虚拟现实技术在医疗领域应用的发展建议

标签:医疗技术硬件产品

访客:19103  发表于:2017-03-29 10:04:11

虚拟现实技术在医疗领域应用的发展建议

1 引言

据国内相关医疗数据的不完全统计,我国每年大约有40万人因医疗事故、误服药物造成非正常死亡。此外,每年因为人为的原因造成医疗事故的案例占有相当一部分的比例,原因多种多样,如医务人员工作强度过大、疲劳以致操作失误、对病情的误判等。这些都是传统医疗存在的失误和不足,为了从根本上改变传统医疗的失误,虚拟现实技术与医学的融合为我们提供了新的机遇和挑战,虚拟现实技术能够在医疗中对疾病进行辅助诊断、对康复以及医学院学生的培训也发挥着举足轻重的作用。未来,医学虚拟现实技术的存在价值需要得到人们更加深刻的认识,也会在医学实践等领域得到更广泛的应用,具有广阔的发展前景。

2 虚拟现实技术

2.1 虚拟现实技术发展的现状

早在20世纪60年代,虚拟现实技术就已经产生;直至20世纪90年代,虚拟现实的理论才初步形成确立;20世纪90年代后,虚拟现实的理论得到了更进一步的发展和应用;21世纪,是虚拟现实技术的新时代,在各个国家都引起了很大的影响。

(1)北美

虚拟现实技术发源于美国,最初仅限于专用领域,如军事、航天方面的模拟训练。随着科学技术日新月异的发展,虚拟现实技术逐渐转为民用。美国国防部和美国宇航局组织了一系列对于虚拟现实技术的研究,截至目前,已经建立了多个应用领域的系统。例如,空间站、航空、卫星维护等虚拟现实训练系统;在真实的环境上叠加虚拟环境,简化零部件加工流程。上述的虚拟现实主要基于传感器技术和图形图像处理技术,目前虚拟现实技术主要关注的是时间的实时性和空间的动态性。

(2)欧洲

英国作为欧洲的发达国家之一,硬件和软件均处于领先的地位。主要有辅助设备的设计,应用的分布并行处理。德国则将虚拟现实技术应用于对传统工业产业的改造、产品演示及培训3个方面,可以降低成本,吸引客户。瑞典有团队对基于Unix的分布式虚拟现实系统进行研究,在不同节点上的多个进程可以在环境中工作在异质分布式系统。

(3)国内

相比发达国家,虚拟现实技术在我国的起步比国外发达国家相对较晚,同时也存在一定的差距。但是,近些年来虚拟现实技术在国家层面上高度重视,不断有相关部门和科学家提出制定开展虚拟现实技术的研究计划。国内的重点院校,也在这一领域积极投入展开研究工作。在国内最早进行虚拟现实技术研究的院校有北京航空航天大学计算机系、浙江大学计算机辅助设计与图形学国家重点实验室。北京航空航天大学在研究中重点研究虚拟环境中实体的物理特性如何表示以及处理的解决方法;在虚拟环境与现实环境的接口中对视觉接口方面开发出了部分硬件,提出相应算法及实现方法,实现了虚拟现实应用系统的开发平台等,在航天器材部件的模拟装卸、医疗领域模拟手术操作环境等方面都有很好的实践。

2.2 虚拟现实产业发展现状

据艾媒咨询发布的《2016上半年中国虚拟现实行业研究报告》显示,2016年中国虚拟现实行业市场规模将达56.6亿元人民币,2020年市场规模预计将达556.3亿元人民币。融资方面,国内虚拟现实领域投资活跃度从2015年开始显著提升,2015年第四季度和2016年第一季度的融资额均接近10亿元。2015年,融资案例数量占比30%,融资额占比69%。

从报告中可以看出,中国虚拟现实产业的发展资本市场前景良好,融资创新积极性较高,目前硬件制作商是中国虚拟现实行业现阶段融资发展的重点产业,虚拟现实硬件开发商的融资额占中国整个虚拟现实行业的51.9%。此外,内容开发受市场认可,线下体验店增长迅速。由于硬件设备不统一,产业链和标准不完善,虚拟现实内容和沉浸式体验较为缺乏,造成国内虚拟现实企业多为初创企业,巨头企业保持观望或初步试水的状态。

2.3 虚拟现实技术的特点

(1)人机之间的交互性

即实现用户在虚拟环境中与物体之间的可操作性和充分交换信息,以及包括从环境得到反馈信息的表示。用户通过自身的语言、身体运动或动作等自然技能,对虚拟环境中的对象进行触摸或操作。为了实现交互性必须设计特殊输入设备,而这些设备能够将用户所发出的指令进行识别和输入,同时对用户发出的指令作出相应的反馈,以实现现实环境中的仿真效果。

(2)存在感

即临场感或沉浸感,指用户在模拟的环境中以自己真实身份的物理存在,或者在这种意识状态下,用户会拥有一种看上去真实从而感觉真实的虚拟体验。可以使用户在理想的模拟环境中达到真假难辨的程度,有身临其境的体验。存在感可以在虚拟环境中营造出令用户无法怀疑的现实感,用户也相信虚拟环境的真实性。

(3)自主性

即在虚拟环境中的物体依据现实世界物理定律运动的程度,也就是现实已知规律的指导虚拟世界的运行和对未知世界的想象结合。

(4)多感知性

在虚拟环境中,用户以逼真的身份存在,所以用户在现实生活中的人体感觉在虚拟环境中也存在,包括视觉感知、听觉感知、触觉感知、味觉感知、嗅觉感知、运动感知、重力感知等。最理想的虚拟现实是具有现实环境的所有感知功能,而虚拟现实的多感知目前处于初级阶段,一些感知还有待新的技术的开发,如位置感知。

2.4 虚拟现实相关技术

(1)三维视觉显示技术

人类对客观事物的反应是获取视觉信息最主要的传感通道,视觉通道成为虚拟现实系统获得视觉、触觉、听觉、嗅觉、味觉等多感知的最重要环节。在视觉显示技术中,实现三维显示技术是作为虚拟现实技术的重要支撑技术。

(2)真实感实时绘制技术

利用在计算机中实现现实环境的场景画面。模拟出现实物体的物理属性,如物体的形状、光学性质、纹理和粗糙程度,以及物体间的相对位置、遮挡关系等。

(3)立体虚拟声音的实现技术

在虚拟现实系统除了有视觉显示之外,如果加入立体虚拟声音,则可以更好地增强用户在虚拟环境中的存在感和人机之间的交互性,也可以减弱大脑依赖于视觉,能够使用户在虚拟环境中获取更多地视觉感受和听觉感受,实现真实的环境。

(4)虚拟环境建模技术

在虚拟现实系统中,建立虚拟环境至关重要,先要进行建模,其次在其基础上实现实时绘制、三维显示,营造一个虚拟的环境。

3 虚拟现实在医疗领域的应用

虚拟现实技术与医学和教育深入的融合可以在很大程度上改变我国医学高校及医疗服务行业的现状,为实习医生创造出一种有强烈现实沉浸感的虚拟环境,为学生们更好地掌握医学知识和熟练地提升试验技能开拓了一片新天地。加强学生对知识和时间感受的同时,也增强了医生与疾病、医生与患者之间的相互感知。深入开展虚拟现实技术在医疗领域的应用,为当前医院的疾病诊断和治疗方案提供了技术基础,为我国的医疗技术改革提供了强大的驱动力。

3.1 手术场景模拟

在外科手术中,可以利用各种影像数据,建立出模拟的环境,进行手术计划的制定,制定好计划之后进行重复的手术模拟演练,通过这种方式开展手术的教学。这样非常有利于提高医生们的手术水平,又可以对经验不足的年轻医生们进行培养,以面对真实手术环境时随机应变的能力,在很大程度上降低了手术过程中因为经验不足、预备不够等原因造成的不必要的失误发生率。同时,如果将整个模拟环境手术操作过程录制为影像资料,也方便医学生对该手术的学习,进行教学实践的模拟训练,增强自身的手术能力。

在手术教学模拟的实际操作中,可以使用3DMAX、AutoCAD等软件进行多边形等方式的建模,构建如肝脏、胆囊、心脏、骨骼等三维模型,模型需真实性高,并具有其相应的生理特性。接受培训的医生在操作虚拟手术前,可以观察高分辨率三维人体图像,感受模拟触觉,如切割组织时产生的阻力等,使手术操作者有在真实人体手术的感觉。这样既不会对病人的生命造成危险,又可以给培训的医生提供反复练习的机会。在虚拟手术之后,系统还可以通过对切口压力与角度、组织损害和其他指标的准确测定,监测培训医生手术操作技术是否有进步。

3.2 临床诊断

在临床诊断方面,可以利用三维重构技术,建立部分虚拟内镜的模型,使医生的视角在病人体内甚至毛细血管中自由转换,这种动态的虚拟现实对临床诊断具有珍贵的价值。还可以将人体躯干模型重建,其中的虚拟器官能够模拟真实器官的弯曲、伸长以及切割时产生的边缘收缩现象。为诊断提供了良好的实验环境。同时,还可以建立虚拟耳窥镜模块,以虚拟现实的形式显示耳的剖面结构,通过CT和MRI图像数据重建耳的内表面,模拟传统内镜对内耳的检查过程,并针对其功能进一步的深入研究。

3.3 远程干预

远程干预能够使在手术室中的外科医生与远程的专家实时的交互并对病人会诊,使在某一领域具有丰富经验的专家不受空间距离的限制。目前,存在的主要难题是网络数据的传输延迟,传输延迟会导致操作不能连贯进行,解决这一问题比较好的方法是采用专用的网络通道、高性能的GPU进行控制。在虚拟现实手术会议系统中,能够实现对器官和肿瘤的模拟,通过头部定位的现实装置进行查看,癌症模型进行手术的过程中,远程的专家能够对病人器官的真实视频图像进行实时的交互。

4 未来推动医疗虚拟现实发展的建议

虚拟现实技术的前景一片光明,且正在改变人们固有的思维方式,人们原本的生活习惯,甚至会改变人们对自我和世界的认知。与此同时,由于医学领域的特殊性和重要性,它不仅要求医学生能够熟练地掌握专业知识,更要求医学生能够培养出过硬的实践动手能力。目前,很多医学类的高校教学由于教学医院资源的不足,造成“纸上谈兵”的现状,即使学校能够做到教给学生足够丰富的理论知识,然而却没有与之相当的实践教学来加以辅助,这样的教学会使医学生未来与实际的工作脱节,如果放任下去,未来我国医学的发展会受到严重的影响。

因此,将对以下几点进行建议:

(1)加强战略规划和顶层设计

以虚拟现实技术在医疗领域带来的广阔前景为契机,设计虚拟现实与医疗领域融合发展的线路图,为产业发展明确思路并提供政策引导。

(2)推动关键技术产品研发及产业化

出台产业促进政策,组织产、学、研、用各方面力量解决关键共性技术问题。鼓励开发具有更好使用体验的创新性产品,让虚拟现实真正成为拉动医疗信息领域消费的增长点。结合“中国智造2025”和“互联网+”行动计划的实施,选取医疗领域作为虚拟现实应用推广的突破口,逐步推广医疗虚拟现实应用领域,设立示范医院。

(3)扶持创新创业企业

在社会资本对虚拟现实热度持续走高的背景下,结合大众创业、万众创新,聚合更多技术团队和小微企业从事医疗虚拟现实产业的设计、开发、制造等工作。提供政策与资金扶持,鼓励技术创新投入,帮助医疗虚拟现实产品建立更多更丰富的种类,聚拢研发型科技人才。

(4)推动建立标准化体系

鼓励中国医疗虚拟现实企业积极参与国际相关标准化工作,将中国自主知识产权技术融合到国际标准中,并适时转化为国家标准。鼓励企业联合各相关社会组织快速出台团体标准,形成标准先行、保障应用的良好态势,为尽快出台医疗虚拟现实相关国家和行业标准创造条件。推动建立医疗虚拟现实技术、产品和系统评价指标体系,开发相应的评价工具,保障医疗虚拟现实产品性能和质量。

(5)推动形成完善的产业链

支持建立医疗虚拟现实产业合作平台,推动产业界的技术和人才交流,为产业链上下游协作和配合提供服务,形成硬件、软件和内容协同发展的局面。促进产学研用相结合,形成一批具有国际先进水平的人才团队,构建从基础研究、技术开发、产品设计、内容制作、质量检验到售后服务一条龙的产业体系和生态圈。

5 结束语

随着市场上用于虚拟现实技术的软、硬件产品不断增多,价格的普遍下调,虚拟现实产品的成本也将大大降低,大众化的虚拟现实技术应用方案必然会在医疗工作的各个领域推广,我们需要立足自身实际,通过与高等院校、虚拟现实厂商对于相关标准的讨论,为医务人员提供更为高质量、广阔而透明的研究和教学平台。还需要充分利用国内外的最新的科研成果和现有资源,将研究延伸到更深的层次,使虚拟现实技术带来巨大的社会效益和经济效益,不断提升医疗水平,造福人类社会。

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