虚拟现实技术在医学领域的应用及展望

朱佳伟，潘周娴，陈 适，王 青，沈 震，朱惠娟，潘 慧

(1.中国医学科学院 北京协和医学院 临床医学八年制, 北京 100730； 2.中国医学科学院北京协和医学院 北京协和医院 内分泌科 卫生部重点实验室，北京 100730； 3.中国医学科学院 北京协和医学院北京协和医院 教育处，北京 100730；4.清华大学 信息技术研究院，北京100084；5.中国科学院 自动化研究所复杂系统管理与控制国家重点实验室，北京 100190)

随着信息技术的发展，大量新兴技术被应用于医学中，其中虚拟现实技术(virtual reality,以下简称“VR”)备受瞩目。作为一门跨学科技术，VR结合了计算机图形技术、仿真技术、传感器技术、人机接口技术和显示技术等多门科学技术，利用特定的硬件设备(建模设备、现实设备和输入设备等)模拟真实场景，给予用户身浸润感，具有与环境完善的交互作用能力[1]。VR技术在医疗领域上具有广阔的应用前景，主要体现在3个方面：一是医学教学，用于理论讲解、解剖练习和手术培训； 二是临床诊疗，能够增强远程门诊、构建病变模型、改善康复效果和实现麻醉；三是医学干预，主要用于治疗精神疾病。医生的成长和治疗手段的革新离不开大量的实践，人体的复杂性也增加了其被替代的困难，VR技术模拟真实场景的能力将有效节约资源、缩短训练时间，而模拟的逼真程度也决定着VR技术的未来。

1 虚拟现实技术在医学教学中的应用

医学的学习是基于实践和经验的积累，需要可靠的样本以及真实的场景，耗费大量的金钱与时间。对于医学教学而而言，VR技术能够有效地弥补实验教学资源的不足、突破时间和空间限制、充实理论知识的学习和模拟真实场景避免危险[2]。

1.1 为传统医学教学课堂增添强有力的工具

传统的医学教学通常采用书面、幻灯片或视频进行讲解，均为二维平面模型、抽象概念，缺乏立体感，学习难度大，影响了学生的积极性；在实验课中，实验试剂、器材成本都居高不下，学生人数、时间、空间和标本等都严重制约了医学院校教学任务的实施[3]。VR模型能够立体地呈现讲解的内容，实现可视化场景，激发学生的学习兴趣，同时能够节约人体标本的使用。2017年，研究者利用电子计算机断层扫描(CT)图像和核磁共振成像(MRI)构建了正常大脑的三维解剖结构，重点表现了脑室和血管系统的结构以创造更好学习条件，受试者带上头戴式VR设备便可进行沉浸式的学习。研究结果表明，VR学习带来的体验比传统的解剖图谱令人更专注、享受、有效，提高了体验者的学习动力，但也给学习者带来了头晕、头痛或视力模糊等症状[4]。

VR模型可以被更好地标记、添加注释，获取相应组织器官的性状结构、名称等信息变得更加便捷，还能被用于反复练习解剖技巧，从而巩固所学知识，弥补传统学习的不足。

1.2 改变传统的手术培训和临床实习

为了保证手术过程顺利、减少医疗纠纷，医生在独立操作前需要经历长时间的观摩和精细的训练。VR技术提供了理想的训练平台，受训医生在虚拟的环境中观察三维人体结构，通过触觉、压力反馈装置使受训者在操作时能拥有更为真实的体验。动物模型或尸体虽然更为真实，但是存在解剖结构不同、费用较高、道德等问题，人造模型更适用于手术中部分步骤的训练，而应用VR技术进行训练不受时间、地点限制，也不会因意外而给患者造成伤害，可以反复进行练习[2]。此外，还能及时地给予受训者反馈，有效地观察、记录手术步骤，从而用于测试或评估。2017年，一种基于组织保护的VR训练系统被用于血管介入手术训练，在控制台操作的同时能在虚拟环境中看到导管在血管内的运动，辅以触觉反馈装置使训练更为真实。4名非医学专业学生在参加了5 d的训练项目后，操作时对血管的平均损伤程度减少到0.6 mm，且导管与血管的碰撞频率大大减少[5]。

表1 手术模拟训练模型Table 1 Surgical simulation training model

此外，利用当前已发出的VR手术观摩，能让观看者拥有主刀视角，更细致地观看每一步操作，创造更好的学习条件。2016年国内进行首次VR手术直播，观看者以选择戴上VR眼罩或是通过手机APP进行观看，画面可在手术室全景和3D腹腔镜画面之间进行切换，既能360°观察手术室的每一个角落，亦可在主刀医生的视角观察腹腔内的情况[6]。

2 虚拟现实技术在医学诊疗中的应用

当前已经有部分医院开通了的远程门诊服务[7]，VR技术可以进一步完善远程门诊：医生可以全方位地观察患者，增加医生与患者之间的交互，同时可以将患者各种生理参数呈现在医生面前，以便医生及时作出诊断，并给出相应的治疗措施。医生还可以利用VR技术构建患者病变部位的3D模型，在病变周围全方位地观察，制定手术方案,患者也能更好地了解手术方案和手术风险，增加医患双方的理解。

VR技术能够有效转移体验者的注意力，从而增强物理治疗的效果，甚至是用于麻醉。2016年，基于VR模拟的物理疗法治疗被用于治疗刚经历前十字韧带修复的运动员，实验组中20名受试者被置于虚拟行人交通场景中，结果证明虚拟现实场景有效地改善关节的生物力学情况[8]。在手术或治疗过程中让患者戴上VR设备进入虚拟世界，转移其注意力，减轻患者的疼痛。另一项研究招募38名经历了牙周刮治和根面平整的患者，对比了VR注意力分散疗法、视频注意力分散疗法和无注意分散法缓解疼痛的效果，结果显示接受VR疗法的患者的疼痛程度低于另外两者，且在治疗过程中患者血压降低[9]。

这些研究都表明VR技术能够完美融入诊疗之中，但仍有几个迫切的问题需要解决，比如解决用户在使用过程中的不适，增加相关人员的培训。虽然这一方面的应用仍然处在初期阶段，但是随着VR技术的飞速发展，“虚拟+医疗”比起传统疗法，势必会更受用户的青睐。

3 虚拟现实技术在医学干预中的应用

在医学干预方面，VR技术可以用于治疗精神疾病，通过反复重现令患者症状发作的场景，并利用心理学的治疗手段教导患者做出正确的反应，对患者进行训练或者是治疗大脑情感创伤[10]。2014年，一个名为“蓝屋”(blue room)系统被用于治疗心理恐惧，9个7～13岁的男孩被置于360°的全息影像世界中，周全播放都是此前对自己造成心理创伤的画面，心理学家们在“蓝屋”内进行陪伴、引导。最终9名孩子中有8个能良好应对恐惧情景，其中4个完全克服了恐惧[11]。2016年，研究者募集了59名社交焦虑障碍患者，随机分为VR场景暴露组(n=17)、现场暴露组(n=22)和候补组(n=20)，VR场景一共有8个，例如在会议室发言、参加工作面试、拒绝销售员推销的产品等，患者可以根据自身需求进行选择。经过14周的治疗后，3个组的改善率分别为76.5%、68.3%和30%，VR场景暴露法比现场暴露法更为有效、实用，并且VR场景暴露组的治疗效果在随后6个月中依然维持着[12]。相比于传统疗法，VR技术能够完美再现诱发症状的场景并加以控制，同时受试者事先知道所处的环境是虚拟的，使得受试者更容易去面对虚拟场景。

VR技术在医学干预中的治疗方法将会越来越多，效率和成本也会逐步降低，但未来仍需对场景进行完善、优化，丰富场景中的内容，增加互动，甚至是结合人工创造虚拟人物，以治疗更多的精神疾病。

4 总结与展望

由于医学专业的特殊性，当前的网络条件、技术限制、硬件设备价格过高，限制了VR技术在医学领域的应用，有专家认为这项科技只是一种辅助方式，其意义在于辅助医学教育，缩短人才的培养周期和节约培养成本。同样，如何减少使用过程中出现的头晕头痛等不适感也影响着大众对VR技术的认可。但是随着技术与硬件的不断发展完善，VR技术将进一步渗透进人们的生活中,未来，虚拟教学与虚拟医疗将与传统的教学、医疗相结合，充分发挥VR技术强大的浸润感和交互性，创造更加便捷、高效的学习、诊疗条件。

参考文献：

[1] Gerardi M, Cukor J, Difede J,etal. Virtual reality exposure therapy for post-traumatic stress disorder and other anxiety disorders[J]. Curr Psychiatry Rep, 2010, 12:298- 305.

[2] Sakakushev BE, Marinov BI, Stefanova PP,etal. Striving for better medical education: the simulation approach[J]. Folia Med, 2017, 59:123- 131.

[3] 石新丽, 唐飞羽, 孙梦雯, 等. 虚拟实验室在医学实验教学中的应用研究[J]. 实验技术与管理, 2014, 31:114- 116.

[4] Stepan K, Zeiger J, Hanchuk S,etal. Immersive virtual reality as a teaching tool for neuroanatomy [J]. Int Forum Allergy Rhinol, 2017, 7: 1006- 1013.

[5] Wang Y, Guo S, Li Y,etal. Design and evaluation of safety operation VR training system for robotic catheter surgery[J]. Med Biol Eng Comput, 2017:1- 11.

[6] 潘睿俊. 瑞金医院在国内首次运用VR技术直播3D手术[J]. 康复, 2016:8- 8.

[7] 武琼, 陈敏. 基于视联网的远程门诊系统应用探讨[J]. 中国医院管理, 2015, 35:50- 52.

[8] Gokeler A, Bisschop M, Myer GD,etal. Immersive virtual reality improves movement patterns in patients after ACL reconstruction: Implications for enhanced criteria-based return-to-sport rehabilitation[J]. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc, 2016, 24:2280- 2286.

[9] Furman E, Jasinevicius TR, Bissada NF,etal. Virtual reality distraction for pain control during periodontal scaling and root planing procedures[J]. J Am Dent Assoc, 2009, 140:1508- 1516.

[10] Pitti CT, Peate W, De l FJ,etal. The combined use of virtual reality exposure in the treatment of agoraphobia[J]. Actas Esp Psiquiatr, 2015, 43:133- 141.

[11] Maskey M, Lowry J, Rodgers J,etal. Reducing specific phobia/fear in young people with autism spectrum disorders (ASDs) through a virtual reality environment intervention[J]. PLoS One, 2014, 9:e100374. doi: 10.1371/journal.pone.0100374.

[12] Bouchard S, Dumoulin S, Robillard G,etal. Virtual reality compared withinvivoexposure in the treatment of social anxiety disorder: a three-arm randomised controlled trial[J]. Br J Psychiatry, 2017, 210:276- 283.

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为何肥胖青少年不容易瘦下来

据美国WebMD医学新闻网(2016- 10- 01)报道，一项刊登在《国际肥胖》的研究指出，儿童的代谢作用在青春期会暂时减缓，这个模式可能有助于解释目前青少年的肥胖问题。

研究发现，孩童的静态能量消耗通常会在青春期时降低，静态能量消耗代表身体在休息时燃烧热量的数目。

研究人员发现，平均来说，相较于10岁的孩子，15岁的青少年每天在休息时会少消耗450卡热量。

专家指出，这个转变是令人惊讶的，因为身体越大通常会在休息时燃烧越多热量，以提供生命必需的大脑活动、心血管系统、以及其他身体功能的能量。

为何会有这个模式目前尚不清楚，但英国Exeter大学的Terence Wilkin博士推测，人类身体可能在进化时，于青春期的重要阶段会保留热量，有助于确保充足的生长与发展。

当食物缺乏时，这个模式非常有利；但如果摄食太充裕的话，青春期燃烧热量下降可能就会因进食过多而引起体质量增加。

任何新的发现都需要在未来的研究中验证，但如果休息代谢作用在青春期确实降低的话，让孩子保持活动并保持更健康的饮食就非常重要。

婴儿吃蛋或花生可减少过敏风险

据美国WebMD医学新闻网(2016- 10- 04)报道，一篇新分析发现，及早让婴儿吃蛋或花生，可以帮助降低他们的食物过敏风险。

研究者回顾了146篇有关给予婴儿某种食物所引发的过敏反应，以及他们的食物过敏或自体免疫疾病风险的研究。他们发现，导入食物的时机会影响过敏风险，不过，对于自体免疫疾病没有类似关联。

研究者报告指出，相较于年龄较大才给予者，当婴儿在4～6个月大时给予蛋类食物，蛋过敏风险较低，在4～11个月时给予花生，花生过敏风险也比较低。

这篇文章发表于2016- 09- 20《美国医学杂志》研究指出，及早导入可以减少2.4%蛋过敏和1.8%花生过敏。

及早导入鱼类食品的证据就没有这么强。研究者发现，在婴儿6～12个月之前给予鱼类食品而降低鼻过敏或花粉症(过敏性鼻炎)的风险属于低确定性，他们报告指出，如是在6～9个月龄之前给予时，降低此食物过敏的风险属于极低确定性。