元宇宙技术应用于医疗器械检验初探

冯家祺 谢胜芬 张晨 广东省医疗器械质量监督检验所 （广东 广州 510663）

内容提要： 近来，元宇宙作为一个新兴概念受到各界的广泛关注。元宇宙是具有自身经济系统的、内容可创造的、与现实紧密联系的、能提供沉浸式感官感受的虚拟世界。医疗器械是最常见的一类医疗产品，在诊断及治疗疾病方面发挥了重要作用。质量检验是保证医疗器械安全有效的重要一环，元宇宙带来的虚实融合的互联网新体验或将可以助力医疗器械检验现代化的推进，提升检验现代化水平。文章将介绍元宇宙概念及相关技术，并探索元宇宙技术在医疗器械检验中的应用。

从2008年Arikan提出Polar码，到2018年华为基于Polar码的第五代移动通信技术（5th Generation Mobile Communication Technology，5G）技术战胜高通成为国际标准；从1990年Scott等提出分布式时间戳，到2008年中本聪创造性地提出区块链概念并发布比特币；从1956年MeCarthy等提出人工智能概念，到2016年AlphaGo战胜围棋世界冠军李世石……有的时候，并不是人类在等待技术的突破，而是技术在等待人类发现它的光芒。近来，业界围绕元宇宙概念作出了一系列动作，包括脸书公司宣布全力投身元宇宙产业，并更名为“Meta”，都昭示了现实与虚拟同构的时代正呼啸而来。

医疗器械是最常见的一类医疗产品，在诊断及治疗疾病方面皆发挥了重要作用。当前，我国医疗器械的市场规模巨大，并在医改深入、医疗科技快速发展、人口老龄化等因素的驱动下迅速扩容。根据国家药监局公布的数据显示，截至2021年9月底，全国实有医疗器械生产企业2.80万家，经营企业102.92万家。质量检验是保证医疗器械安全有效的重要保障，元宇宙带来的虚实融合的互联网新体验可以有效提升医疗器械检验现代化水平，为检验检测工作带来便利。本文将介绍元宇宙概念及相关技术，并探索元宇宙技术在医疗器械检验中的应用。

1.元宇宙概念

元宇宙是具有自身经济系统的、内容可创造的、与现实紧密联系的、能提供感官感受的虚拟世界。

北京大学陈刚教授这样定义元宇宙：“元宇宙是与现实世界映射与交互的虚拟数字生活空间，通过科技手段进行链接与创造[1]。”清华大学沈阳教授表示：“元宇宙是一种新型虚实融合的互联网应用和社会形态，它基于虚实融合技术提供沉浸式体验，基于数字孪生技术创建现实世界的镜像，基于区块链技术构建去中心化经济体系，将现实世界与虚拟世界全方位、多层次整合，并允许用户进行内容生产和编辑[2]。”

元宇宙是一个与现实世界平行的虚拟世界，拥有丰富的交互方式与沉浸式体验，每个用户拥有一个虚拟身份，使用虚拟货币交易，并且虚拟世界中的感官感受、社会行为、经济行为等与真实世界高度互通。目前元宇宙还处于初级阶段，其运作方式与现实世界中的虚拟现实游戏非常相似，但元宇宙并不等同于游戏，而是互联网发展的下一站。

从技术角度上说，元宇宙是互联网应用的迭代，实现了从“在线”到“在场”的交互升级，在内容载体、传播方式、交互方式、参与感和互动性等方面都有了创新性的突破，能够从最大程度上让人摆脱肉体的束缚与时空的限制。

2.元宇宙技术

元宇宙不是一项新技术，而是现有IT技术的整合运用，下面将逐一进行介绍。

2.1 虚实融合技术

虚拟现实（Virtual Reality，VR）是通过VR眼镜等装置与计算机生成的模拟环境交互的一种技术[3]。增强现实（Augment Reality，AR）是通过显示器等装置将虚拟物体叠加到真实场景中的一种技术[4]。混合现实（Mixed reality，MR）是一种结合现实与虚拟的新型可视化环境[5]。XR扩展现实（Extended Reality，XR），是AR、VR、MR等多种虚实融合技术的统称。脑机接口将人脑与外部设备之间建立直接连接，实现大脑与设备的信息交换[6]。

虚实融合技术是元宇宙的入口，元宇宙通过虚实融合技术提供视觉、听觉、嗅觉、触觉等沉浸式感知体验，实现虚实交互。

2.2 高速无线通信技术

5G、6G是具有高传输速率、低延迟和大连接特点的第五、第六代移动通信技术，是实现人机物联网的通信基础设施。

网络及传输技术是元宇宙的基础设施，元宇宙所需要的沉浸式虚实融合体验，要求高同步、低延迟的网络，以5G、6G为首的高速无线通信技术能够为元宇宙提供可靠的高速通信。

2.3 物联网

物联网是指通过网络将信息传感设备连接起来，进行通信和信息交换，以实现万物智能化的一种技术[7]。

物联网技术为元宇宙万物互联及虚实共生提供可靠的技术保障，通过各种信息传感器采集信息，实现物与物、物与人、人与人及现实与虚拟间的广泛连接。

2.4 云计算

云计算是一种资源计算模式，运算设施、存储设备、应用程序等共享资源以服务的方式通过网络提供给用户使用，用户可随时随地、按需、便捷地访问这些共享资源[8]。

元宇宙中虚实交互会产生难以想象的海量数据，这意味着元宇宙的运行需要强大的运算能力，云计算是一个很好的解决方案。

2.5 区块链

区块链是一种分布式数据管理技术，具有去中心化、公开透明、可追溯、不可篡改及伪造等特性[9]。

区块链是支撑元宇宙经济系统的重要技术，可以在元宇宙中建立一个独立运行且链接现实世界的安全可靠的经济系统。同时，这种分布式互联的方式大大地提高了数据和信息交易的安全。

2.6 人工智能

人工智能是一门集合了计算机科学、数学、统计学等学科的技术，广泛应用于语音识别、图像识别、自然语言处理等领域[10]。

人工智能为元宇宙大量的应用场景提供技术支持，可以丰富元宇宙中的互动生态，通过人工智能创作、创造新的内容，提供更饱满的互动感受。

3.元宇宙医疗发展现状

元宇宙作为互联网的最新形态，提供了全息构建、全息仿真、虚实融合、虚实互联、沉浸式感知和智慧处理等功能，能够突破肉体的束缚与时空的限制。随着元宇宙生态的广泛探索，元宇宙于医疗领域的应用已初见雏形。

阿联酋医疗公司Thumbay Group推出了首个元宇宙医院，患者将通过虚拟化身在虚拟空间享受医疗服务[11]；印度的Yashoda医院在元宇宙应用Decentraland中购买了虚拟地块，计划建造一家虚拟医院，以实现患者与医生之间的互动交流。

在中国，各界正积极投身到元宇宙医疗的实践中。2022年2月，由上海复旦大学呼吸病研究所等机构组建的“元宇宙医学联盟”正式成立，并与各国专家达成“元宇宙医学共识”，以期聚拢数字新技术突破现有医疗模式的局限。同年7月，浙江省中医院与华为、中国移动、海康威视等数字化建设重量级单位签署了合作协议，将该院作为研发中心和实验基地，打造中国首家元宇宙智慧医院。同时，多地政府也相继出台相关政策支持元宇宙的发展：黑龙江省《“十四五”数字经济发展规划》中提到，将面向医疗领域需求，发展特色软件产品，推动元宇宙在远程医疗等领域的应用；合肥市《政府工作报告》中提到，合肥将瞄准元宇宙医疗等前沿领域，打造智慧医疗等优势产业链；浙江省发布的《未来产业先导区建设指导意见》中提到，将围绕医疗健康等目标，以颠覆性技术为引领，构建元宇宙医疗发展体系。

4.元宇宙于医疗器械检验的应用情境

目前，元宇宙应用于医疗产业主要集中在医疗服务和医疗教育方面，在医疗检测领域还鲜有探索。新修订的《医疗器械监督管理条例》中提到，国家将在医疗器械监督管理信息化、现代化方面加强建设，提升监管效率、降低监管成本。元宇宙带来的虚实融合的互联网新体验可以在以下场景助力医疗器械检验现代化的发展。

4.1 检验教学

传统教学存在教学内容枯燥单调、技能教学缺乏实践等问题。元宇宙的出现重新定义了教育的教学模式与教学资源，在医疗器械检验教学中的应用场景如下：①医疗器械专家随时随地提供沉浸式的科普教育与专业指导；②检验学员通过虚实融合工具学习医学知识、医疗器械检验知识，并可实践检验操作；③检验学员戴上VR头戴式显示设备就可以进入到一个虚拟实验室，当用手接触样品时会感受到触感，当使用量具检测样品时会感觉到阻力；④检验员可以通过元宇宙应用远程指导送检企业制备试样、排除检验问题等。

4.2 检验检测

元宇宙技术应用于检验检测的应用情境可贯穿检验检测全流程，具体情境如下。

在检视样品的情境中，检验员可以通过虚拟现实应用全方位、多角度地检视样品。如图1所示，虚拟现实应用可以将样品3D全息影像映射至现实场景中。在检验前的准备工作及检验过程中，检验员可以使用虚拟现实应用将样品模型拆分，利用手势缩放、旋转、移动样品，以检视样品外观及结构。检验员甚至还能“触碰”样品，当接触到样品时还能感受到阻力，感受接近于真实的体验。

图1.交互式样品3D全息影像

在检验情境中，检验员可以享受虚拟现实应用沉浸式的交互体验。①虚拟现实应用可以将样品信息映射至现实场景中（见图2a）：检验员可以随时随地呼叫样品信息弹窗来查阅样品信息，不再需要携带纸质资料或是通过计算机查阅资料，提高了检验的速度与便捷性。②虚拟现实应用可提供各种交互式控制提醒（见图2b）：当检验异常中断时，将检验设备反馈的异常信息推送给检验员；当检验设备执行某项操作时，将操作内容推送给检验员；当实验室环境温湿度超出规定值时，将环境异常警告推送给检验员；当设备执行危险操作时，将危害警报推送给检验员。③虚拟现实应用还可以作为沟通工具与管理工具使用（见图2c）：作为沟通工具，检验员可以摆脱时空的限制随时随地“面对面”地与其他检验员交流、与企业沟通、与专家学者讨论问题；作为管理工具，可以对人员进行管理、对设备进行管理、对设备使用记录进行管理等。

图2.检验过程交互情境

在检验操作情境中，虚拟现实应用可为检验员提供沉浸式的检验操作指引。虚拟现实应用可将检验操作指引映射至现实场景中，依照规定的步骤指引检验员按要求执行操作。如图3所示，虚拟现实应用提示检验员操作设备，按压相应的按钮调整检验设备的扭矩传感器位置，使之与样品接触，并在接触后提示检验员终止该项操作。

图3.操作指引

除此之外，远程检验也将有望得以开展。目前，由于受条件的限制，医疗器械检验检测业务只能在线下有限的实验场所内开展。元宇宙中产生的与物理世界中感知一致的虚拟活动可以有效地突破时空限制，随时随地提供“真实”的检验检测服务。通过智能可穿戴设备，检验机构可以与送检机构的人员“面对面”地沟通，在超仿真的全息构建中，模拟出待检样品的模型，相关人员可以直接观察甚至是触摸样品，直观地了解样品构造及信息。对于复杂的问题，各地专家还可以通过虚拟现实技术“齐聚一室”探讨解决方案与交流经验。

5.问题与展望

元宇宙技术应用于医疗器械检验将面临以下几点问题：①医疗器械检验行业传统上是一个相对依赖检验员专业知识、经验和实际操作的行业，科技的发展可以带来便利，但检验检测需要依靠经验，科技只是辅助，无法取代检验员的判断和操作；②元宇宙将产生海量的数据，其中难免有一些私密的敏感数据，这些数据都在网络上传输、储存，一旦泄露，将造成不良的后果；③检验行业的运作模式已相对成熟，现代化辅助设备不是检验行业有效运行的必备品，元宇宙基础设施普及难度较大。

当前，元宇宙仍处于发展的早期阶段，基础设施还有待普及，并且仍需要多学科、跨领域的交叉研究来持续支持。一个普适性的元宇宙体系目前还未能建立，但可以进一步善用科技的发展来改进医疗器械检验的提供方式，前瞻性地布局未来医疗产业。