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虚拟现实技术在医学中的应用

2021-1-9 18:34:11      点击:

虚拟现实技术自20世纪 90 年代中期开始应用于医学护理教学领域 , 在临床护理思维以及临床综合能力训练中都有较好的应用。在虚拟环境中,可以建立虚拟的人体模型,借助于跟踪球、HMD数据手套等仪器 , 都可以很容易了解人体内部各器官结构。

(1) 远程医疗 : 远程手术是将装备有基于虚拟现实技术的远程控制操作设备的遥控手术中心与边远地区建立起远程医疗虚拟现实系统。医生可以利用远程医疗虚拟现实系统远距离遥控外科手术 , 只需对虚拟病人模型进行手术 , 手术实际进展的图像也可通过机器人摄像机实时传给医生的头盔立体显示器 , 并将其与虚拟病人叠加 , 以便医生实时掌握手术情况并发出手术指令 , 并通过高速宽带网络将医生动作传送到网络另一端的手术机器人 , 由机器人对危急病人实施远程手术。目前这项技术已经成功应用于临床手术中 , 并开始逐步走向成熟。

(2) 外科手术 : 医生可以利用虚拟现实技术在手术前模拟手术过程 , 为将要进行的手术提供操作和信息上的辅助 , 改进医生的手术计划过程 , 制定手术方案。该技术把各种诊断传感器搜集到的信息 , 集成到手术所面临的实际环境的模型中 , 以便医生做计划 , 医生可在这个虚拟环境中观察、分析、预测手术方案的后果。

(3) 虚拟人体 : 虚拟人体及虚拟人体器官在解剖学、外科学、放射学等医学研究中具有较高的价值。它可开展虚拟解剖学、虚拟放射学、虚拟内窥镜学等学科的计算机辅助教学。德国汉堡大学则用 CT MR I 横截面影像或组织学切片建立起空间模型 , 采用人工智能技术 , 把人体各部位不同领域的知识填充到空间模 , 制成了解剖三维可视化虚拟人体图谱 

医学培训方面

虚拟现实技术改变了人机交互的被动方式 , 对传统的教学模式、教学手段和教学方法产生了深刻影响 ,在医学领域 , 虚拟现实技术作为有效的训练工具正在顺利发展。主要的应用包括虚拟解剖学、虚拟实验室和虚拟手术等。

(1) 虚拟解剖学 : 在解剖学中 , 可以通过虚拟现实系统 , 借助重组技术中的多层面重组、曲面重组、最大密度投影、最小密度投影、表面遮盖显示、透明显示等技术可以直观的显示组织、器官、肌肉、血管、神经等的系统解剖 , 局部解剖及断层解剖结构 , 并且可以通过测量、旋转、解剖等操作更加形象、逼真地全面了解人体各解剖结构的内部构造与功能。例如德国汉堡 Eppendorf 大学医学院医用数学和计算机研究所建立了一个名为VOXEL-MAN 的虚拟人体系统 , 它包括人体每一种解剖结构的三维模型 , 肌肉、骨骼、血管及神经等任一部分都是三维可视的 , 使用者戴上头盔显示器就可以模拟解剖过程

 (2) 虚拟实验室 : 虚拟实验室在培养学生的实际操作技能方面起到积极的作用。学生通过在虚拟实验室的学习 , 可以了解到医学发展中较前沿的一些仪器 ( 如流式细胞仪等 ) 的结构、原理、操作步骤、实际应用中的注意事项 , 以及进行操作后出现的各种结果。为以后的学习及工作打下坚实的基础。在虚拟实验室中还可以通过虚拟现实技术进行科学研究 , 例如美国北卡罗来纳大学研制的 Grope 应用 VR 技术进行复杂分子合成实验,研究人员在 VR 境界中控制药物分子模型,通过所模拟分子的分子力反馈测试出把该药物分子安放在其他分子的结合基上的最佳方向,即所谓的“分子入位”,利用计算机生成的分子模型 , 把所有相关类型的药物连接在一起,并将其锁定在病原体上,从而解除病原体的致病能力。药物设计师戴上三维实体眼镜,在屏幕上观察分子结构的立体图像 , 使分子间能相互结合 , 研究人员正在用这种方法研制抗癌药的合成

 (3) 虚拟手术 : 虚拟手术是 VR 技术在医学训练中最重要的应用,主要用于复杂手术过程的规划、演练及预测,指导手术的进行。虚拟现实技术能够虚拟出“真实的世界”,可为操作者提供一个极具真实感和沉浸感的训练环境 , 运用该技术可以使医务工作者沉浸于虚拟的场景内 , 体验并学习如何应付各种临床手术的实际情况。由于虚拟手术训练系统具有低代价、零风险、可重复性、自动指导的优点,可以迅速高效地提高学习者的手术操作技能 , 具有广阔的应用前景。目前,国际上已出现了不少基于虚拟现实的手术训练系统。例如 Choi 等研制了食管镜手术模拟训练系统 , 该系统能够使受训者感受到与虚拟软组织的接触并显示食管的变形和切割。Wang 等研制了神经外科手术训练模拟系统,该系统通过可实时更新脑组织形变的三维立体显示和双手力反馈装置 , 能够模拟手术器械的穿刺、牵引与切割。

医学其他方面

虚拟现实技术在康复训练、心理领域、医学教育及改善残疾人生活状况 , 乃至新型药物的研制等方面 , 虚拟现实技术都有十分重要的现实意义

 (1) 康复训练:虚拟现实技术应用到康复训练领域,一方面利用虚拟现实技术为患者提供一个生动、逼真的游戏康复训练环境,患者能够成为虚拟环境的一名参与者,在虚拟环境中扮演一个角色,这对调动患者训练的积极性有很大的帮助作用。另一方面使器械本身和电脑屏幕结合成一体的智能系统,实现把康复器械产生被动牵引和患者主动训练相结合的治疗作用。国内将虚拟现实技术应用于运动康复也进入了实践阶段,河北工业大学自主研制了利用虚拟现实和外骨骼技术进行手臂外骨骼康复治疗的方案

 (2) 心理领域:虚拟现实技术在心理学领域中的研究通常包括视觉感知心理与生理、听觉感知心理与生理、记忆与认知心理等内容。由于虚拟现实技术能够利用计算机再现各种现实世界中存在的或不存在的事物,所以这一技术可用于治疗心理障碍性疾病,患者通过在虚拟现实技术产生的虚拟环境中进行反复刺激训练,可逐步克服心理障碍。Optale G 等把虚拟现实技术应用于由心理因素引起的男性勃起障碍的治疗 , 其有效率可以达84%

 (3) 医学教育:虚拟技术在现代医学教育中的应用 , 是现代医学教育方式的一个新的突破 , 也是现代医学教育必须面临解决的新课题。它能够增强学生对临床技能的学习兴趣,提高学生的创新能力和实际动手能力,使临床教学更加科学化、理性化、人性化。虚拟现实技术的动态环境建模技术是 VR 的核心内容,其目的就是获取实际环境的三维数据,并根据临床实践教学的需要,建立起相应的虚拟临床环境模型。虚拟现实技术在催化临床实践教学的改革,实现现代医学教育跨跃式的发展过程中具有十分重要的意义。

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