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国内外虚拟医疗的应用与发展综诉
2012年2月7日    评论:    分享:

    来源:第三维度
    撰文:王逍

    在现代医学教学中,对学生进行创新素质教育的重要手段之 一是实验教学。目前,高等医学院校学生人数大幅度增加,然而实验教学经费有限,致使有的器材使用长期处于过饱和 状态,有的仪器无能力购买(比如流式细胞仪器),有的因其他原因无法购买(比如尸体),这样大大地影响了医学实验教 学的质量。为了尽快改善这种状况,整合医学教学资源,使学生获得最好的学习效果,把虚拟现实技术引入医学实验教 学,是近年来创新且有好的实际效果的做法。

    在医学院校中传统的教学方法是以课堂教学为主,靠老师口头讲授、板书演示,再结合手势、挂图、模型、标本、人体等辅助教学工具进行教学,并配以费用较高的动物实验、尸体解剖来加深学生的理解,提高学生的动手能力。近年来,多媒体教学异军突起,它把文字、图像、声音、动画和视频等信息集于一体,以新颖的教学手段、活泼生动的表现形式,成为了现代教学方法的主流。随着现代科技的快速发展,虚拟现实技术将成为下一代医学院校教学中的主要辅助力量。由于医学领域与人类有着密切的、重要的和特殊的关系,在这个领域里人与人之间或人与现实之间的交互方式受一定的条件限制,甚至是具有一定危险性的。而虚拟现实提供了其他技术难以实现的巨大可能性,能降低教学成本、减少危险性、提高教学质量、弥补教学条件的不足。

    (1) 虚拟医疗发展回顾

    虚拟现实技术在医学上的应用起于1989年美国国立医学图书馆正式启动的“可视人计划”(visiblehumanproject,VHP),此后虚拟现实技术在鼻外科的应用得到越来越多的关注;1997年美国LockheeMartin公司开发了拥有视觉和触觉反馈装置的内窥镜鼻窦手术模拟器,其解剖模型基于由VisibleHuman数据集完成的3D重构,医生可以练习各种复杂的鼻窦手术,可以听到注射药物以后患者的心率,可以模拟手术切割组织时的触觉反馈以及肌肉的阻力。医生在模拟器的假人Martin的鼻部插入内窥镜以及手术过程的计算机屏幕显示。

    1998年德国美因兹大学医院研制的鼻内镜模拟器(nasalendoscopysimulator,NES)融合了电脑成像和虚拟内镜技术,是可用于鼻内镜和经鼻鼻窦手术的交互式训练系统。它包括图形工作站、测量内镜和手术器械位置的跟踪系统、头部模型、鼻腔鼻窦的图形数据集和相关软件,并且拥有力反馈装置。

    1998年美国俄亥俄州立大学的Radman等研制成功了功能性鼻内镜鼻窦手术模拟器。该模拟器实现了在手术器械的不同压力、拉力作用下鼻腔软组织器官表现出较逼真的不同程度反馈力,有助于年轻医师理解鼻腔、鼻窦的三维解剖结构,能够以交互的、无损伤的方式进行功能性鼻内镜手术训练,但在多自由度的触觉反馈处理上还有欠缺。2000年日本国家产业技术综合研究所开发了世界上第一个可用于内镜鼻窦手术培训的鼻旁窦精确模型SurgReady。这一模型基于人体的CT图像,利用RT材料和树脂复膜重建鼻腔结构,使手术者可以利用包括手术钳在内的实际手术器械进行技巧训练,手术者能够感受逼真的人体反应。

    2001年我国解放军总医院开发了虚拟鼻腔镜手术仿真训练系统,这是我国第一个基于力反馈设备的虚拟手术仿真系统。训练系统以图形工作站为核心承担三维视景实时绘制、碰撞检测、模型形变等运算工作,而真实感力反馈的工作由PHANTOM力反馈设备承担,通过信号放大,其精度可达0.03mm,能充分满足微创手术仿真的需要。同时它还以笔杆式交互结构来模拟手术器械,触觉等力反馈精度可达0.25牛顿,通过大于30Hz的反馈频率能较好地模拟出手术中的阻力、摩擦力等效果。

    2003年瑞士的伯尔尼大学研制的经鼻手术模拟器可以帮助没有进行过经鼻手术培训的医生利用真实患者的数据学习和练习经鼻手术。但是模拟器缺乏力反馈装置、操纵杆的精细运动欠佳且实时性差。

    (2)国外部分虚拟医疗应用

    加拿大卡尔加里大学的研究人员宣称他们研发了一个迄今为止最精细的人体模型,一个可以移动的“四维”人体模型。医生可以利用这个“四维”图像为复杂的手术制定计划,也可以通过它来显示病人体内的病情状况,它还可以作为教学的工具。  

      
加拿大卡尔加里大学CAVEman 虚拟医疗系统

    由伦敦帝国理工学院 (Imperial College of London)、根特大学医院 (Ghent University Hospital) 和谢菲尔德大学 (University of Sheffield) 针对 Simbionix PROcedure Rehearsal Studio(TM) 开展的大规模研究在葡萄牙里斯本的 CIRSE 2009 大会上获得 Magna Cum Laude EPOS Award 奖。
 
 
    Simbionix PROcedure Rehearsal 虚拟医学软件

    (3) 我国虚拟医疗发展现状(虚拟人)

    “数字人”是指通过信息科学技术,将人体各种结构切削、分割,并进行数字化,使之成为在电脑屏幕上看得见的、能够调控的虚拟人体形态。如果进一步将人体功能性信息赋予这个人体形态框架,经过虚拟现实技术的交叉融合,这个“数字人”将能模仿真人做出各种各样的反应。若设置有声音和力反馈的装置,还可以提供视、听、触等直观而又自然的实时感。届时,许多手术都可以在电脑里模拟完成。

    据“中国虚拟人男1号”项目带头人、中国“临床解剖学之父”、中国工程院院士钟世镇介绍,“虚拟人”是通过计算机技术,将人体结构数字化,在电脑屏幕上显现看得见、能调控的虚拟人体形态。2003年初,被称为“中国虚拟人女1号”的我国首例女性虚拟人数据集在南方医科大学构建成功,使我国成为继美国、韩国之后世界上第三个拥有本国虚拟人数据库的国家。目前我国共有10个“虚拟人”数据集。“中国虚拟人”与美国、韩国相比,有20多项创新,最明显的是美国、韩国的“虚拟人”只能看到骨骼和肌肉,而我国的能清晰地看到血管。

    备受关注的“中国虚拟人男1号”的尸体标本是一名28岁的汉族健康男性,祖籍湖南,没有任何传染病和代谢疾病。该男子2002年4月死亡,自愿捐献尸体做科学研究。据悉,“中国虚拟人男1号”的照片分辨率达到2200万像素,是目前世界上分辨率最高的“虚拟人”。
     
   电脑建立的人体颅骨结构       德国汉堡大学重建的虚拟人

    (4)我国发展虚拟医疗的意义

    医学参考

    有利于培养优秀外科医生。过去要培养一个手到病除、技艺高超的外科医生,都要通过师傅带徒弟式的反复实践,在病人身上练习操作技术。有了虚拟医疗,就可以在电脑操纵的虚拟人体模型上培训外科医生。在动手术之前,也可以先在虚拟人的身上开刀,电脑上会显示刀口断层及组织断面,为医生制订术前计划提供科学参考。  

    提高医疗水平

    医学界将会因此受益,因为他们可以把对病人的诊断结果放到一起,这样更多的专家能够紧密的合作。

    有了“虚拟可视人”,人们可以事先准确模拟各种复杂的外科手术、美容手术,以及预测术后的效果,可以利用“数字化虚拟人”这一实验平台,进行人造器官的研究、设计,改进和创新手术器械。

    进行医疗手术方案和治疗效果预测

    医生和制药公司就可以先在与病人身体数据一模一样的虚拟人身上试验新药,医生可以先将药物影响数据输入电脑,让“虚拟病人”先试“吃”一下,电脑里的“虚拟病人”会显示服药后的生理反应,从而协助医生对症下药。这种方法可以提高用药准确性和研制新药及新药上市的效率。相关实验已经在美国开展。  

    未来影响深远

    专家认为这将使几百年发展起来的基于尸体解剖的实验解剖学发生革命性变革,尤其在医学上为疾病诊断、新药开发和外科手术方案提供参考数据,对于提高人体整体医疗水平将带来深远的影响。虚拟医疗还可在国防、航空航天、体育、建筑、汽车、影视及服装等人类活动领域得到广泛应用,有极大的潜在价值。

    我国发射的“神舟三号”飞船上,有关部门安装了宇航员的人体模型,上面加装了各种传感器,为了取得人体在空间运行条件下的各种生理信息。如果有了“数字化虚拟人”则完全可以取代这些实验性的人体模型,从而获取更加准确和可靠的信息。

    肿瘤治疗

    放射治疗是目前治疗肿瘤疾病的一个重要手段,但由于现在做放射治疗的医生只能凭经验进行辐射量的调节,病人往往担心在此过程中受到过量的辐射。通过虚拟医疗,医生就可以先对虚拟人作放射治疗,通过其身体的变化来测定实际辐射量的使用,最后再用到真正的病人身上。这样就进一步提高了治疗的安全性。


    避免真实实验或操作所带来的各种危险

    来自 European Virtual Reality EndovaSCular RESearch Team (EVEResT) 当前正在进行的研究的初步数据显示,针对病人具体情况而进行的练习可提高介入手术医生在随后的血管手术中的表现。这些初步数据还显示,与仿真准备活动之前的介入手术或完全没有进行准备活动的手术相比,练习后,可以更快地实施血管手术,并且可以更少地使用对照和 X 线透视,质量标准也更高。

    钟世镇:“以前做脑瘤手术,医生从口腔、鼻腔进去都可以,不过一旦触到某个大神经病人就有生命危险,现在医生可以在电脑上用虚拟人模拟手术,在真正的手术实施前对病人进行合理设计。”

标签:医疗手术
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