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文檔簡介
1、計(jì)算機(jī)圖形學(xué),虛擬現(xiàn)實(shí)在醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用,什么是虛擬現(xiàn)實(shí),虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù):是指一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)它利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境是一種多源信息融合的交互式的三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真使用戶沉浸到該環(huán)境中的一種技術(shù)。,基本簡介:虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是仿真技術(shù)的一個(gè)重要方向是仿真技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)人機(jī)接口技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)的集合是一門富有挑戰(zhàn)性的交叉技術(shù)前沿學(xué)科和研究領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(V
2、R)主要包括模擬環(huán)境、感知、自然技能和傳感設(shè)備等方面。模擬環(huán)境是由計(jì)算機(jī)生成的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的三維立體逼真圖像。感知是指理想的VR應(yīng)該具有一切人所具有的感知。除計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)所生成的視覺感知外,還有聽覺、觸覺、力覺、運(yùn)動(dòng)等感知,甚至還包括嗅覺和味覺等,也稱為多感知。自然技能是指人的頭部轉(zhuǎn)動(dòng),眼睛、手勢、或其他人體行為動(dòng)作,由計(jì)算機(jī)來處理與參與者的動(dòng)作相適應(yīng)的數(shù)據(jù),并對(duì)用戶的輸入作出實(shí)時(shí)響應(yīng),并分別反饋到用戶的五官。傳感設(shè)備是指三維交互設(shè)備。,
3、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用:隨著近些年來VR技術(shù)的愈發(fā)成熟,目前在很多方面上都有廣泛的應(yīng)用。比如娛樂方面的3D電影行業(yè)和網(wǎng)絡(luò)游戲、工業(yè)上的工業(yè)和汽車仿真、能源上的油田礦井和水利電力、軍事航空上的模擬訓(xùn)練和衛(wèi)星發(fā)射,以及旅游和醫(yī)學(xué)等各方面的應(yīng)用。,醫(yī)療領(lǐng)域虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用:VR在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。在虛擬環(huán)境中,可以建立虛擬的人體模型,借助于跟蹤球、HMD、感覺手套,學(xué)生可以很容易了解人體內(nèi)部各器官結(jié)構(gòu),這比現(xiàn)有的采用教科書的
4、方式要有效得多。Pieper及Satara等研究者在90年代初基于兩個(gè)SGI工作站建立了一個(gè)虛擬外科手術(shù)訓(xùn)練器,用于腿部及腹部外科手術(shù)模擬。這個(gè)虛擬的環(huán)境包括虛擬的手術(shù)臺(tái)與手術(shù)燈,虛擬的外科工具(如手術(shù)刀、注射器、手術(shù)鉗等),虛擬的人體模型與器官等。借助于HMD及感覺手套,使用者可以對(duì)虛擬的人體模型進(jìn)行手術(shù)。但該系統(tǒng)有待進(jìn)一步改進(jìn),如需提高環(huán)境的真實(shí)感,增加網(wǎng)絡(luò)功能,使其能同時(shí)培訓(xùn)多個(gè)使用者,或可在外地專家的指導(dǎo)下工作等。手術(shù)后果預(yù)測及
5、改善殘疾人生活狀況,乃至新型藥物的研制等方面,VR技術(shù)都有十分重要的意義。在醫(yī)學(xué)院校,學(xué)生可在虛擬實(shí)驗(yàn)室中,進(jìn)行“尸體”解剖和各種手術(shù)練習(xí)。用這項(xiàng)技術(shù),由于不受標(biāo)本、場地等的限制,所以培訓(xùn)費(fèi)用大大降低。一些用于醫(yī)學(xué)培訓(xùn)、實(shí)習(xí)和研究的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng),仿真程度非常高,其優(yōu)越性和效果是不可估量和不可比擬的。例如,導(dǎo)管插入動(dòng)脈的模擬器,可以使學(xué)生反復(fù)實(shí)踐導(dǎo)管插入動(dòng)脈時(shí)的操作;眼睛手術(shù)模擬器,根據(jù)人眼的前眼結(jié)構(gòu)創(chuàng)造出三維立體圖像,并
6、帶有實(shí)時(shí)的觸覺反饋,學(xué)生利用它可以觀察模擬移去晶狀體的全過程,并觀察到眼睛前部結(jié)構(gòu)的血管、虹膜和鞏膜組織。,及角膜的透明度等。還有麻醉虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、口腔手術(shù)模擬器等。外科醫(yī)生在真正動(dòng)手術(shù)之前,通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的幫助,能在顯示器上重復(fù)地模擬手術(shù),移動(dòng)人體內(nèi)的器官,尋找最佳手術(shù)方案并提高熟練度。在遠(yuǎn)距離遙控外科手術(shù),復(fù)雜手術(shù)的計(jì)劃安排,手術(shù)過程的信息指導(dǎo),手術(shù)后果預(yù)測及改善殘疾人生活狀況,乃至新藥研制等方面,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)都能發(fā)揮十分重
7、要的作用。,虛擬現(xiàn)實(shí)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用大致上有兩類。一是虛擬人體,也就是數(shù)字化人體,這樣的人體模型醫(yī)生更容易了解人體的構(gòu)造和功能。另一是虛擬手術(shù)系統(tǒng),可用于指導(dǎo)手術(shù)的進(jìn)行。虛擬人體就是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建造人體模型。在做這種項(xiàng)目的時(shí)候并不像想象中的那么簡單,首先必須詳細(xì)了解人體結(jié)構(gòu),這就需要十分深入的知識(shí),或者全面的知識(shí)科普。其次,運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建造虛擬人體的時(shí)候,必須要注意層次結(jié)構(gòu),不能僅僅是技術(shù)或者軟件的簡單操作,而應(yīng)該結(jié)合人體結(jié)構(gòu)知識(shí)
8、進(jìn)行。虛擬人體的與現(xiàn)實(shí)人體相比,其優(yōu)點(diǎn)也是顯而易見的。第一,從操作角度來說,虛擬人體雖然只是一個(gè)模型,但是因?yàn)槠浜诵募夹g(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí),也能實(shí)現(xiàn)互動(dòng)——比如選擇性觀察、內(nèi)部解剖等。第二,普通的人體模型需要大量的人力物力進(jìn)行保存管理,而且保存的時(shí)間不長,但是虛擬人體完全沒有這方面的憂慮,這也是虛擬模型的突出優(yōu)勢。通過這兩個(gè)方面的結(jié)合,可以看出,虛擬人體可以讓醫(yī)生更方便的學(xué)習(xí)和了解人體的構(gòu)造以及功能。如果非要找出它有所欠缺之處,大概就是在實(shí)
9、體感官上了。還是會(huì)有很多人固執(zhí)地糾結(jié)“虛擬人體不能帶來百分百的真實(shí)感,這樣會(huì)使得學(xué)習(xí)過程中感覺失真,感受不深”等問題。這種問題的看法見仁見智,但是事實(shí)卻是:虛擬人體的使用越來越廣泛了。,另一種是虛擬手術(shù)系統(tǒng),這也是三維互動(dòng)系統(tǒng)的內(nèi)容,也是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域教育培訓(xùn)的平臺(tái)之一。虛擬手術(shù)系統(tǒng)是通過三維互動(dòng)系統(tǒng)呈現(xiàn)手術(shù)的過程。但是因?yàn)槭侨S互動(dòng),所以并不會(huì)只是簡單的操作現(xiàn)實(shí),而是可以進(jìn)行“互動(dòng)”——讓學(xué)習(xí)者可以進(jìn)行虛擬操作,并根據(jù)系統(tǒng)程序顯示“手術(shù)結(jié)
10、果”。這樣既能達(dá)到教學(xué)的目的,也能取得一定程度上的“實(shí)操”體驗(yàn)效果。因?yàn)樘摂M手術(shù)系統(tǒng)的制作不僅對(duì)醫(yī)學(xué)知識(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以及系統(tǒng)編程的技術(shù)水平要求非常之高,而且對(duì)于這三者的結(jié)合運(yùn)用要求更高,所以這種系統(tǒng)現(xiàn)階段并不能廣泛被開發(fā)應(yīng)用,反而只是一般展示培訓(xùn)教學(xué)作用的醫(yī)學(xué)動(dòng)畫被應(yīng)用得更多。而國內(nèi)許多做三維互動(dòng)系統(tǒng)、三維動(dòng)畫的虛擬現(xiàn)實(shí)公司并沒有達(dá)到做這方面項(xiàng)目的技術(shù)要求。,虛擬現(xiàn)實(shí)在醫(yī)學(xué)上的六種應(yīng)用,1.解決截肢者的幻痛煩惱: 截
11、肢受害者中最常見的煩惱就是幻肢痛 - 患者感到被切斷的肢體仍在,且在該處發(fā)生疼痛。疼痛多在斷肢的遠(yuǎn)端出現(xiàn),疼痛性質(zhì)有多種,如電擊樣、切割樣、撕裂樣或燒傷樣等。對(duì)幻肢痛的發(fā)生原理,目前尚無統(tǒng)一意見,西醫(yī)亦乏有效療法。很有可能大腦對(duì)肢體仍然存有意識(shí),即使它已經(jīng)不存在了。盡管這樣的問題發(fā)生存在一定的頻率,但至今沒有一種有效地方法適用于所有的截肢者。,2.舒緩燒傷受害者的痛苦: 燒傷患者同樣可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來減輕疼痛,患者可以通過一個(gè)叫做&
12、quot;SnowWorld"的虛擬現(xiàn)實(shí)游戲可以緩解燒傷治療后的痛苦(比如誘導(dǎo)“皮膚伸展”療法),這個(gè)游戲最早是由位于梅伍德(Maywood,位于美國),伊利諾伊州的羅耀拉大學(xué)醫(yī)院(Loyola University Hospital)開始應(yīng)用。在這個(gè)虛擬冰雪世界中,病人可以飛躍冰雪覆蓋的峽谷,下面是冰冷的河流和瀑布,水面上狹窄的浮冰上有很多雪人、冰屋、機(jī)器人和企鵝,可以向他們投擲雪球。病人的注意力被吸引到冰雪世界中,不再關(guān)注
13、自己的傷痛,從而在清涼幻覺中有效減輕痛楚。經(jīng)過MRI檢查結(jié)果和病人的體驗(yàn)結(jié)果證實(shí)它是成功的。 3.治療士兵患有的創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙(PTSD):VR能夠有效治療從戰(zhàn)場返回患有創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙的士兵。治療中,VR設(shè)備會(huì)將會(huì)把士兵帶回戰(zhàn)爭的一個(gè)場景,讓他們再次“經(jīng)歷”戰(zhàn)爭和死亡,使其在適當(dāng)?shù)膲毫ο轮饾u學(xué)會(huì)處理,控制自己的情緒。雖然很多人對(duì)于這種治療方式存在爭議,支持者說使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與其他的治療方式相結(jié)合會(huì)達(dá)到非常很理想的治療效果。VR可以
14、幫助治療的心理障礙并不僅僅局限于創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙。 虛擬現(xiàn)實(shí)醫(yī)療中心(The Virtual Reality Medical Center)對(duì)于恐懼癥,焦慮癥和驚恐障礙都都有很不錯(cuò)的治療效果。,4.治療兒童自閉癥: 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)證實(shí)了其在治療兒童自閉癥方面的能力。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為自閉癥患者創(chuàng)造一種安全、無威脅的技能實(shí)踐教育環(huán)境以訓(xùn)練其社會(huì)技能,使患者與電腦之間存在積極而且豐富的互動(dòng)。之所以可以達(dá)到這種治療效果是因?yàn)閮和陔娔X互動(dòng)之間
15、存在樂趣,大大降低了其對(duì)陌生環(huán)境和陌生人物的恐懼感。海寧卡塞爾(Justine Cassell),西北大學(xué)(Northwestern University)的技術(shù)中心和社會(huì)行為的主任告訴NBC(美國全國廣播公司)News說,這個(gè)技術(shù)擁有可預(yù)測性,可控性和“無限的耐心”,他可以像一個(gè)非常負(fù)責(zé)人的老師來有效地教導(dǎo)這些孩子。,5.為學(xué)生提供手術(shù)練習(xí)的機(jī)會(huì): 醫(yī)學(xué)院的學(xué)生并沒有太多自己動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì),所以不會(huì)有嘗試和犯錯(cuò)的可能。虛擬現(xiàn)實(shí)使其完成
16、了一次從理論到實(shí)際操作的大跳躍,讓學(xué)生們也能夠多次經(jīng)歷手術(shù)臺(tái),做到“熟能生巧”。最近虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用包括3D模擬一個(gè)女人的分娩過程,這能夠幫助醫(yī)生在手術(shù)之前做到更完善的籌備和提高對(duì)異常情況的處理能力。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還能夠提供其他任何手術(shù)類型的模擬器,從腦外科手術(shù)到整形手術(shù)。就像我們親自在現(xiàn)場所看到的,無論是從外觀還是感覺,就像真正的走進(jìn)了手術(shù)室。,6.虛擬現(xiàn)實(shí)可以幫助酗酒者:韓國很久之前的一份報(bào)告顯示, 虛擬環(huán)境可以幫助到酗酒患
17、者的治療。 調(diào)查人員為酗酒患者設(shè)置了三個(gè)虛擬環(huán)境: 第一個(gè)是放松的環(huán)境, 第二個(gè)是酗酒的危害, 第三個(gè)是展示酗酒者的形象。通過這些療法, 點(diǎn)查人員發(fā)現(xiàn), 患者對(duì)酒精的腦部敏感度會(huì)大大降低。 但是這項(xiàng)研究僅僅是調(diào)查了12位患者, 所以我們需要進(jìn)行更多的調(diào)查研究。,除了上面所說應(yīng)用之外,在臨床診斷上利用三維重構(gòu)技術(shù)開發(fā)的純軟件——醫(yī)學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)已經(jīng)開發(fā)出許多虛擬內(nèi)窺鏡的軟件,可以使醫(yī)生的視線在病人體內(nèi)甚至毛細(xì)血管中自由航行,這種動(dòng)態(tài)的現(xiàn)實(shí)顯示
18、對(duì)臨床診斷具有無比珍貴的價(jià)值。在整形外科領(lǐng)域,運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠模擬術(shù)后的效果,避免可能出現(xiàn)的不和諧之處。在遠(yuǎn)程醫(yī)療領(lǐng)域,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也有著巨大潛力,例如在偏遠(yuǎn)的山區(qū)通過遠(yuǎn)程醫(yī)療虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng),患者不進(jìn)城也能夠接受名醫(yī)的治療。對(duì)于危急病人,還可以實(shí)施遠(yuǎn)程手術(shù),這時(shí)醫(yī)生只要對(duì)病人模型進(jìn)行手術(shù),他的動(dòng)作就可以通過衛(wèi)星傳送給遠(yuǎn)處的手術(shù)機(jī)器人,手術(shù)的實(shí)際圖像通過機(jī)器人上的攝像機(jī)還能夠傳回到醫(yī)生的頭盔立體顯示器,并將其和虛擬病人模型進(jìn)行疊加,為醫(yī)
19、生提供有用的信息。,,總結(jié),現(xiàn)在日新月異的計(jì)算機(jī)和電子技術(shù)為VR在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用提供了眾多的功能。然而,當(dāng)今醫(yī)學(xué)上VR的應(yīng)用仍然存在許多問題。主要有: 1、安全問題:如何合理地使用傳感器,保證傳感器的生物相容性,檢測各種信息之間可能存在的沖突,以及控制誤差傳遞等。在無人工干預(yù)的情況下,它們應(yīng)當(dāng)能夠自動(dòng)追蹤和處理隨時(shí)可能發(fā)生的任何異常現(xiàn)象?! ?、使用效益:包括系統(tǒng)的精度、使用性能、人機(jī)交互性、是否為病人和醫(yī)生所接受等?! ?、社會(huì)
20、因素:所有的這些技術(shù)并不是要用來取代醫(yī)生的作用,而只是為他們的工作提供額外的幫助和功能?! ?、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域上的應(yīng)用為臨床醫(yī)學(xué)和醫(yī)學(xué)教育提供了許多新的功能。雖然已經(jīng)出現(xiàn)了不少用于工業(yè)目的的虛擬設(shè)備,但是它們可不能用在醫(yī)學(xué)上,這是因?yàn)橐圆∪藶閷?duì)象的醫(yī)學(xué)上的虛擬設(shè)備對(duì)設(shè)備精度和安全性要求更高。實(shí)際上,到目前為止,還沒有一種可以完全作醫(yī)學(xué)應(yīng)用的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。 不過我們相信,在不久的將來,VR技術(shù)將在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域上為我們做
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