虚拟现实技术在医学影像中的应用

张志华

【中图分类号】R319【文献标识码】A【文章编号】1672-5085（2012）37-0152-02

【摘要】医学虚拟现实技术在现代医学领域有着广泛的应用，具有举足轻重的地位。本文介绍了虚拟现实技术及其在医学影像中的应用情况，着重阐释了医学虚拟现实技术对医学各领域发展的影响，并对其发展趋势做出预测与展望。

【关键词】虚拟现实技术医学影像虚拟手术虚拟诊断虚拟医学实验

虚拟现实技术与现代医学相结合，具有极重要的作用与意义。在医学领域，虚拟现实技术以医学影像为载体，可以提供集视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等多种感知，利用虚拟现实技术可以实现虚拟医学实验，模拟诊断和治疗环境，提供虚拟医学教学和培训等。因此，虚拟现实技术对医学科学发展有巨大的潜能，对现代医学影像发展也将起到革新性的推动作用[1]。

一、虚拟现实技术及其意义

虚拟现实技术（VR）是以沉浸性、交互性和构想性为基本特征的计算机高级人机界面。它以计算机系统为载体，综合利用了计算机图形学、多媒体技术、计算机网络技术、人工智能技术、仿真技术、传感器技术、数学建模等，创建虚拟世界，用以模拟人的视觉、听觉、味觉、嗅觉、触觉等感知，使人有“身临其境”的感觉，并能通过一些自然的方式与其进行实时交互。

医学虚拟现实技术作为一门新兴的学科，是推进医学信息化的重要手段。它是集医学、生物学、计算机图形学、计算机视觉、机械力学、机器学、数学分析等多学科为一体的新型交叉研究领域。近年来，随着虚拟现实技术的不断发展成熟，其在医学影像中的应用也不断深入。医学虚拟现实技术主要用途和意义有以下几点：

1、模拟医学实验和手术方案

能够利用图像数据，模拟相关医学实验，帮助医生合理、定量地制定手术方案，对于选择最佳手术方案、减小手术损伤、提高手术成功率等都具有十分重要意义。

2、保护医生和病人

对于较危险的手术或动作，如感染或放射治疗下，精确复杂的虚拟手术模拟和干预是非常必要的，这样既可以提高手术成功率，保护病人，又可以使医生免受感染或者射线伤害。

3、手术导航和远程干预

利用虚拟现实技术，将计算机处理的三维模型与实际手术进行定位匹配，进行相应的手术导航，引导医生进行手术。同时还可以实现手术的远程干预，使得主刀外科医生能够实时地获得远程专家的交互式会诊，来帮助指导相应手术操作。

4、降低手术费用

现代外科医疗检测系统造价昂贵，手术周期长，手术成本高。而虚拟手术可以不受设备的制约，缩短病人的治疗和恢复周期，降低病人和医院的开支。

5、改善病人的术后恢复

利用医学虚拟现实技术，可以减少手术的并发症。同时可以更加合理地制定术后恢复方案，使患者能够快速康复[2]。

6、为医学教学提供新思路

现阶段虚拟实验室、虚拟器官及虚拟解剖等已用于医学教学，可以增强学生兴趣，培养学生创造力和想象力，提高教学质量，为现代医学教学的改革指明了方向。

二、虚拟现实技术在医学影像中的应用现状

1、虚拟现实技术在医学影像中的应用

（1）虚拟器官和功能

利用虚拟现实技术，通过计算机可以构建人体心脏、肝脏、血管等的三维模型，并赋予其血流动力学、动态电传导、生化等特性，使之能够模拟实体器官的结构、组织以及功能。以虚拟器官和功能技术为基础，可以进行相应的虚拟医学实验、虚拟手术和虚拟药物治疗等。

（2）虚拟人体解剖。

利用CT、MR薄层扫描数据，通过计算机三维技术重建人体图像，构建一个“虚拟人”。2003年初，我国第一军医大学宣布完成了国内首例女虚拟人的数据采集，用户可以对其进行旋转、剖切等，可以逼真地重现外科手术的场面，模拟人体解剖的过程。虚拟人体解剖不需要考虑医学、经济以及伦理问题，可以作为人体解剖的前奏，即利用虚拟人体解剖，大致了解人体的各部分结构、组织和功能，这样在实际人体解剖的时候就可以得心应手。

（3）虚拟医学实验和虚拟医学教学

利用虚拟现实技术可以实现虚拟医学实验。由厦门大学、福建医科大学附属第一医院、厦门市第一医院和厦门强本科技联手研究的“数字化虚拟肝脏以及手术计划系统”，利用虚拟现实技术模拟肝脏，并对其进行药物治疗、放疗等医学实验，测得各种医学数据，目前已取得较大进展。同时利用虚拟现实技术，还可以实现医学教学与远程教学，促进医学教学的改革。

（4）虚拟影像诊断和临床

以CT和MR扫描图像为基础形成的仿真内窥镜技术是虚拟影像诊断的具体应用，与传统内窥镜相比，仿真内窥镜检查更加便捷、省事和无创等优点。虚拟临床是指病人只需使用手机和互联网、而不用重复跑医院的临床研究。目前，辉瑞制药有限公司正在美国开展此类研究，以确定此类虚拟临床研究能否产生和传统临床研究一样的结果[3]。

（5）虚拟手术

虚拟现实技术与医学影像结合，用以模拟医学环境，进行手术制定、手术演练、手术教学等工作，正成为这一领域炙手可热的研究方向。它充分利用了虚拟现实技术的人机交互和模拟现实的优点，引领现代医学的变革。例如在进行整形外科时，可以先做CT或MR扫描，由计算机生成三维结构和组织图，并以此为基础进行各种虚拟操作等。目前虚拟手术主要的研究方向有：计算机辅助手术（ComputerAssistedSurgery）、手术模拟（SurgerySimulation）、医学可视化（MedicalVisualization）、图像引导手术（ImageGuidedSurgery）等[4]。

2、存在的问题及其解决方案

目前，虽然虚拟现实技术已经大量应用到医学领域，出现了一些虚拟现实设备，但是仍然存在许多问题没有很好地解决。一个合格的虚拟现实系统应该具有高精度、高真实性和良好的人机交互性等特性。然而目前出现的大多数虚拟现实设备由于硬件和软件等的不足，还达不到这种要求，因此需要从以下几方面着手解决。

（1）加快虚拟现实系统的硬件升级

医学虚拟现实系统需要有高速度以及大容量的计算机来进行数据处理和存储；需要大量的基于多模式动态的传感器和激励器来模拟产生的人的各种感觉；需要高精度的传感器来实现精确定位以及自动跟踪等。

（2）提高多模式数据建模和处理能力

多种类型数据的抽象、建模、分割、组合以及分析是医学虚拟现实技术中必不可少的，而多模式数据处理技术是解决这一问题的关键，它能够很好地实现虚拟图像接口的设计，以记住人的感觉系统的特征。

（3）完善医学成像和图像处理技术

所有的医学虚拟现象效果都是以图形图像的形式表现出来，这就要求所显示的器官形状、位置、颜色、动态效果非常精确和逼真。这就对图像处理技术提出了更高的要求，要涉及到图像分割、图像配准、图像显示、图像形变等一系列技术。

三、总结与展望

虚拟现实技术在医学领域的应用是以医学影像为基础的，它依赖于现代影像技术的发展，同时也使医学影像有了质的飞跃，创造了超越单纯医学影像的逼真虚拟环境。医学虚拟现实技术在现代医学中有着广泛的应用，具有较重大的作用和意义，因此是现代医学发展的一个重要方向。

现阶段我国的医学虚拟现实技术发展比较缓慢，相关基础研究和应用普及还相对滞后，特别是与国外发达国家相比还有较大的差距。但是，近年来随着临床工作的需要和科技工作者的重视，相关的研究也陆续开展起来，也取得了一定的成果。医学虚拟现实技术作为一种新兴的学科，改变了传统医学治疗和手术的模式。未来医学虚拟现实技术将朝着更加智能、开放、形象和逼真的方向发展，并且将具有更加自然的人机交互性，在新的世纪必将引领现代医学的变革和进步[5]。

参考文献

[1]曹厚德.医学影像技术的主要进展及前瞻[J].中国医疗器械杂志.2003,(04):234-237.

[2]张晗,李雪梅,吕青.浅谈医学教育中虚拟现实技术的应用发展[J].中国高等医学教育.2010,(05):63-64.

[3]潘新华,谭珂.虚拟医学手术仿真技术概述[J].中国医学教育技术.2011,(04):352-355.

[4]张挽时.洞察人体的“火眼金睛”——现代医学影像新技术[J].知识就是力量.1999,(09):6-7.

[5]尹毅东.谈医学虚拟手术的运用[J].中国医学教育技术.2002,(06):355-357.