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虚拟现实技术在医学领域的应用概述

来源:用户分享 时间:2025/7/5 14:27:26 本文由loading 分享 下载这篇文档手机版
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project ,VHP)建立的三维人体的CT、MRI和解剖切面的数字化人体图像库。VHD包括可视化男人(visible human male)和可视化女人(visible human female)两个图像数据库。Visible Human数据库已经成为构造电子医学图书馆和虚拟解剖环境的理想基础。万维网(WWW)为数字图书馆的推广提供了多快好省的传播媒介。自从发行以来,Visible Human数据在虚拟现实以及其它领域上得到了广泛地应用。

2虚拟人体功能(vitual human function)人体某一个器官或系统的功能一般是不可见或难以表现的,因为它所表现的往往是生命现象的机理,例如心脏的跳动、人的步态、手部的运动等。如果建立起真正的虚拟人体功能,对于医学教育、医学研究和治疗都有不可估量的应用价值。欧洲的CHARM(comprehensive human animation resources model)计划,旨在建立一个结构化的人体动力学模型。其特征表现在重建的器官可以任意移动和变形,同时保持彼此间的力学关系,从而真实地反映人体的动态行为。

法国ENST-Bretagne大学研制成了一个虚拟人类步态模拟器。以3D医学图像为基础,研究人的下身解剖结构,实现了人的下半身骨骼运动步态的模拟。日本Waseda大学成功地开发了一种手套式接口,其形状和材料同手术用的手套很相似。使用者戴上手套,用真实的手部运动操纵虚拟空间中的许多种目标。当在一个真人体上做手术时,使用者可以通过它控制在虚拟空间中的多种数据如MRI、3DCT、3D图像序列等。这种新型的手套式虚拟接口,用来处理手术过程中出现的许多数据,它既不会防碍医生的正常操作,又能让医生自由地控制手术过程的虚拟环境,把人的实时手部运动复制到虚拟控制中。

3虚拟手术模拟(virtual surgery simulation,VSS)日益复杂的外科技术(尤其是微型介入外科技术)要求采用新的方法培训外科医生,以提高他们的手术技能。模拟器上反复的训练可以获得更高的安全性;手术模拟器可以模拟对人体内的重要区域的手术;手术前的模拟实验还可以改善预期手术的设计。模拟和训练都是与手术辅助有关的。眼科手术、放射治疗、颅面外科、心脏外科、肝胆外科等都是目前研究的主题。

在手术模拟中,例如模拟切除一个肿瘤,需要观察目标附近组织的内部3D结构,并且要从当前活动点指出并确定要切除的肿瘤位置。但是要想显示组织的3D内部结构并确定目标的位置是非常困难的。在实时手术模拟中,随时需要确

定下一步的动作,是移动活动点还是移走某部分对象,这时要求做到既快又准。一个3D模拟系统应当能够在一个图像上显示足够多的3D内部结构。日本Jikei大学医学院高维医学成像研究所使用虚拟现实技术开发出了一种手术规划系统,它能在虚拟空间中模拟用手术刀切割皮肤和器官(对应于虚拟空间中的弹性目标),并且采用力反馈设备反馈操作者手部压力,提供一种力感受功能。

4远程手术(telesurgery)远程手术诞生在美国的NASA,其最初的目的是能够让医生在一个地球基站中对太空中的某个宇航员进行手术。它可以作为一种远距离的医疗干预方法或是在本地医疗基础设施不足的情况下的应急措施。外科医生在一个虚拟人体模型上进行手术操作。使用传感器感受他的和种手术动作,这些动作信号经高速通讯网络传递给一个手术机器人,由机器人对病人进行手术。远程手术的最基本也是最关键的技术要求就是快速双向数据传输。手术现场的视频图像连续不断地传递给外科医生,通过一个头置式俱MD)显示装置,叠加在他面前的人体模型图像上。为了有效地操纵手术器械,还需要加上其它的信息如触觉、听觉、压力等。美国军方也在开发远程虚拟手术系统。这个系统由一个供外科医生使用的控制台和一个远程手术单元组成,在战场上得到了实际应用,并且效果很好。

5虚拟医学教育和培动(vitual medical education and training)医学教育也是VR的一个主要应用领域。VR技术可以用作医学教学、新生培训、技能测试、技术学习、手术计划等诸多方面。例如VR3D医学模型可以显示人体解剖图谱,用来帮助新生或医生更好地学习和了解人体解剖结构;VR手术模拟可以让医生在手术之前学习新的手术方法和程序,练习所制定的手术计划,在手术之后,也能让医生温习或重复全部手术过程,并且能够对医生的技能进行测定。

技能测试是VR训练模拟器的一个重要特点。实际上,人的解剖结构和疾病种类因人而异,这些差异将会给医生的诊断带来困难,增加手术的复杂性和难度,而错误的诊断或手术将会导致非常严重的后果,例如大出血、器官损伤甚至死亡。VR技术就能够为同样的疾病提供多种情况,解决这些差异带来的问题。当计算机技术取得更长足的发展时,医生在给病人做手术之前,可以在VR模拟环境中反复地练习和检查那些复杂的手术程序。

可以用VR技术检测医生的技术变化。随着年龄的增大,医生的灵活性就会

降低,此时要对其手术技能进行测试就比较困难了。由其它医生对他的技能进行测试,往往带有偏见等主观色彩,不太可靠。目前还没有一个方法能判断何时医生的技术下降到了不能进行手术的地步。VR手术模拟器就能够完成这个任务。

6.虚拟现实在康复医学上的应用(VR in rehabilitation medicine)VR在康复医学上也有广泛的应用,可以用来检测残疾程度和康复状况。Rutgers大学设计成了一种敏感手套,用于记录手指的运动和力,手套利用记录数据和力反馈信息启动相应的康复疗法。病人的康复情况可以借助VR工具(如手套式、头置式设备)得以改善GreenleafMedicalSystem已经向市场推出了一种可以为有听力障碍者提高听力的装置,其敏感手套感受手指位置的变化,变成文字显示在屏幕上,或通过声音合成器变成声音。日本Nagasaki应用科学技术研究所建立了一种基于“动作接口”的增强环境,用于病人的生理功能和定位能力测试,提供有效的康复训练计划。

7体积图像中的3D导航(3D navigation in volume image)VR的一个现实可行的目标是体积图像中的3D自由导航。实际上,目前这种研究尚处于模拟阶段。3D自由导航可以为更复杂的虚拟现实系统提供一种实验场所。有了虚拟导航,就可以进行许多手术前和手术后的处理工作。例如,在初始体积图像中定位传感,预示将要发生轨迹,观察在模拟过程上预先定义的轨迹等等。最后,结合虚拟成像引导医生的介入过程,这个过程可以是以远程方式也可以是以局部方式进行的。所有的操作都是在医生不在病人身边的情况下进行的,使用的工具同远程手术中使用的一样。一个理想的虚拟导航模型应当是一个非常符合实际响应模式的模型,能够按照病人固有的运动和虚拟手术工具的动作变化而变化。例如建立起了一个虚拟传感器后,内窥镜能够感受到感兴趣的表面区域,应当能让使用者交互式控制传感器的定位和轨迹,最后把传感器所提取的信息变换成一个可解析的图像,使用者通过观察返回的图像再控制传感器的位置,由此真实地溶入到虚拟环境之中去。以空间序列形式显示的体积图像的变化,构成了唯一的虚拟显示空间。由于没有了图像的预处理过程,所以虚拟环境包含了所有感受到的原始信息。使用者可以随意控制传感器的参数,以显示某个结构表面或者在不同的解剖结构之间进行切换。

8虚拟内窥镜(virtual endoscope)内窥镜电视手术是VR的一个非常有吸引力

的应用领域,在最近几年中得到了巨大的发展。主要原因有二个,一是可以减少病人手术死亡率,二是可以减少病人的住院时间和医疗成本。然而,在发展过程中也为医生带来了不少的实际问题:医生对病人的直接观察和对手术区域的接触减少了,手术也就变得更复杂了;另外,内窥镜的视场有限,对大范围的手术非常不利。

ARIMA虚拟病人系统最先把医学上的增强现实表现的虚拟解剖结构应用于内窥镜手术之中。它发明了一种成像模式:介入式X线视频断层成像(IVT)。这是一种用于图像引导手术的新兴的成像模式,在手术进行时,实时地显示手术器械相对于病人解剖结构的空间位置。视频成像探测器是一个由光学观察器、照明系统和电子3D传感器组成的一个特别的摄像机,当与内窥镜组合时,用来从不同角度检查腔体的内部结构或者空心器官。

9虚拟医疗中心(virtual medical center,VMC)虚拟医疗中心是一个智能化计算机化的临床服务功能,用以代替医生所起的作用。VMC的核心是一个智能中央处理单元,分布在各个家庭的全自动个人监护设备通过公用电话线连接到虚拟中心。VMC起着信号接口、数据处理单元、决策缓冲器、诊断服务的作用。它可以把家庭中的病人同医院咨询台连接起来。为病人提供日常的监护和紧急情况处理,也可以把出现的紧急情况发送给医生办公室,再返回医生的指令,在某种程度上可以代替医生的作用。

英国Portsmouth大学设计了这样一种用于家庭病人看护的虚拟医学中心。采用现有的公用电话线路和公共交换电话网络 (PSTN),接口采用了个人设备和数字增强元码技术,提供高质量的自动性和可移动性。

10远程医疗(telemedicine)远程医疗是利用多媒体计算机通信网络、电视会议系统、现代医学等技术,把大的医疗中心、综合医院、专科医院同中小医院等联系起来,使病人的资料通过通信线路,传送给远方的医生、专家,远方的医生根据这些资料,返回诊断意见和治疗建议。远程医疗系统缩小了地域环境、医疗水平、医疗设备差别造成的困难,同时也能充当一种远程医疗教育系统,为中小医院的医护人员提供了一种方便而费用极低的培训手段。

远程医疗可以为病人、医生和医护工作者之间的合作创造一个虚拟环境。澳大利亚Volgina医学研究所的一个研究小组研制了一套基于虚拟现实用户接口的

多模式交互式EEG/MEG远程数据处理系统环境。使用虚拟医学设备(VMD),产生并检测原始的和衍生的EEG信号。在远程医疗应用上,VMD主要包括三部分:病人端的数据接口(PIO)、网络服务器处理环节和医生端的显示环境。VMD允许对同一数据进行不同的观察。他们研制的MMViewer能显示脑电活动的标准脑电波形和其3D拓扑动画图像。

综上所述,VR技术在医学领域中的应用前景是非常广阔的,探索VR技术在医学领域中的应用是一件很有意义的工作。

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