虚拟现实技术在医学训练中的应用

                      作者：范立冬，李曙光，张治刚  

【摘要】  　　虚拟现实技术是一门新兴的学科，它在医学上已经得到了广泛的应用。本文对虚拟现实技术的概念、特征，虚拟现实系统的组成进行了介绍，并从虚拟解剖学、虚拟实验室和虚拟手术3个方面介绍了虚拟现实技术在医学训练领域的应用，最后举例说明了虚拟现实技术对军事医学教学训练的影响。

【关键词】  医学训练 虚拟手术
   
　　Abstract:  Virtual Reality is just emerging as an accepted scientific discipline.It has been widely used in medicine.In this paper,we described the concept,characteristics of VR technology and the components of VR system.The application of VR technology for medical training was introduced from three areas: virtual anatomy,virtual laboratory and virtual operation.At last,we took some examples to explain the influence of VR technology on military medical training.
   
　　Key words:medical training;virtual operation
   
　　随着机技术的飞速，虚拟现实（virtual reality,VR）技术正逐渐显示其强大的生命力。目前，它与多媒体、技术并成为三大前景最好的计算机技术，在越来越多的领域得到广泛的应用。

　　1  VR技术的概念
   
　　VR技术是由计算机生成的一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统。它通过视、听、触觉等作用于使用者，使之产生身临其境的交互视景的仿真。它综合了计算机图形、图像处理与模式识别，智能技术、传感技术、语言处理与音响技术、网络技术等多门，是仿真技术的进一步发展和应用。使用者借助必要的设备地与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，产生身临其境的感觉和体验，使人机交互更加自然和谐。

　　2  VR技术的主要特征
   
　　VR的主要特征是：多感知性（multi?sensory）、沉浸感（immersion）、交互性（interactivity）、构想性（imagination）。这些特征使操作者能够进入一个由计算机生成的交互式三维虚拟环境中，与之产生互动，进行交流。通过参与者与仿真环境的相互作用，并借助人本身对所接触事物的感知和认知能力，启发参与者的思维，全方位获取环境所蕴含的各种空间信息和逻辑信息。

　　2.1  多感知性（multi?sensory）：所谓多感知是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能。由于相关技术，特别是传感技术的限制，目前虚拟现实技术所具有的感知功能仅限于视觉、听觉、力觉、触觉、运动等几种。

　　2.2  沉浸感（immersion）：又称临场感，指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该使用户难以分辨真假，用户可以全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中，该环境中的一切看上去是真的，听上去是真的，动起来是真的，甚至闻起来、尝起来等一切感觉都是真的，如同在现实世界中的感觉一样。

　　2.3  交互性（interaction）：指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。例如，用户可以用手去直接抓取模拟环境中虚拟的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视野中被抓的物体也能立刻随着手的移动而移动。身临其境的沉浸感和人机互动的趣味性是虚拟现实的实质特征。

　　2.4  构想性（imagination）：强调虚拟现实技术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。对时空环境的现实构想（即启发思维，获取信息的过程）是虚拟现实的最终目的。

　　3  VR系统的组成
   
　　一般的VR系统主要由专业图形处理计算机、应用软件系统、输入设备和演示设备等组成，即人们可以通过视觉、听觉、触觉等信息通道感受到设计者思想的高级用户界面。
   
　　硬件平台：由于虚拟世界本身的复杂性及计算实时性的要求，产生虚拟环境所需的计算量极为巨大，这对中心计算机的配置提出了极高的要求。目前，国外的VR系统一般配有SGI或SUN工作站［1］，大型的VR系统，采用的是计算机并行处理系统。当前的研究趋于桌面虚拟现实系统，它价格较低、易于实现同时又能满足VR的部分特征要求，因而将会得到更为广泛的应用。
   
　　软件系统：软件系统是实现VR技术应用的关键。VR技术在国外的应用比国内早，目前具有代表性的桌面VR技术有：Web3D中的X3D、VRML、Java 3D、Cult3D Viewpoint、Atmosphere，以及应用于服务器上的Superscape VRT、EAI Sense 8 World ToolKit、MPI Vega等，它们为VR技术在虚拟医学系统中应用提供了工具。

　　4  VR技术与医学训练
   
　　VR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，VR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。
   
　　人体解剖学是最基础的医学知识，不但医学生要学，而且执业医师也要经常复习。虚拟人体解剖将人体用特制机器切成薄片（最薄可以达到0.1～0.2mm）［2］，每层薄片扫描入计算机或用数码相机拍照后将照片输入计算机，通过三维重建显示人体图像，图像数据压缩后建成"可视人"（visible human），显示在计算机屏幕上的人体可以旋转、剖切，逼真重现人体解剖场面。可选择任意解剖结构将其从虚拟人体中独立出来，进行更细的解剖。运用动画技术可在血管、气管或心室内漫游。对虚拟人体可任意使用，而不用担心医学、和伦理方面的问题。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。该系统的主要功能有：（1）任意选择观察视点，可以做内窥镜观察，也可以作立体观察；（2）任意模拟解剖、手术和穿刺；（3）模拟放射成像；（4）可以得到任意器官和组织的名称、类型、描述以及结构等解剖信息；（5）可以测量器官或组织间的距离［3］。
   
　　虚拟实验室彻底打破空间、时间的限制，为学生提供了生动、逼真的实验学习环境，学生成为虚拟环境的一名参与者，可以极大地调动学生的学习积极性，突破实验教学的重点、难点，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。在所构建的医学虚拟实验室，学生还可以做一些带有危险性的试验，以及一些高消耗试验，如核酸分子杂交技术，通过虚拟过程可了解其原理、操作条件、操作过程，在无消耗的情况下为以后的分子试验打下基础。在虚拟实验室中还可以通过VR技术进行科学研究，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［4］。

　　虚拟手术教学是VR技术在医学训练中最重要的应用。传统的手术训练一般是采用现场观察和操作以及动物实验等方法进行的，这些方法都存在着一些缺点，如不能重复进行，可能会给操作对象带来一定程度的伤害等。VR技术使这一工作变得简单易行。由于VR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，通过视、听、触觉感知等多种器官了解和学习各种手术实际操作。虚拟环境还为操作者提供了方便的三维交互工具，可以模拟手术的定位与操作；在高性能的机环境下，还可以对手术者的操作给出实时的响应，如在外力作用下的软组织形变、撕裂、缝合等，使手术者操作的感觉就像在真实人体上的手术一样，既不会对患者造成生命危险，又可以重现高风险、低概率的手术病例。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［5］。自80年代世界上出现了第一个虚拟手术仿真系统用于观察关节移植手术的过程与结果以来，虚拟手术仿真技术已经从实验室逐渐走向实际应用。随着虚拟现实技术软、硬件的不断，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［6］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［7］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。此外还有子宫镜手术训练模拟器［8］、白内障手术中的后囊连续环形撕囊术训练模拟器［9］、外科清创术模拟训练系统［10］，用于计划与实施唇腭裂修补手术的模拟系统［11］等。Banks等［12］将20名住院医生分为两组，一组利用输卵管结扎术训练模拟器进行训练，另一组采用传统方法进行训练，结果表明使用模拟器的受训者在知识的掌握和技能的操作上都明显优于对照组。van?Dongen等［13］利用Lapsmi微创手术模拟器对不同资历的医生进行训练，结果证明模拟器不仅能提高新医生的手术操作技能，而且对于有经验的医生也有帮助，有经验的医生在把新的手术技术应用于临床之前能反复地进行模拟，以防止医疗差错的发生。国内的研究人员近年来也开发了各类虚拟手术训练系统。如谭珂等［14］研制的用于耳鼻咽喉科医生手术仿真训练的鼻内窥镜虚拟手术仿真系统，以及熊岳山等［15］研制的虚拟膝关节镜手术仿真系统。
   
　　在军事医学教学中，VR技术的更大优势是它和军事仿真模拟结合起来，既能创造出逼真的战场环境、战斗场景以及随着战斗推进过程中虚拟的“指战员”伤亡状态，又可以模拟出野战条件下的战伤救治、运送等。特别是核武器、生物、化学战伤的救治、运送，不仅危险性大，而且救治复杂且难度较大,平时的学习和培训又不易实现。虚拟现实技术使军事医学教学更贴近实战，突出了对学生实战心理的训练，能充分表现出未来战争中的高技术、复杂性等特点，扩大军事医学院校学生的军事医疗体验和战场战伤救治的经验。在这些环境中学员们在操纵虚拟的工具、手术器械时，不仅会感受到压力，而且具有极强的参与性［16］。
   
　　保持一支训练有素、装备良好的军队是美军训练的目标。因此，美军特别重视训练。按实战进行训练是美军军事训练的一项基本原则。虚拟现实技术的发展为美军的军事医学训练开辟了崭新的途径。美军若干医学技术领域的专家研究了新兴技术在未来20～30年内对医疗工作的影响，认为有34种技术将影响未来医疗工作，最后确定的13种按得票多少的顺序进行排列，虚拟现实、人工智能等几种技术高居榜首［17］。事实上，早在几年前，随着美军组成21世纪数字化部队计划的实施，以及美国在热点地区部署维和部队所需的遥控医学技术中，虚拟现实技术的实际应用就已经开始崭露头角。在虚拟现实等支撑技术的支持下，美军已开发出高级创伤救治技术模拟训练系统、胸部创伤救治模拟训练系统、天花接种模拟训练系统、VR?Demo精神运动技术训练系统和环甲软骨切开术模拟训练系统。美陆军利用国防部的高级军事演习模拟与可视人体研究室合作，研究人体结构和功能模拟。如肿瘤的模拟、射弹穿过组织的轨迹，以及正常人体的变化等，在此基础上体现人体生理的动力学，模拟的伤员必须能出血、休克，显示创伤和病引起的生命体征变化，模拟还必须有正常人的感觉、知觉、触觉、声音、力反馈等，戴上感觉手套的手术者可以“感觉”到手术刀切入组织［18］。

　　5  结束语
   
　　目前，虚拟现实技术在医学训练方面的应用展现出了良好的前景。但是，要想让它成为被广泛接受的实用训练手段，还有很多工作要做，虚拟现实技术必须进一步提高其效率，改进用户使用时的精神和身体的感受，同时，成本也应该加以控制，只有这样，虚拟现实技术才能在医学训练领域发挥越来越重要的作用。

【】
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　　［18］武士华.美国陆军军事医