虚拟现实技术在生物医学领域的应用.docx

虚拟现实技术在生物医学领域的应用陆想想1（SX1203225）（1. 南京航空航天大学自动化院生物医学工程系，南京市，210016）摘要：虚拟现实是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统，综合集成了计算机图形技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术。本文简要介绍虚拟人体、虚拟手术、虚拟实验室以及虚拟现实技术在神经心理学与核医学方面的应用。随着计算机技术的进一步发展，可以预期，在未来几年虚拟现实技术将会成为数字医学最主要的应用工具之一。关键词：虚拟现实；生物医学；数字人；虚拟手术； Application of Virtual Reality Technique in Biomedical FieldLu Xiangxiang1(1. Department of biomedical engineering， Nanjing University of Aeronautics Astronautics， Nanjing， 210016， China) Abstract：Virtual reality is a high-tech simulation system, comprehensive integration of computer graphics technology, computer simulation technology, artificial intelligence, sensor technology, display technology, and network parallel processing technologies. This paper is to briefly introduce simulated human body, operation, laboratory and virtual reality technology applied in neuropsychology and nuclear medicine. In the future, with the further development of computer technology, virtual reality technology will become the most important application of digital medical tools.Key words：Virtual Reality, biomedical , digital human, virtual surgery;引言虚拟现实也称灵境技术或人工环境，它是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统，综合集成了计算机图形技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术1。虚拟现实旨在利用计算机生成关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟的人为虚拟的环境，让使用者有如身历其境一般，并能与之“交互”。它最早源于美国军方的作战模拟系统，20世纪90年代初逐渐为各界所关注并在各领域得到进一步的发展2。近年来，随着虚拟现实技术研究的发展与深入，其应用也在逐渐扩大，在城市规划、能源勘测、工业仿真、古迹复原、建筑虚拟、交通桥梁、港口物流、旅游仿真、虚拟课堂、园林应用、军事仿真等方面都有广泛的应用。在生物医学领域，虚拟人、虚拟手术等方面的研究也十分活跃3-5。本文对虚拟现实技术在生物医学领域的应用做一概括性介绍。一、虚拟现实简介 虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)是近年来出现的高新技术。虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。概括地说，虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式，与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比，虚拟现实在技术思想上有了质的飞跃。虚拟现实系统分为桌面级的虚拟现实系统、沉浸式的虚拟现实系统、增强现实性的虚拟现实系统及分布式虚拟现实系统。根据目前虚拟现实系统的发展状况，虚拟现实系统主要由4部分组成6，见图1。图1 虚拟现实系统的组成二、虚拟现实技术在生物医学领域的应用2.1 数字人数字人是生命科学与信息科学的结合的一个新的研究领域，即通过信息技术、计算机技术，将人体结构数字化，经过三维重建和虚拟现实技术的处理，得到可以看的见的、能够调控的虚拟仿真人体模型。美国科学家联盟于2001年将人类基因组计划、可视人计划、虚拟人计划、人类脑计划概括综合为“数字人计划”，FAS发起的数字人体联盟提出在约10年内，以10亿美元以上的投入，实现人体从DNA、蛋白质、细胞、组织、器官、系统以及整体生命过程的精确模拟。中国也于2001-11在北京召开的第174次“香山科学会议”，以“中国数字化虚拟人体的科技问题”为主题，并提出中国数字化虚拟人体研究的规划和建议。会后,解放军第一军医大学(现南方医科大学)和第三军医大学，先后于2002-08、2003-02以冷冻铣削方法完成了中国首例男、女数字化可视人体数据集的采集7。数字人研究可概括的划分为4个阶段：数字化可视人、数字化物理人、数字化生理人、数字化智能人。目前，国际上的研究已经从物理人阶段步入了生理人阶段，而中国主要处于可视人这一基础研究阶段。2006年上海交通大学生命质量与机械工程研究所申报的“中国力学虚拟人”项目，是国家自然科学基金批准立项的重点项目。该项目先后与欧洲力学虚拟人、韩国力学虚拟人合作，组建成立了国际力学虚拟人平台，并首先启动了由中国、英国、瑞典和瑞士四国生物力学家参加的力学虚拟人足合作计划，由欧洲提供技术，在中国建立足部生物力学仿真试验台。此项目为期4年，预计2010年即可初步建立一个可为全球用户提供服务的力学虚拟人系统8。2.2 虚拟手术系统虚拟手术的概念最早提出于1989年，即利用计算机技术来模拟、指导医学手术所涉及的各种过程，在时间段上包括了术前、术中、术后；在实现目的上有手术计划制定，手术排练演习，手术教学，手术技能训练，术中引导手术、远程手术、术后康复等9-10。2.2.1 医学诊断传统医学诊断主要靠医生的学识和经验，但医生也有“吃不准”的时候，这就会导致误诊。虚拟手术系统将人体信息收集储存在电脑里利用虚拟内窥镜、虚拟活检等检查诊断措施，降低了检查的危险性和医疗成本。诊断前，医生也可先将药物影响数据输入计算机，系统即可协助医生做出判断，使医院诊断达到直观化、可视化、精确化的效果。2.2.2 手术过程以显微手术为例，利用虚拟手术系统做显微外科手术时，可将手术部位放大，医生即可按照放大后的常规手术动作幅度操作，与此同时，虚拟手术系统又把医生的这种常规幅度的手术动作缩小为显微手术机械手的细微动作，从而明显地降低了显微外科的难度。2.2.3 远程手术利用虚拟现实技术，通过远程控制操作设备与远距离医院建立起远程医疗系统，医生只需对虚拟患者进行手术，并通过因特网将其动作传递到远端的手术机器人，由机器人对患者进行手术。日本研制出的远程控制血管缝合机器人，实现了直径1mm血管的远程操作缝合手术。2003年，解放军海军总医院神经外科中心与沈阳医学院附属中心医院联合完成了远程遥控机器人立体定向神经外科手术。2.2.4 手术训练及教学虚拟手术系统还可应用于手术训练及教学，临床上大多数的手术失误是人为因素引起的，所以手术训练极其重要。以往在患者身上积累开刀经验“练手艺”的过程，现在可通过虚拟手术系统观察学习专家手术过程，在数字人身上反复进行演练、学习，避免不必要的医疗事故与损伤。虚拟手术系统可为操作者提供一个极具真实感和沉浸感的训练环境，还能够给出一次手术练习的评价。2.3 康复系统脑损伤的患者97%有精神或躯体方面的缺失，其中1/3有身体方面的残疾，2/3有认知障碍。认知功能障碍是脑缺损后最常见、而又多被医师和患者所忽略的后遗症之一。美国利用虚拟现实技术研制出了针对不同认知功能障碍的多种专门化虚拟现实系统。“鹦鹉软件”软件始创于1981年，至今已经发展出150多种训练项目，并被翻译成5种不同的语言，一些顶尖级的康复中心都在使用。该软件有70多个项目可通过互联网操作，并受到病理学家、治疗师和神经心理学家的监控，可为遭受中风与脑缺损之苦的人群解决其言语、认知、语言、注意力和记忆缺失等问题11。脑损伤患者往往也有运动功能障碍后遗症。运动障碍主要指自主运动的能力发生障碍，动作不连贯、不能完成，或完全不能随意运动。康复机器人经常被应用于四肢，特别是下肢的康复训练中。在主动康复训练中，患者通过主动运动控制虚拟环境中的某个物体，由康复机器人采集运动的距离、角度、力度等参数，并实时反馈给患者，指导患者不断调整动作以达到康复训练的要12。2.4 虚拟实验室许多医学教育中的实验、临床相关实验以及药学实验都可以在虚拟实验室中进行。英国PA 咨询公司与美国菲西奥姆科学公司联合研制的虚拟人体系统，便是借助数字化人体，模拟药物在人体中代谢动力学的作用，一种药品从研制成功到投入应用，要经过大量实验室或临床试验，而利用虚拟药学实验不仅可以加快测试过程，降低成本，还可以避免药物可能对人体造成的损害。美国北卡罗来纳大学研制的应用技术进行复杂分子合成实验，研究人员在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“分子人位”。网络虚拟实验室即分布式虚拟现实技术的应用，它使得在网络协同研究环境中的科研工作者可以有效地利用地理上分布的各种科技资源，进行数据交换、软件共享、大型科研仪器设备的远程控制和远程学术交流13。目前，国际上具代表性的生物、医学虚拟实验室有：霍华德休斯医学研究院开发的：转基因媒介实验室、细菌鉴定实验室、心脏病实验室、神经生理学实验室、免疫实验室14；诺贝尔基金会开发的虚拟生化实验室15。2.5 虚拟现实技术在核医学和辐射防护中的应用在核医学与辐射防护领域，虚拟现实技术已经得到了广泛和深入的研究和应用，包括工作人员培训、辐射场/剂量的分布计算与显示、AIARA设计分析等方面。如西班牙已经开发完成了CIPRES、ACEWO等虚拟现实系统用来进行核电站换料任务的完成过程中的剂量计算，以及培训在核电站工作的人员16。在医学领域，放射性药物治疗过程中，病灶部位接受的辐射剂量要尽可能最大，而其他非病灶部位要限制在一个的范围内，尽可能低。但实施过程中，放射药物并不是在目标器官均匀分布，通过对整个器官的平均剂量计算会高估或者低估能量沉积，这就需要对辐射进行微观计量学评估。另外，在军事医学上方面，可以用虚拟人来试验核武器的威力。现在的核爆炸试验都是利用动物进行，试验前在距离核爆中心的不同位置放置动物，核爆后再把动物收回进行检验。有了虚拟人体就可以直接在计算机上模拟核爆炸对人体的影响17-18。2.6 虚拟现实技术在神经心理学方面的应用虚拟现实暴露疗法是行为疗法的转化形式，治疗过程中，在治疗师的监控下，患者按照指导逐步使自己沉浸于引起焦虑的虚拟环境中，在忧虑减少后，被鼓励采取继续引起更强的忧虑，以此，患者得到渐进和最佳的暴露疗法。虚拟现实暴露在治疗创伤后应激障碍方面也取得了很好的成绩。911恐怖袭击的幸存者患急性创伤后应激障碍，采用传统的想像暴露治疗没有获得成功，于是采用虚拟现实暴露疗法对患者进行治疗，在6次1h的虚拟现实暴露治疗期，患者渐进暴露在虚拟的飞机飞向世界贸易中心，飞机撞向世界贸易中心伴随激烈的爆炸和声音效应，虚拟人从燃烧的建筑物上跳下死亡，以及双子塔倒塌，扬起尘云的场境。采用抑郁自评量表显示抑郁大幅度减少(83%)，采用临床医生使用的创伤后应激障碍量表显示创伤后应激障碍症状大幅度减少(90%)19。三、总结与展望虚拟现实技术的应用十分广泛，也都表现出了很好的效果，并且，虚拟现实技术在生物医学领域的应用也展现出了极好的前景，随着计算机技术的进一步发展，可以预期，在未来几年虚拟现实技术将会成为数字医学最主要的应用工具之一。美国是虚拟现实技术的研究重镇，它的研究成果也代表了国际在此方面的研究水平，就目前而言，美国虚拟现实技术有很广阔的深入研究空间，而中国在此方面的研究仍处于起步阶段，这不仅需要国家在此方面加大投入力度，也需要同行业者的加倍努力。参考文献1 姜红, 王利, 张兆臣, 虚拟现实技术在医学中的应用,中国医疗设备，2008年8期2 单美贤，李艺.虚拟实验原理与教学应用M.北京:北京教育科学出版社,2005.3 王海舜，潘利庆.虚拟现实技术在医学中的应用J.计算机应用，1998,(6):41-42.4 谭海珠，杨棉华，陈丹芸等，虚拟现实技术在医学中的发展与应用J.医学教育探索，2005,4(6):410-4125 邢英杰，张少华，刘晓冰.虚拟手术系统现状J.计算机工程，2004,7:89-91.6 虚拟现实实验室.EB/OL2010-5-18.http:/www.cgtiger.com/ch/vrlab.asp.7 钟世镇.医用生物力学参数的数字化与数字医学J.医学生物力学,2006,21(3):169-171.8 王成焘.中国力学虚拟人J.医用生物力学,2006,21(3):172-178.9 代耀军,曹珺,何飞.骨科虚拟手术系统的研究现状与应用J.中国组织工程研究与临床康复,2008,12(30):5957-5960.10 数字医院.EB/OL2010-5-18.http:/www.cgtiger.com/ch/hospital.asp.11 林平光,叶宁国,阎丽.虚拟现实技术应用于认知康复领域的国际研究综述J. 医疗保健器具,2007,14(5):13-14.12 龚文青,诸强.虚拟现实技术应用于运动障碍康复的研究J.生物医学工程学进展,2009,30(4): 238-241.13 徐新萍,王晓民,彭瑞云,等.浅议信息可视化基本原理与应用J. 中国体视学与图像分析,2007,12(1):75-78.14 HHMI. 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