进行“尸体”解剖和各种手术练习。用这项技术，由于不受标本、场地等的限制，所以培训费用大大降低。一些用于医学培训、实习和研究的虚拟现实系统，仿真程度非常高，其优越性和效果是不可估量和不可比拟的。例如，导管插入动脉的模拟器，可以使学生反复实践导管插入动脉时的操作；眼睛手术模拟器，根据人眼的前眼结构创造出三维立体图像，并带有实时的触觉反馈，学生利用它可以观察模拟移去晶状体的全过程，并观察到眼睛前部结构的血管、虹膜和巩膜组织。及角膜的透明度等。还有麻醉虚拟现实系统、口腔手术模拟器等。外科医生在真正动手术之前，通过虚拟现实技术的帮助，能在显示器上重复地模拟手术，移动人体内的器官，寻找最佳手术方案并提高熟练度。在远距离遥控外科手术，复杂手术的计划安排，手术过程的信息指导，手术后果预测及改善残疾人生活状况，乃至新药研制等方面，虚拟现实技术都能发挥十分重要的作用。•虚拟现实在医学上的应用大致上有两类。一是虚拟人体，也就是数字化人体，这样的人体模型医生更容易了解人体的构造和功能。另一是虚拟手术系统，可用于指导手术的进行。虚拟人体就是利用虚拟现实技术建造人体模型。在做这种项目的时候并不像想象中的那么简单，首先必须详细了解人体结构，这就需要十分深入的知识，或者全面的知识科普。其次，运用虚拟现实技术建造虚拟人体的时候，必须要注意层次结构，不能仅仅是技术或者软件的简单操作，而应该结合人体结构知识进行。•虚拟人体的与现实人体相比，其优点也是显而易见的。第一，从操作角度来说，虚拟人体虽然只是一个模型，但是因为其核心技术是虚拟现实，也能实现互动——比如选择性观察、内部解剖等。第二，普通的人体模型需要大量的人力物力进行保存管理，而且保存的时间不长，但是虚拟人体完全没有这方面的忧虑，这也是虚拟模型的突出优势。通过这两个方面的结合，可以看出，虚拟人体可以让医生更方便的学习和了解人体的构造以及功能。如果非要找出它有所欠缺之处，大概就是在实体感官上了。还是会有很多人固执地纠结“虚拟人体不能带来百分百的真实感，这样会使得学习过程中感觉失真，感受不深”等问题。这种问题的看法见仁见智，但是事实却是：虚拟人体的使用越来越广泛了。•另一种是虚拟手术系统，这也是三维互动系统的内容，也是医学领域教育培训的平台之一。•虚拟手术系统是通过三维互动系统呈现手术的过程。但是因为是三维互动，所以并不会只是简单的操作现实，而是可以进行“互动”——让学习者可以进行虚拟操作，并根据系统程序显示“手术结果”。这样既能达到教学的目的，也能取得一定程度上的“实操”体验效果。因为虚拟手术系统的制作不仅对医学知识、虚拟现实技术以及系统编程的技术水平要求非常之高，而且对于这三者的结合运用要求更高，所以这种系统现阶段并不能广泛被开发应用，反而只是一般展示培训教学作用的医学动画被应用得更多。而国内许多做三维互动系统、三维动画的虚拟现实公司并没有达到做这方面项目的技术要求。虚拟现实在医学上的六种应用•1.解决截肢者的幻痛烦恼：截肢受害者中最常见的烦恼就是幻肢痛-患者感到被切断的肢体仍在，且在该处发生疼痛。疼痛多在断肢的远端出现，疼痛性质有多种，如电击样、切割样、撕裂样或烧伤样等。对幻肢痛的发生原理，目前尚无统一意见，西医亦乏有效疗法。很有可能大脑对肢体仍然存有意识，即使它已经不存在了。尽管这样的问题发生存在一定的频率，但至今没有一种有效地方法适用于所有的截肢者。•2.舒缓烧伤受害者的痛苦：烧伤患者同样可以利用虚拟现实技术来减轻疼痛，患者可以通过一个叫做SnowWorld的虚拟现实游戏可以缓解烧伤治疗后的痛苦（比如诱导“皮肤伸展”疗法），这个游戏最早是由位于梅伍德（Maywood，位于美国），伊利诺伊州的罗耀拉大学医院（LoyolaUniversityHospital）开始应用。在这个虚拟冰雪世界中，病人可以飞跃冰雪覆盖的峡谷，下面是冰冷的河流和瀑布，水面上狭窄的浮冰上有很多雪人、冰屋、机器人和企鹅，可以向他们投掷雪球。病人的注意力被吸引到冰雪世界中，不再关注自己的伤痛，从而在清凉幻觉中有效减轻痛楚。经过MRI检查结果和病人的体验结果证实它是成功的。•3.治疗士兵患有的创伤后应激障碍（PTSD）：VR能够有效治疗从战场返回患有创伤后应激障碍的士兵。治疗中，VR设备会将会把士兵带回战争的一个场景，让他们再次“经历”战争和死亡，使其在适当的压力下逐渐学会处理，控制自己的情绪。虽然很多人对于这种治疗方式存在争议，支持者说使用虚拟现实技术与其他的治疗方式相结合会达到非常很理想的治疗效果。VR可以帮助治疗的心理障碍并不仅仅局限于创伤后应激障碍。虚拟现实医疗中心（TheVirtualRealityMedicalCenter）对于恐惧症，焦虑症和惊恐障碍都都有很不错的治疗效果。•4.治疗儿童自闭症：虚拟现实技术已经证实了其在治疗儿童自闭症方面的能力。利用虚拟现实技术为自闭症患者创造一种安全、无威胁的技能实践教育环境以训练其社会技能，使患者与电脑之间存在积极而且丰富的互动。之所以可以达到这种治疗效果是因为儿童在电脑互动之间存在乐趣，大大降低了其对陌生环境和陌生人物的恐惧感。海宁卡塞尔（JustineCassell），西北大学（NorthwesternUniversity）的技术中心和社会行为的主任告诉NBC（美国全国广播公司）News说，这个技术拥有可预测性，可控性和“无限的耐心”，他可以像一个非常负责人的老师来有效地教导这些孩子。•5.为学生提供手术练习的机会：医学院的学生并没有太多自己动手实践的机会，所以不会有尝试和犯错的可能。虚拟现实使其完成了一次从理论到实际操作的大跳跃，让学生们也能够多次经历手术台，做到“熟能生巧”。最近虚拟现实技术在医学上的应用包括3D模拟一个女人的分娩过程，这能够帮助医生在手术之前做到更完善的筹备和提高对异常情况的处理能力。虚拟现实技术还能够提供其他任何手术类型的模拟器，从脑外科手术到整形手术。就像我们亲自在现场所看到的，无论是从外观还是感觉，就像真正的走进了手术室。•6.虚拟现实可以帮助酗酒者：韩国很久之前的一份报告显示，虚拟环境可以帮助到酗酒患者的治疗。调查人员为酗酒患者设置了三个虚拟环境：第一个是放松的环境，第二个是酗酒的危害，第三个是展示酗酒者的形象。通过这些疗法，点查人员发现，患者对酒精的脑部敏感度会大大降低。但是这项研究仅仅是调查了12位患者，所以我们需要进行更多的调查研究。•除了上面所说应用之外，在临床诊断上利用三维重构技术开发的纯软件——医学虚拟现实已经开发出许多虚拟内窥镜的软件，可以使医生的视线在病人体内甚至毛细血管中自由航行，这种动态的现实显示对临床诊断具有无比珍贵的价值。在整形外科领域，运用虚拟现实技术能够模拟术后的效果，避免可能出现的不和谐之处。在远程医疗领域，虚拟现实技术也有着巨大潜力，例如在偏远的山区通过远程医疗虚拟现实系统，患者不进城也能够接受名医的治疗。对于危急病人，还可以实施远程手术，这时医生只要对病人模型进行手术，他的动作就可以通过卫星传送给远处的手术机器人，手术的实际图像通过机器人上的摄像机还能够传回到医生的头盔立体显示器，并将其和虚拟病人模型进行叠加，为医生提供有用的信息。总结现在日新月异的计算机和电子技术为VR在医学上的应用提供了众多的功能。然而，当今医学上VR的应用仍然存在许多问题。主要有：1、安全问题：如何合理地使用传感器，保证传感器的生物相容性，检测各种信息之间可能存在的冲突，以及控制误差传递等。在无人工干预的情况下，它们应当能够自动追踪和处理随时可能发生的任何异常现象。2、使用效益：包括系统的精度、使用性能、人机交互性、是否为病人和医生所接受等。3、社会因素：所有的这些技术并不是要用来取代医生的作用，而只是为他们的工作提供额外的帮助和功能。4、虚拟现实技术在医学领域上的应用为临床医学和医学教育提供了许多新的功能。虽然已经出现了不少用于工业目的的虚拟设备，但是它们可不能用在医学上，这是因为以病人为对象的医学上的虚拟设备对设备精度和安全性要求更高。实际上，到目前为止，还没有一种可以完全作医学应用的虚拟现实系统。不过我们相信，在不久的将来，VR技术将在医学领域上为我们做出更大的贡献。再见