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虚拟现实技术在生物医学工程中的应用


虚拟现实技术在生物医学工程中的应用
武江芬 1 (SX1203221)
(1. 南京航空航天大学自动化院生物医学工程系,南京市,210016)
摘要:虚拟现实技术是由计算机产生,通过视、听、触觉等作用,使用户产生身临其境感觉的交互式视景 仿真,具有多感知性、存在感、交互性和自主性等特征,其在生物医学工程中具有广泛应用。本文将对虚 拟现实在远程医疗,手术导航,以及医疗教育培训中的应用做简要介绍。 关键词:虚拟现实;生物医学工程;远程医疗;手术导航;医疗教育培训;

Applications of Virtual Reality Technology in Biomedical Engineering
Wu Jiangfen1
(1. Department of biomedical engineering, Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, Nanjing, 210016, China)

Abstract:Virtual reality is originated from computer with the function of visual sense, auditory sense and tactile
sense, which is an interactive simulated scene to make the user feel immersive. It has a wide application in the biomedical engineering characterized by perceptibility, sense of existence, interaction and autonomy. This paper will give a brief introduction of the application of virtual reality in telemedicine, surgical navigation and medical education and training.

Key words:Virtual Reality Technology (VR); biomedical engineering; telemedicine; surgical navigation;
medical education and training;

引言
虚拟现实技术是多学科交叉融合的结晶, 目前已经在许多领域得到了广泛的应用与快速 发展[1]。随着 MRI、CT、B 超等现代化仪器设备的广泛使用,虚拟现实技术在临床诊断和 医学研究中发挥着日益重要的作用。它运用人工智能、模式识别、计算机图形学以及图像处 理技术,将医学体数据在三维空间生成立体图像,医生通过人机交互对其进行缩放、旋转、 位移、剖切、分割等操作,辅助医生对解剖结构及相关区域进行多角度、多层次的定性分析 和定量测量,大大提高医疗诊断的速度和效率。本文首先介绍虚拟现实技术,然后给出其在 生物医学工程方面的具体应用,最后讨论并总结全文。

一、 虚拟现实技术简介
虚拟现实(Virtual Reality,简称 VR)是近年来计算机领域出现的高新技术。它综合了计 算机图形学、仿真、多媒体、人工智能、网络、并行处理和多传感器等多项技术,利用电脑 模拟产生一个三维空间的虚拟世界,提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟,让使 用者如同身临其境一般,可以及时、没有限制地观察三维空间内的事物。 虚拟现实技术最早起源于美国。1966 年,麻省理工学院的林肯实验室开始了头盔显示 器的研制, 揭开了虚拟实验研究与应用的序幕[2]。 1992 年世界上第一个虚拟现实开发工具问 世。1993 年众多虚拟现实应用系统出现,而华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术实 验室将虚拟现实技术研究引入到教育领域。在国内,20 世纪 80 年代末才开始进行虚拟现实 技术的研究, 逐步投入到航天、 军事领域。 目前已进入教育领域, 涉及高等教育的各个学科,

已有一些理工科、 医学院校在某个学科领域的部分实验室中运用虚拟现实技术开展仿真模拟 实验进行教学。 Grigore Burdea 和 Philippe Coiffet 在《Virtual Reality Technology》一书中指出,虚拟现 实具有三个最突出的特征,即“3I”特征:沉浸感(Immersion)、交互性(Interactivity)和构想 性(Imagination)。沉浸感是指用户感到作为主角存在于虚拟环境中的真实程度。为了实现该 特征,必须首先获取实际环境的三维数据,并根据应用的需要,将获取的三维数据输入计算 机,利用环境建模技术建立仿真医疗情境。其次,交互性是指用户通过使用专用设备,如跟 踪球、头戴式可视设备、数据手套等,对虚拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的 自然程度(包括实时性)。而构想性则强调该技术应具有广阔的想象空间,不仅可再现真实存 在的环境,也可以实现客观不存在甚至是不可能发生的环境。 虚拟现实技术的“3I”特征在仿真医疗情境中都有所要求。例如在虚拟手术系统中,为 了实现良好的沉浸感,可把立体视景镜、超级电脑和巨型屏幕影像结合起来,为操作者提供 一个极具真实感和临场感的手术环境。 操作者通过佩带一个头盔显示器就可以看到一个虚拟 的人体立体视图, 该虚拟人体具有正在工作的肌肉骨骼系统和完整的器官系统, 因而它能向 真实的人体一样具有生命力。 而为了实现虚拟环境中的手术操作, 外科医生需要戴着数据手 套, 拿着虚拟手术刀, 并配备位置跟踪定位装置, 这样便可以精确地跟踪人体的运动和位置, 以及医生和虚拟病人之间的手术动作。而构想性对于虚拟手术系统的应用也是非常重要的。 在现实世界中,医学生很难有机会接触到一些罕见的疑难杂症,而借助虚拟现实技术,可以 在虚拟人上生成各种各样的病症,来帮助医学生进行医疗训练。 虚拟现实技术作为一门新兴的学科,在医学领域的应用是备受瞩目的。据早在 1993 年 的统计,世界市场上出现的 805 个虚拟现实应用系统中就有 49 个应用于医学[3]。因此,虚 拟现实技术在医学教育中的应用研究也就显得尤为重要。

二、虚拟现实在生物医学工程中的应用举例
2.1 远程医疗 远程医疗是将虚拟现实技术与网络技术相结合, 本地的医护人员可以获得异地医院健康 护理等方面的先进技术及相关疾病治疗的最新动态,如果需要,借助机器人技术的发展,医 生可以通过遥控手段实施远程手术。 在远程医疗中采用虚拟现实技术, 异地病人的各种生理、 病理参数都反映在医生面前的虚拟病人身上, 医生根据传来的现场影像通过输入设备对虚拟 病人模型进行手术操作,再通过高速网络将医生的动作传送至网络的另一端的手术机器人, 由手术机器人对真正的病人实施手术操作, 而手术的实际进展图像通过机器人摄像机实时地 传给医生的头盔立体显示器, 并将其与虚拟的病人模型进行叠加, 以便医生实时掌握手术的 进展并发出下一步手术指令,远程操控网络另一端的手术机器人进行相关操作[4]。 2.2 手术导航 2.2.1 总体结构 虚拟外科手术导航仿真系统, 建立在几何模型和物理模型的基础上, 系统总体结构图如 图 1 所示。研究开发的主要内容,包括虚拟环境建模、三维重建技术、碰撞检测技术、导航 跟踪技术、人机交互技术、通讯接口技术及人机界面等。

图 1 虚拟外科手术导航仿真系统总体结构 2.2.2 关键技术 (1)图像处理 图像处理技术包括图像分割与分析、医学图像三维重建、图像配准与融合等技术。 (2)导航技术 手术导航系统的基本配置包括:图像工作站及处理软件、位置探测装置、专用手术工具和手 [5] 术工具适配器 。图 2 是手术导航原理。

图 2 手术导航原理图 (3)虚拟切割 虚拟切割是虚拟手术系统最为关键的环节。对刚性三维物体进行切割,可以用表面剪切、立 方体切割与智能手术刀来完成。表面剪切,是通过多个不同方向与角度的平面,对三维物体 实施裁剪。我们利用链表结构来定义裁剪平面,通过对链表结构增加,可以很灵活方便地增 加、删除平面,以及对平面位置与方向进行调整,以实现对三维物体的多平面剪切。 对于软组织手术模拟, 关键问题是描述与实现软组织形变。 这一直是虚拟手术的难点问题之 [6] 一 。 (4)碰撞检测 基于虚拟手术仿真中的碰撞检测的特殊性, 在分析各种模型表达方式的基础上, 选取八叉树 层次球形包围盒,并在对象上构造包围盒层次。当建立好对象的八叉树层次球形树后,对象 间的碰撞检测就可以通过递归地测试树中的结点对来完成基于这一模型, 在虚拟手术仿真系 统中,采用了物体运动过程中的碰撞检测算法。 设有实体 A、B 上的黑色节点分别为 i、j,它们的运动函数为 Xi(t)、Xj(t),节点半径为 ri 和 rj,碰撞检测精度为ε ,则实体 A、B 间的碰撞检测条件可以表示为 条件 1———|Xi(t)-Xj(t)|=ri+rj(t 0;t 1≤t) 条件 2———ri≤ε ,rj≤ε

算法实现流程如图 3 所示。

图 3 算法流程 (5)机器人轨迹规划 手术机器人系统轨迹规划, 是使各机器人从起始状态移动到某个规定的目标状态。 实际可看 成机器人各部件坐标系从当前的起始值{T0}改变为目标值{Tf}。 在这里, 机器人的目标点位 置由操作者根据手术的实际情况确定。 本系统采用了模拟 CP 控制, 就是在 A 点和 B 点之间, 通过插补过程,确定 C,D,E 等多个途中目标点,再按顺序进行 PTP 控制。这种方法的优点 在于,不仅保证了机器人运动的精度和平稳性,还使机器人识别路径的工作简单,节省计算 [7] 机的存储空间 。 2.3 医疗教育与培训 医学教育对知识的精准和科学性要求很高, 教学环境的逼真性更显重要。 虚拟现实技术从发 展之初就引起各界人士关注, 医学领域的研究者希望利用这项技术构建虚拟学习环境、 改变 教学方式,以弥补当前医学教育存在的问题和不足。随着研究的深入,虚拟现实已取得很大 发展,并且有研究证明它有力地促进了医学教育的开展[8]。 虚拟现实在医疗教育与培训中的应用包括:解剖教学和虚拟手术模拟。 (1)解剖教学。利用 “虚拟人”数字化数据集进行三维重组与重建是一种“人体数字化解剖学”研究,其优点可 以进行一系列医学临床、教学及研究的虚拟模拟。其优点是在空间中具有准确定位,可以立 体地从各个角度观察各解剖结构、测量各种数据。通过虚拟现实系统,借助重组技术中的多 层面重组、曲面重组、最大密度投影、最小密度投影、表明遮盖显示透明显示,可以直观地 显示组织、器官、肌肉、血管、神经等的系统解剖、局部解剖及断层解剖结构。 (2)虚拟手 术模拟。主要用于复杂手术过程的规划、演练及预测,指导手术的进行。广大实习医生 专科学生可以在计算机产生的三维虚拟手术环境中, 利用虚拟手术器械进行相关虚拟手术操 作,反复练习某项操作,也可以演练不同策略的手术流程,应对各种突发状况,避免手术失 误,缩短培训时间,节约培训费用,降低手术风险,减少病人的损伤,提高手术成功率,最 大限度地降低医院耗材及病人痛苦与住院费用等。 当然关于虚拟学习理论进展、 虚拟学习评价的研究成果、 虚拟学习效果检验研究以及医学虚 拟学习系统新案例等的方案制定, 这些问题的解决, 将成为推进虚拟现实技术在医疗教育培 训中应用的关键问题。

三、总结展望
随着市场上用于虚拟现实技术的软硬件产品不断增多、价格的普遍下调,VR 软件成本 将大大降低,在生物医学工程的各个领域推广大众化的虚拟现实技术应用方案将成为必然。 例如,虚拟现实技术,应用在计算机辅助外科手术导航系统中,通过一系列仿真技术,使得

原来必须用实际手术作为对象的研究活动, 可以一定程度地转移到计算机中虚拟进行。 国内 外研究机构, 已经在虚拟现实技术与计算机辅助外科手术系统结合起来, 做了许多研究工作。 随着信息技术的发展, 医学教育者给予虚拟现实技术以厚望, 希冀这项技术能给医学教育带 来革命性的进展。 随着基于虚拟现实技术在生物医学工程领域的研究深入, 虚拟现实技术必 将在该领域获得更广泛的应用。

参考文献
1. 姜红, 王利, 张兆臣, 虚拟现实技术在医学中的应用,中国医疗设备,2008 年 8 期 2. 单美贤,李艺.虚拟实验原理与教学应用[M].北京:北京教育科学出版社,2005. 3. 王海舜,潘利庆.虚拟现实技术在医学中的应用[J].计算机应用,1998,(6):41-42. 4. 谭海珠, 杨棉华, 陈丹芸等, 虚拟现实技术在医学中的发展与应用[J].医学教育探索, 2005,4(6):410-412 5. 邢英杰,张少华,刘晓冰.虚拟手术系统现状[J].计算机工程,2004,7:89-91. 6. 朱彦军,姜国华.虚拟现实中虚拟人体模型概述[J].计算机仿真,2004,21:11-13. 7. 付玉锦, 原魁, 杜清秀, 等.基于手术刀的虚拟外科手术系统仿真器[J].计算机工程与应用, 2005, 41(19): 97-111. 8. 李森,张力,卞亚红等. 虚拟现实技术在医学教育应用中的新进展 [J]. 中 国 医 学 教 育 技 术,2012,6:302-305.



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