虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用在醫(yī)學(xué)手術(shù)仿真(共4頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用在醫(yī)學(xué)手術(shù)仿真1.前言 目前，VR技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，如遠程和本地手術(shù)、手術(shù)計劃、醫(yī)生教育和手術(shù)訓(xùn)練、恐懼癥和其他心理疾病的治療、病人康復(fù)和技能訓(xùn)練、減輕疼痛等等1。它也被用在大規(guī)模醫(yī)學(xué)病歷的可視化上，以及用在醫(yī)療設(shè)施的建筑規(guī)劃上。某些應(yīng)用在一些發(fā)達國家已取得了很大的進步，如在仿真內(nèi)窺鏡、模擬手術(shù)、醫(yī)療培訓(xùn)和智能決策系統(tǒng)研制等方面，無論是在理論研究還是實際應(yīng)用方面都取得了相當(dāng)?shù)某晒?。在醫(yī)學(xué)手術(shù)仿真人體解剖圖譜，要求所顯示的器官形狀、位置、顏色、動態(tài)效果非常精確和逼真。這就對圖形圖像處理技術(shù)提出了更高的要求、要涉及到圖像分割、圖像配準(zhǔn)、圖像顯

2、示、圖像形變等一系列技術(shù)。由于VR數(shù)據(jù)量很大，精度要求非常高，并且要動態(tài)顯示，因此對計算機的速度和存儲容量都有很高的要求。當(dāng)今的計算機技術(shù)已經(jīng)能夠生產(chǎn)出功能強大的計算機，為虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用提供了硬件的條件。在VR系統(tǒng)中，為了修改虛擬環(huán)境的狀態(tài)，需要使用各種激勵器模擬產(chǎn)生人的各種感覺，再用傳感器收集它們的反饋信息，這些信息反映了VR環(huán)境的變化?？傊卺t(yī)學(xué)仿真訓(xùn)練是虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用的一個重要領(lǐng)域。2. 當(dāng)前虛擬醫(yī)學(xué)手術(shù)仿真訓(xùn)練的技術(shù)難點 隨著計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬醫(yī)學(xué)手術(shù)仿真訓(xùn)練的研究在模型實時顯示、器官組織紋理的制作、碰撞檢測與定位和觸覺傳感等方面已經(jīng)取得了一定的進展，并已有個別的

3、成型系統(tǒng)研制成功，但當(dāng)前虛擬醫(yī)學(xué)手術(shù)仿真訓(xùn)練的研究還需解決如下技術(shù)難點：1.仿真的逼真性較低，主要原因是虛擬人體組織的精確解剖結(jié)構(gòu)和實時顯示算法仍有待改進；2.虛擬組織的各種行為模型的建立還不夠完善和真實；3.多通道感覺的缺乏，目前研究大多集中于視覺虛擬，對其他感覺通道如聽覺、觸覺等較為缺乏，而在醫(yī)學(xué)手術(shù)中力的反饋是非常重要的據(jù)的融合和復(fù)雜模型的 LOD 模型優(yōu)化等技術(shù)尚有待發(fā)展；4.由于西方人種與黃色人種在生理結(jié)構(gòu)上有一定的差異，國外人體模型并不能完全適應(yīng)我國的需要。因此，目前還沒有適合于我國虛擬手術(shù)用的人體模型。 3.虛擬醫(yī)學(xué)手術(shù)仿真訓(xùn)練的思路3.1醫(yī)學(xué)圖像的三維重建對醫(yī)學(xué)圖像的三維重建主

4、要是為了實現(xiàn)醫(yī)學(xué)圖像可視化，它是虛擬手術(shù)技術(shù)的實現(xiàn)基礎(chǔ)。目前三維標(biāo)量數(shù)據(jù)場可視化技術(shù)主要分為兩類2：一類是通過抽取中間面的表面繪制技術(shù)；一類是基于體元的繪制技術(shù)，基于體元的體繪制技術(shù)能顯示對象體豐富的內(nèi)部細節(jié)。目前實現(xiàn)數(shù)據(jù)場體繪制主要有兩種策略：直接對三維離散數(shù)據(jù)場作體繪制；從三維離散數(shù)據(jù)場重構(gòu)出連續(xù)數(shù)據(jù)場，再對連續(xù)數(shù)據(jù)場進行重采樣并繪制圖像。為了獲得局部的人體組織器官模型，需要將感興趣的區(qū)域從醫(yī)學(xué)圖像中分離出來，人們對醫(yī)學(xué)圖像的分段技術(shù)進行了研究。三維重建的數(shù)據(jù)源通常是一組一定間隔掃描獲得的二維圖像，將每張圖片上相同組織的輪廓提取出來，然后將產(chǎn)生的圖片堆疊起來構(gòu)成三維二進制圖像。最后再采用可

5、視化技術(shù)進行三維重建，從而獲得感興趣的組織器官的模型。體數(shù)據(jù)的分段對于體數(shù)據(jù)的分段，有一個簡單的技術(shù)是采用閾值方法，只有光強大于該閾值的像素點才被顯示。而另外一個更通用的方法是采用圖像處理中的邊緣檢測技術(shù)( 如卷積等) 或綜合對數(shù)據(jù)集進行過濾處理，以獲得所需的分段閾值。3.2虛擬人體組織器官的物理建模 1986 年，人們提出了自由體變形方法，該方法的思想是通過變形物體所在的空間而實現(xiàn)物體的變形。其第一步是計算物體頂點在格子中的位置，然后格子在控制點的運動下產(chǎn)生形變。但它不能模擬局部的變形，基于物理學(xué)的變形模型體現(xiàn)物體在內(nèi)外力的作用下產(chǎn)生形狀上的變化。其中，外力包括重力、碰撞產(chǎn)生的排斥力等；內(nèi)力

6、包括彈性力和非彈性力。 虛擬手術(shù)器械與虛擬組織器官的碰撞檢測和力反饋手術(shù)操作是非常精細的工作，要求較為精確的力反饋。在虛擬手術(shù)過程中，碰撞檢測是力反饋、組織變形的前提，因此是非常重要的。而基于bbox 的算法由于其計算量小、實時性高的特點，被虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域廣泛采用。在虛擬手術(shù)操作中，可根據(jù)力學(xué)的彈性方程用計算機軟件來實現(xiàn)對虛擬手術(shù)器械的機電部分的控制，再反饋在虛擬手術(shù)器械上。由于人體的手部的觸覺非常敏感所以對于力反饋中的定位精度和曲線力覺變化均有較高的技術(shù)要求。需要定位精確的手術(shù)傳感器械和比較復(fù)雜的彈性模型。 4.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學(xué)手術(shù)仿真訓(xùn)練中的應(yīng)用人體解剖結(jié)構(gòu)教學(xué)通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立起人體結(jié)

7、構(gòu)模型，可以使學(xué)生通過人機交互對人體模型進行瀏覽，在模型內(nèi)部“漫游”，能讓學(xué)生非常直觀、輕松學(xué)習(xí)解剖結(jié)構(gòu)3。醫(yī)療手術(shù)方案和治療效果預(yù)測對于病灶，可以在虛擬模型上進行方位的顯示，依據(jù)其方位和虛擬系統(tǒng)中的專家?guī)熨Y料，制定手術(shù)和治療的方案，或模擬治療的結(jié)果進行評判。虛擬手術(shù)操作教學(xué) 虛擬手術(shù)操作教學(xué)是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學(xué)手術(shù)仿真訓(xùn)練中最重要的應(yīng)用。運用該技術(shù)可以使醫(yī)務(wù)工作者沉浸于虛擬的場景內(nèi)，通過視、聽、觸覺感知等多種感官了解和學(xué)習(xí)各種手術(shù)實際操作，對于年輕醫(yī)生而言，可以經(jīng)過在計算機上進行多次的手術(shù)仿真訓(xùn)練，再上真正的手術(shù)臺，這樣大大的節(jié)約了培訓(xùn)醫(yī)務(wù)人員的費用和時間。由于虛擬手術(shù)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)具有低代價、零風(fēng)險、多重復(fù)性、自動指導(dǎo)的優(yōu)點，可以迅速高效的提高學(xué)習(xí)者的手術(shù)及其他操作的技能。 5.總結(jié) 總之，通過對虛擬醫(yī)學(xué)手術(shù)仿真訓(xùn)練的研究與應(yīng)用，將使虛擬現(xiàn)實技術(shù)逐步在醫(yī)院和高等醫(yī)科院校的教學(xué)和訓(xùn)練中應(yīng)用推廣，并向更多更復(fù)雜的典型外科手術(shù)和其他領(lǐng)域擴展，如：遠程手術(shù)、合作治療、戰(zhàn)場救護等。該項技術(shù)具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景，并將為提高我國醫(yī)學(xué)手術(shù)規(guī)模和醫(yī)療水平作出重大的貢獻。 參考文獻1熊慶文. 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在數(shù)字化醫(yī)學(xué)圖像處理中的應(yīng)用D. 電子科技大學(xué), 2003.2譚珂, 郭光友, 王勇