VR在医学领域的应用实践探索*

赵明锴 张一丹 郭月

(新乡医学院,河南新乡 453000)

0 引言

虚拟现实这个概念是由拉尼尔(Jaron Lanier)在20世纪80年代初提出的,又名为灵境技术或人工环境[1]。虚拟现实是指用计算机生成的一种三维立体环境,人是其中唯一掌控者。虚拟现实的三维可视化等技术与医学行业的影像分析、手术操作等存在共通点,因此VR在医学领域的应用有较大的可行性。例如计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)、数字减影血管造影(DSA)等各种医学影像技术在临床得到了广泛应用,这些技术是临床诊断和治疗评估的重要依据之一。但是这些技术在现代发展中存在一定的缺陷,比如通过计算机或投影仪等二维设备呈现的三维立体影像为伪三维;骨骼和肺内气体等人体结构产生的伪影对呈像可能造成一些干扰,另外,影像诊断在很大程度上依赖于操作医师的技术水平和实践经验。

1 VR技术演变及优劣势分析

1.1 VR的概念

虚拟现实(VR)是由计算机生成的让人沉浸在由数据所构建的虚拟环境的技术。计算机系统通过程序编写生成虚拟环境,而人通过视、听、触觉来将自身投入其中。它综合了计算机图形、图像处理与模式识别、智能技术等多门科学,是现代仿真技术的进一步发展和应用。使用者借助特殊的设备与虚拟环境中的场景、人物等各方面进行交互、影响,使其产生身临其境的感觉和体验[2]。

1.2 VR技术在实践应用中的发展历程

VR的发展历程大致可分为4个阶段。第一阶段:模糊幻想阶段。目前,根据有关资料显示,最早可以追溯到1938年法国剧作家知名著作《戏剧及其重影》,在这本书里阿尔托将剧院描述为“虚拟现实”[3]。第二阶段:萌芽发展阶段。1963年,Hugo Gernsback在《Life》杂志发表的文章中探讨了他的发明——Teleye glasses,为VR领域的发展埋下了种子[4]。1968年,著名计算机科学家伊凡苏泽兰研发了“达摩克利斯之剑”,这是真正意义上的虚拟现实设备。第三阶段:概念的产生和理论的初步形成。20世纪七八十年代,史蒂文利斯伯吉尔执导的《电子世界争霸战》是第一将虚拟现实应用到实践中。在1984年,由Jaron Lanier创办的VPL Research公司是第一家将VR设备推向民用市场的公司,因此他被称为“虚拟现实之父”。第四阶段:VR的现代发展。1993年,波音公司使用虚拟现实技术设计出波音777飞机。1995年,任天堂推出了知名游戏外设Virtual Boy。随着现代科技的不断发展,VR在医疗、教学、飞行、军事等方面得到广泛的应用。

1.3 VR技术在应用中的优势和劣势

(1)优势分析:第一,沉浸感强力。VR技术所采用的头戴显示设备为封闭式,因而使用者的视野不会被周围的环境光所干扰,为使用者创造了更好的沉浸式体验。当双眼看其所对应的屏幕时,由于视觉角度的不同,实现三维立体画面效果。第二,交互性明显。体感操作增强了代入感,通过设备模拟人体进行操作,还原在虚拟环境中人与环境之间的交互体验。以PS VR为例,现在的一些高端VR设备,内置了陀螺仪、GPS等模块可以捕捉到头部的动作,还配置了与该其相匹配的设备,通过多方位的扫描精准感应身体每个部位的动作。

(2)劣势分析:第一,3D容易晕眩附带不适感。由于人眼的光线成像点和V R产品的调焦点两者之间目前无法完全重合,因此实体与虚拟影像存在一定差异,使用者若长时间佩戴容易产生眩晕感。第二,内容存储空间占用率比较高。现有的存储和显示分辨率会影响体验,由于V R模拟的场景是三维立体的,当场景不断优化时,对存储空间的占用会呈现几何式增长。因此数据处理问题和将存储空间扩大是迫切需要解决的,否则 VR的内容永远都只是片段式的。

2 VR技术在医学方面的应用

2.1 在视力方面的应用

目前,VR技术被广泛的应用于基本的视力测试和脑震荡的识别。2 0 1 6年3月波士顿的神经技术公司S y n c Think利用整合虚拟现实软件Eye-Sync使病人的眼球运动可以被精确快速记录、观察和分析。在一分钟内就能通过判定眼球运动是否异常,对患者脑震荡的诊断进行辅助判定。VR所创建的虚拟环境主要是通过作用于人的视觉感受器从而被大脑所感知,因此,VR可以广泛地应用于视觉治疗,在弱视方面的治疗,弱视患者大多数为青少年儿童,利用V R技术将简单有趣的游戏代入治疗的过程,通过其沉浸式的优势可以更好地吸引患者的注意力,减少使用过程中患者因为注意力不集中而产生的抵抗情绪,并为医生的治疗效果做到及时反馈。2014年,美国创业公司Vivid Vision将VR技术运用于医学领域,创建了一种新型视力治疗方法,该治疗方案包含6种游戏,具有不同的难度系数来适应各个年龄阶段的患者去治疗。据公司的CEO James Blaha表示,VR技术可以通过作用于人的视觉感受器,让人们通过视觉效果去影响大脑感知能力,对于弱视患者而言,通过为患者双眼提供不同的图像,调整双眼的视觉角度,缩小双眼视力的差异,从而到达治疗效果。

2.2 在医学教学中的应用

人体解剖试验模拟在20世纪90年代被带入了课堂,系统显示的虚拟现实界面可以让医学生更加了解人体结构的位置关系和各系统之间的相互作用。医学生可以从虚拟人体上取下所需要的人体结构,在人体解剖模拟实验中进行“尸体”解剖和各种手术练习,加强学生的实践操作能力。学生通过VR眼镜装置和手持控制器,对手术的操作流程观摩和操作:从牙齿清理到麻醉评估,再到手术期间尖锐器械的使用和安全操作[5]。另外,医学生与临床患者进行接触并感受的机会很少,很多从事外科的医学生在实际技术操作方面训练机会较少,而虚拟现实技术为解决这类问题提供了新的思路。瑞典公司用VR技术做了专门用于医生培训的模拟人,通过对模拟病人进行不同的程序编写,使模拟人能够对不同复杂病情做出相对应的反应。这些模拟人的应用,使医生及学生能够进行大量的模拟,增加实践操作经验。

2.3 在心理治疗方面的应用

VR构建虚拟三维立体环境的优势可以广泛的应用在心理疾病治疗方面。其常用方式是医生通过言语去引导患者回忆过去或者想象当时的场景来治疗疾病。首次利用虚拟现实来帮助患者克服恐惧症是在2015年,美国路易斯维尔大学的精神病专家为幽闭症患者创建的一个可以控制的模拟环境,使患者可以打破逃避心理,来直面他的恐惧。模拟的世界是根据患者自身的特点所构建的,这种环境是安全的[6]。在一个名为《Snow World》的VR游戏,通过构建虚拟的冰雪世界,使医生在为烧伤患者治疗的同时通过虚拟的寒冷环境降低其末梢神经的敏感性,从而减少了疼痛感。大脑会暂时被虚假的寒冷感麻痹,从而使患者减少因烧伤带来的疼痛感,从某种意义上说VR起到了麻醉剂的效果。

2.4 在其他方面的应用

一是在慢性疼痛方面的应用。对幻肢症的治疗VR技术在其中发挥着重要的作用。幻肢痛是指被截去肢体后遗留的疼痛感,这种疼痛感是一种慢性疼痛。通常表现为自主神经受损的症状,通过VR技术的康复治疗,可以使患者感受到虚拟的患肢,同时也能够大大减轻截肢的疼痛感。二是在医院方面的应用。医疗保健专业人员可以通过电子服务系统浏览和访问患者的病历。病历的电子化能够减少因病历丢失而可能造成的医生对既往史了解不全面而使疾病诊断不准确,还有助于维护数据的隐私和安全性[7]。扩大病历,医生可以查看患者的CT、MRI、脑血管造影术等影像资料及生化指标来了解其身体状况,并通过VR构建患者的三维立体影像,为外科医生进行手术操作供新的视角。

3 结语

当前,构建一个具有高度沉浸感且易于使用、普及性强的医学相关的虚拟现实系统,还存在需要攻克的技术难题。利用VR设备进行手术预演时VR的构建模型可能与患者实体结构存在差异,导致手术风险加大,且现在的设备不适合在手术室中长时间使用。所以在处理图像方面,眩晕控制、视角控制、分辨率等成为下一步研究的方向。因此,我们要大力培育虚拟现实及程序编写方向的专业人才,推动 VR的长远发展。同时,医疗行业的顶尖人才进一步加强与VR科研人员合作,将医学相关的VR设备进行完善,加速其在医院以及医疗教育方面的推广和应用,从而推动医疗行业的进步和发展。随着5G时代的到来以及VR技术的不断改进,虚拟现实技术在医疗行业的发展将会有一个质的飞跃。