虚拟现实技术在未来医疗领域的应用

虚拟现实技术在未来医疗领域的应用

谢小军

南京东南大学学院240000

摘要：根据中国医疗界相关数据的统计，我国每年非正常死亡人数在800万人以上，其中约有40万人因医疗事故、服用药物致死。除此之外，人为原因导致的事故案例占有一定的比例，究其原因主要是医务人员工作强度大，疲劳失神，病情误判，操作失误造成。而这些是传统医疗存在的失误和遗漏。为了从根本上改善传统医疗的这些失误，虚拟现实技术应运而生。虚拟现实技术在医疗中能够对疾病的诊断、康复以及医学院学生的培训发挥举足轻重的作用。它利用计算机和专业软件构造一个虚拟的自然环境，将计算机和用户合成一个成体。

关键词：虚拟现实技术；医疗；计算机

在医学上，传统的医疗存在资源配置不合理、流程繁锁，操作门槛过高，缺乏人性关怀等问题，造成医患关系紧张甚至出现人命关天的事件。为了有效的避免医疗事故的发生，虚拟现实技术的诞生能够在一定程度上合理的使用医疗资源，简化流程，避免医务人员的操作失误与病情的诊断。本文主要从虚拟现实技术的现状，概念，特点，工作原理，相关技术，医疗领域应用来阐述。

1．虚拟现实技术的现状

早在1963年以前就有提出虚拟现实的思想，1963-1972是虚拟现实萌芽阶段，1973-1989年是虚拟现实理论初步形成，1990-2004年虚拟现实理论的进一个步完美和应用。21世纪是虚拟现实技术进入的一个新时代。在各个国家引起不同的凡响。

1．1虚拟现实技术在北美的现状

虚拟现实技术发源于美国，刚开始，仅用于专用领域，比如军事方面，航天领域的模拟训练。随着科技技术的异军突起和社会的不断发展，虚拟现实技术逐渐从专用转为民用。1980-1989年，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，到了目前，已经建立了多个应用领域的系统。例如，空间站、航空、卫星维护的虚拟现实训练系统，虚拟现实教育系统；动态虚拟环境中的流体实时仿真系统；在真实的环境上叠加了虚拟环境，简化零部件的加工流程；在未来办公室上，设计一项基于虚拟现实的窗口系统。以上所述的虚拟现实主要基于传感器技术和图形图像处理技术。当前，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。

1.2虚拟现实技术在欧洲的现状

作为发达国家之一的英国。处于领先地位的是硬件和软件，主要有辅助设备设计、分布并行处理和应用；德国则将虚拟现实技术应用于对传统产业的改造、产品的演示以及培训三个方面，可以降低成本，吸引客户等；瑞典的分布式虚拟现实系统是基于Unix，在不同节点上的多个进程可以在环境中工作的异质分布式系统[1]。

1．3虚拟现实技术在我国的现状

相比发达国家的技术，虚拟现实技术在我国的起步比国外发达国家较晚，同时也存在一定的差距。当今国际的竞争不仅是经济，军事的竞争，更多的是科技的竞争。因此根据我国的国情，提出科技是国家强盛之基，创新是民族进步之魂。当今时代引起国家的高度重视，不断有相关部门和科学家们提出制定开展虚拟现实技术的研究计划。

国内的一些重点院校，也积极投入展开这一领域的研究工作。在国内最早进行虚拟现实技术研究的重点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，而北京航空航天大学在研究探索中着重研究虚拟环境中实体的物理特性应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部分硬件，相应提出有关算法及实现方法；实现了pE的网络设计，可以提供实时三维动态数据库、虚拟现实演示环境、虚拟现实应用系统的开发平台等。

2．虚拟现实技术的定义

所谓的虚拟现实技术又称灵境技术或人工环境，是一种综合利用三维计算机图形学技术、多功能传感器的交互式接口技术以及高清晰度和高更新速度的显示技术构成。简而言之，虚拟现实技术就是在计算机中建立一个特殊环境来模拟真实环境的场景，通过各种传感器设备，比如数据衣、数据手套，数据头盔在虚拟环境中对模型的处理与用户的手联系起来，并进行操作和控制，以达到需要的目的。将用户的感知带入由它创建的虚拟环境，并让用户以为眼前的一切都是真实的。虚拟现实技术能让用户实现在自然环境下的各种感知的高级人机交互技术。例如通过虚拟现实技术，用户不用购买机票到某地旅游，而只需通过虚拟现实技术就能体验到某地旅游的乐趣，享受看山玩水的好心情。

3．虚拟现实技术的特点

3．1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做出相应的反馈，以实现现实环境中的仿真效果。

3．2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。

3．3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，例如位置感知。

3．4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．虚拟现实技术的工作原理

4．1基础硬件

当前虚拟现实技术的设备可以大致分成两个类别，一是需要借助外来的硬件协助运算的即需要连接一台高性能计算机才能运作。

另一个类别则是依赖设备内置硬件完成运算的，无需其他设备协助，能够完全独立工作。

4．2头部追踪

指用户头戴虚拟现实的设备时，呈现在眼前的场景会随着用户头部的移动而做上下左右方向的改变。这种设备会将用户头部所做的移动轨迹转化成空间的x，y，z的三个坐标，来精确测量头部的前后左右移动等动作。同时，用户戴着的耳机也能用于提高存在感。特别是在游戏中能够使双耳或3D音频达到有效的利用，与头部追踪技术同步合作应用，能给用户带来现实环境的音效感受。

4．3动作追踪

可以使用红外线传感器，摄像头，无线控制器来追踪用户的全身动作。而这些设备有的会在在房间里定位2个基站，并且将整个房间布满激光。根据用户头部戴着的虚拟现实设备和手上光电管传感器相互碰撞来准确地检测到用户的头部和手的位置。

4．4眼部追踪

采用透镜来实现眼部追踪，而透镜需要聚焦光线，可以使用户感觉虚拟设备的显示器似乎在很远的距离之外。大多数头盔设备都采用了特殊的菲涅耳透镜，这些透镜还被用来放大头盔的内置显示屏，可以使图像占据用户的整个视野而不会注意到屏幕外的景象。

5．虚拟现实技术的相关技术

5.1三维视觉显示技术

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。

5.2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。

5.3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，比如物体的形状、光学性质、纹理和粗糙程度，以及物体间的相对位置、遮挡关系等等。

5.4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，则可以更好的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的视觉感受和听觉感受，实现真实的环境。

6．虚拟现实技术在医疗的应用

6．1运动障碍治疗

对于患有动作不连贯，不能随心所动的患者，可以采用传统的康复治疗方法，既浪费时间又消耗体力，训练简单乏味，有时训练强度和效果未能及时评估，很容易使患者错失训练的最佳时机，而结合虚拟现实技术可以利用虚拟环境与相关的仿真技术使患者处于逼真的环境中进行康复训练，将患者的动作通过输入设备把自己的动作输入计算机，并输出反馈信息。同时可以有音频的输入，可以使患者在训练中找到乐趣，缓解了传统治疗方法带来的负面效果，达到省时省力，也提高了患者做康复的积极性，提高治疗效率。

6．2心理治疗

例如：从战场回来的退伍老兵容易患创伤后应激障碍，容易精神紧张。导致出现焦虑、消沉、易怒和无法集中注意力，更有甚者，会出现自杀或谋杀行为，这些士兵退伍后，如果无法治愈将带来严重的社会问题，而做为治疗心理疾病的医务人员有时也会受影响。此时利用虚拟现实技术进行心理治疗，这种方法称为“暴露疗法”。通过虚拟仿真技术将患者置于虚拟环境中，让其感受造成心理创伤或者恐惧的环境，而心理学家则在旁边陪伴并引导他们逐步适应环境，慢慢的帮助患者克服恐惧心理，达到治疗目的。

6．3医疗培训及教育

对于刚从医学院毕业的外科医生而言，外科手术模拟器对他们来说是重要的工具，而医院通常要为此花费无数，毕竟这关系每个人的生命。随着虚拟现实技术的发展，仿真技术和压力反馈技术的结合，实现逼真的模拟环境，让医护人员能够在虚拟环境下，得到更多的锻炼和技术技巧知识。同时也提高医护人员的技能也比较安全，通过使用虚拟现实设备让医学生深刻体会到做手术的感觉。

7．结论

虚拟现实技术是进入21世纪的又一新的技术，其应用不仅在医疗方面，还应用在教育、城市规划、地理交通、人体模拟等领域。据有关信息统计，2016年是我国虚拟现实技术产业的爆发元年，这一技术的应用将改变传统方式的解决方法，也对未来的发展意义重大。在医疗方面，对远程医疗中采用虚拟现实技术，异地患者提供各种参数可以向一些资源丰富地区的医疗专家咨询，医疗专家只需在虚拟病人身上及时作为结论，给出相应的治疗方法，可以为异地的患者解决疑难杂症，也解决了患者就医的困难。

参考文献

[1]杨江涛,虚拟现实技术的国内外研究现状与发展[J]，信息通道,2015年第1期