1、2一、一、概述概述二、二、生物医学工程研究的主要内容生物医学工程研究的主要内容三、三、医院中的生物医学工程医院中的生物医学工程临床工程临床工程四、四、医学虚拟现实医学虚拟现实3一、概述一、概述定义定义内涵内涵特点特点4什么叫生物医学工程什么叫生物医学工程生物医学工程（生物医学工程（Biomedical Engineering,Biomedical Engineering,BMEBME）是运用自然科学和工程技术的原理和方）是运用自然科学和工程技术的原理和方法，研究人的生理、病理过程，揭示人体的生法，研究人的生理、病理过程，揭示人体的生命现象，并从工程角度解决防病治病问题的一命现象，并从工程角度解
2、决防病治病问题的一门综合性学科。门综合性学科。一、概述一、概述5美国国立卫生研究院有关名词命名专家组的定义：美国国立卫生研究院有关名词命名专家组的定义：生物医学工程学是结合物理学、化学、数学和计算机科学与生物医学工程学是结合物理学、化学、数学和计算机科学与工程学原理，从事生物学、医学、行为学或卫生学的研究：工程学原理，从事生物学、医学、行为学或卫生学的研究：提出基本概念，产生从分子水平到器官水平的知识；提出基本概念，产生从分子水平到器官水平的知识；开发创新的生物学制品、材料、加工方法、植入物、器械开发创新的生物学制品、材料、加工方法、植入物、器械和信息学方法；和信息学方法；用于疾病预防、诊断和
3、治疗，病人康复，改善卫生状况等用于疾病预防、诊断和治疗，病人康复，改善卫生状况等目的。目的。一、概述一、概述6早期的生物医学工程也称为早期的生物医学工程也称为医学工程学医学工程学(Medical(Medical Engineering)Engineering)：综合运用数理科学原理和现代工程技术：综合运用数理科学原理和现代工程技术研究和解决研究和解决基础医学基础医学和和临床医学临床医学中问题的分支学科。中问题的分支学科。临床工程学临床工程学（或临床医学工程学）（或临床医学工程学）(Clinical(Clinical Engineering)Engineering)：综合运用数理科学原理和现代工
4、程技术：综合运用数理科学原理和现代工程技术的理论和方法研究、解决的理论和方法研究、解决临床医学临床医学实际问题的分支学实际问题的分支学科。科。一、概述一、概述7生物医学工程是工程学与生物医学结合的产物生物医学工程是工程学与生物医学结合的产物理念上是综合与分析的结合理念上是综合与分析的结合结果上是工程技术或产品为生物医学服务结果上是工程技术或产品为生物医学服务一、概述一、概述8工程学（综合）生物医学工程学科的内涵生物医学工程学科的内涵工程学（综合）信息反馈市场产品生物医学（分析）医学检验装置开发理论想法9生物医学工程学科的特点生物医学工程学科的特点工程学工程学电子学电子学计算机科学计算机科学力学
5、力学材料科学材料科学机械制造学机械制造学 -生物医学生物医学生物学生物学神经科学神经科学内科学内科学外科学外科学矫形科学矫形科学-综合综合分析分析10二、生物医学工程二、生物医学工程 主要研究内容主要研究内容11医学道德与伦理医学道德与伦理解剖与生理解剖与生理生物力学生物力学康复工程与辅助技术康复工程与辅助技术生物材料学生物材料学 组织工程学组织工程学 生物医学仪器生物医学仪器生物医学传感器生物医学传感器生物信号处理生物信号处理生物电现象生物电现象 生物医学工程主要研究内容生物医学工程主要研究内容生物系统建模与仿真生物系统建模与仿真基因组学和生物信息学基因组学和生物信息学计算生物学与复杂性理论
6、计算生物学与复杂性理论放射成像放射成像医学成像医学成像光学和激光在生物医学中光学和激光在生物医学中的应用的应用数字化医疗设备和技术数字化医疗设备和技术微型诊疗系统微型诊疗系统 12生物材料的应用生物材料的应用例例13模型及仿真的实例模型及仿真的实例心脏模型的计算机仿真心脏模型的计算机仿真膝关节模型的计算机仿真膝关节模型的计算机仿真例例14电学模型电学模型计算机模型计算机模型教学模型教学模型力学模型力学模型心脏心脏例例15微型诊疗系统微型诊疗系统消化道检测胶囊消化道检测胶囊 电路板传感器阵列旋转内部小丸而露出传感器7mm7mm电池储药仓旋转内部小丸而释放药物诊断治疗美国SmartPill Dia
7、gnositics,Inc.研制的SmartpillTM 智能药丸，用于监测胃肠道压力和肠道运转时间。美国美国Medtronic公司的公司的BravoTM 药丸可吸附在食药丸可吸附在食道上实时监测道上实时监测PH值，已进值，已进入临床。入临床。例例16消化道微型手术机器人消化道微型手术机器人 微型针摄像头温度/PH/化学传感器微型泵连接机构生物材料射频模块微型电池信号处理芯片系统运动机构无线能量耦合单元微吮吸单元硬度传感器韩国胶囊式内窥镜机器人（韩国胶囊式内窥镜机器人（Endoscopic microcapsule），），在多关节式药丸系统中，集成了微型摄像头、微型泵、在多关节式药丸系统中，集
8、成了微型摄像头、微型泵、组织活检钳、组织活检钳、PH值传感器等微型设备，系统具有主值传感器等微型设备，系统具有主动运动与姿态控制功能，可以完成局部药物释放、图动运动与姿态控制功能，可以完成局部药物释放、图像采集、像采集、PH值测定、组织活检、治疗等多种功能。值测定、组织活检、治疗等多种功能。例例17三、医院中的生物医学工程三、医院中的生物医学工程 临床工程临床工程18临床工程的定义与内涵临床工程的定义与内涵医疗仪器设备工程医疗仪器设备工程医院信息工程医院信息工程医疗影像信息工程医疗影像信息工程远程医疗工程远程医疗工程临床诊断医疗工程临床诊断医疗工程临床工程的学科建设临床工程的学科建设临床工程临
9、床工程19临床工程学临床工程学临床工程学临床工程学 (Clinical Engineering)(Clinical Engineering)：综合运用数理科学原理和现代工程技术的综合运用数理科学原理和现代工程技术的理论和方法研究、解决临床医学实际问题的理论和方法研究、解决临床医学实际问题的分支学科。分支学科。20国家教委已在国家教委已在20042004年明确我国生物医学工程专业教育年明确我国生物医学工程专业教育的方向和目标，从生物医学工程与仪器、生物材料与的方向和目标，从生物医学工程与仪器、生物材料与组织工程、生物医学信息、临床工程四个方向向国际组织工程、生物医学信息、临床工程四个方向向国际先
10、进水平靠近。先进水平靠近。国家卫生部医院管理研究所和中华医学会医学工程学国家卫生部医院管理研究所和中华医学会医学工程学会也于会也于20052005年开始了年开始了“临床工程师资格认证临床工程师资格认证”工作。工作。尽管还没有相应的法律、法规支持和纳入规范化，尽管还没有相应的法律、法规支持和纳入规范化，但但 这一大步的前进仍具有可喜可贺的里程碑意义。这一大步的前进仍具有可喜可贺的里程碑意义。BMEBME专业教育和人才培养专业教育和人才培养21临床诊断医疗工程临床诊断医疗工程22（一）、定义（一）、定义利用数字影像、计算机及空间定位技术制定合利用数字影像、计算机及空间定位技术制定合理的手术方案并进
11、行手术模拟。理的手术方案并进行手术模拟。CASCAS基于计算机，对大量数据信息高速处理及控制更基于计算机，对大量数据信息高速处理及控制更安全、更准确。安全、更准确。它可以对图像进行三维重建和融合，术前充分评估患它可以对图像进行三维重建和融合，术前充分评估患者的情况，规划手术路径、方案，模拟手术。术中追者的情况，规划手术路径、方案，模拟手术。术中追踪手术器械，引导手术。确定手术范围，从而使外科踪手术器械，引导手术。确定手术范围，从而使外科手术更加精确、安全和微创化。手术更加精确、安全和微创化。计算机辅助外科手术计算机辅助外科手术(computer aided surgery(computer a
12、ided surgery，CAS)CAS)23医学图像医学图像CTMRIPETDSADRI外科医生外科医生结合图像结合图像立体定位系统立体定位系统光学定位光学定位机械机械定位定位超声定位超声定位电磁定位电磁定位患者患者手术手术器械器械配合配合配准配准跟踪跟踪三维三维显示显示（二）、组成（二）、组成241 1、光学定位法、光学定位法2 2、机械手定位法、机械手定位法3 3、超声波定位法、超声波定位法4 4、电磁定位法、电磁定位法5 5、混合定位系统、混合定位系统（三）、立体定位系统（三）、立体定位系统25（四）、配准（四）、配准用计算机图像处理技术将各种影像模式投影在一个用计算机图像处理技术将各
13、种影像模式投影在一个坐标系下，融合成新的医学模式。按操作分为坐标系下，融合成新的医学模式。按操作分为:基于外部特征基于外部特征基于内部特征基于内部特征26（五）、应用（五）、应用 神经外科术神经外科术 血管畸形手术血管畸形手术 脊椎手术脊椎手术 内镜手术内镜手术 关节置换手术关节置换手术 耳鼻喉科手术耳鼻喉科手术 骨科手术骨科手术 教学教学 27四、医学虚拟现实四、医学虚拟现实计算机和电子技术创造的新世界计算机和电子技术创造的新世界看似真实的模拟世界看似真实的模拟世界28虚拟现实（虚拟现实（Virtual RealityVirtual Reality，VRVR）：一种基）：一种基于可计算信息的
14、沉浸式交互环境。于可计算信息的沉浸式交互环境。采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互、相互影响，从而产生环境中的对象进行交互、相互影响，从而产生等同亲临真实环境的感受和体验。等同亲临真实环境的感受和体验。虚拟现实虚拟现实29虚拟现实虚拟现实_ _范畴范畴虚拟现实是高度发展的计算机技术在虚拟现实是高度发展的计算机技术在各种领域的应用过程中的结晶和反各种领域的应用过程中的结晶和反
15、映。映。图形学图形学图像处理图像处理模式识别模式识别网络技术网络技术并行处理并行处理人工智能人工智能数学数学物理物理通信通信气象气象地理地理美学美学心理学心理学社会学社会学30虚拟现实虚拟现实_ _关键技术关键技术实物虚化：实物虚化：现实世界空间向多维信息化空间的一现实世界空间向多维信息化空间的一种映射，主要包括基本模型构建、空间跟踪、声种映射，主要包括基本模型构建、空间跟踪、声音定位、视觉跟踪和视点感应等音定位、视觉跟踪和视点感应等 。虚物实化：虚物实化：确保用户从虚拟环境中获取同真实环确保用户从虚拟环境中获取同真实环境中一样或相似的视觉、听觉、力觉和触觉等感境中一样或相似的视觉、听觉、力觉
16、和触觉等感官认知。官认知。高性能计算处理技术：高性能计算处理技术：主要包括数据转换和数据主要包括数据转换和数据预处理技术；实时、逼真图像生成与显示技术；预处理技术；实时、逼真图像生成与显示技术；多种声音的合成与声音空间化技术等。多种声音的合成与声音空间化技术等。31虚拟现实虚拟现实_ _特点特点沉浸感沉浸感(Immersive):(Immersive):用户将感觉不到身体用户将感觉不到身体所处的外部环境而所处的外部环境而“融合融合”到虚拟世界中去到虚拟世界中去;交互性交互性(Interactive):(Interactive):用户可通过三维交用户可通过三维交互设备直接控制虚拟世界中的对象并获
17、得反互设备直接控制虚拟世界中的对象并获得反馈馈;虚拟环境中人的参与与反馈虚拟环境中人的参与与反馈人机交互的有效性人机交互的有效性人机交互的实时性人机交互的实时性32虚拟现实虚拟现实_ _特点特点多感知性多感知性 (Multi-Sensory):VR(Multi-Sensory):VR 系统具有系统具有感知视、听、触、嗅、味等多种信息的能力感知视、听、触、嗅、味等多种信息的能力;构想性（构想性（ImaginationImagination）：）：VRVR应具有广阔的应具有广阔的可想像空间，可拓宽人类认知范围，不仅可可想像空间，可拓宽人类认知范围，不仅可再现真实存在的环境，也可以随意构想客观再现真
18、实存在的环境，也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。不存在的甚至是不可能发生的环境。33沉浸式虚拟现实系统（沉浸式虚拟现实系统（Immersive VR）增强式虚拟现实系统（增强式虚拟现实系统（Augmented VR）桌面式虚拟现实系统（桌面式虚拟现实系统（Desktop VR）分布式虚拟现实系统（分布式虚拟现实系统（Distributed VR）虚拟现实系统分类虚拟现实系统分类34沉浸式虚拟现实系统是一种高级的、较理想的虚沉浸式虚拟现实系统是一种高级的、较理想的虚拟现实系统，它提供一个完全沉浸的体验，使用拟现实系统，它提供一个完全沉浸的体验，使用户有一种仿佛置身于真实世界之中的
19、感觉。户有一种仿佛置身于真实世界之中的感觉。沉浸式系统沉浸式系统（Immersive VRImmersive VR）35沉浸式虚拟现实系统沉浸式虚拟现实系统的的特点特点具有高度实时性能。具有高度实时性能。具有高度的沉浸感。具有高度的沉浸感。具有良好的系统集成度与整合性能。具有良好的系统集成度与整合性能。具有良好的开放性。具有良好的开放性。能同时支持多种输入与输出设备并行能同时支持多种输入与输出设备并行工作。工作。36桌面式虚拟现实系统也称窗口虚拟现实，是利桌面式虚拟现实系统也称窗口虚拟现实，是利用个人计算机或初级图形工作站等设备，以计用个人计算机或初级图形工作站等设备，以计算机屏幕作为用户观察
20、虚拟世界的一个窗口，算机屏幕作为用户观察虚拟世界的一个窗口，采用立体图形、自然交互等技术，产生三维立采用立体图形、自然交互等技术，产生三维立体空间的交互场景，通过包括键盘、鼠标和力体空间的交互场景，通过包括键盘、鼠标和力矩球等各种输入设备操纵虚拟世界，实现与虚矩球等各种输入设备操纵虚拟世界，实现与虚拟世界的交互。拟世界的交互。桌面式系统桌面式系统(Desktop VR)(Desktop VR)37桌面式虚拟现实系统桌面式虚拟现实系统的的特点特点用户处于不完全沉浸的环境，缺少完全沉浸、用户处于不完全沉浸的环境，缺少完全沉浸、身临其境的感觉，即使戴上立体眼镜，仍然会身临其境的感觉，即使戴上立体眼镜
21、，仍然会受到周围现实世界的干扰。受到周围现实世界的干扰。对硬件设备要求低，有时甚至只需要计算机，对硬件设备要求低，有时甚至只需要计算机，或是增加数据手套、空间跟踪设置等。或是增加数据手套、空间跟踪设置等。由于其实现成本相对较低，所以应用相对普遍由于其实现成本相对较低，所以应用相对普遍，而且它也具备了沉浸性虚拟现实系统的一些，而且它也具备了沉浸性虚拟现实系统的一些技术要求。技术要求。38增强式增强式VRVR系统系统(Augmented VR)(Augmented VR)增强式虚拟现实系统既可以允许用户看到真实增强式虚拟现实系统既可以允许用户看到真实世界，同时也可以看到叠加在真实世界上的虚世界，同
22、时也可以看到叠加在真实世界上的虚拟对象，它是把真实环境和虚拟环境组合在一拟对象，它是把真实环境和虚拟环境组合在一起的一种系统。起的一种系统。终极目标：用户感觉不到现实世界中的真实物终极目标：用户感觉不到现实世界中的真实物体与用于增强视觉信息的虚拟物体之间的差别体与用于增强视觉信息的虚拟物体之间的差别39平视显示器即抬头显示器（平视显示器即抬头显示器（Head Up Display），），战机飞行员的平视显战机飞行员的平视显示器，它可以将仪表示器，它可以将仪表读数和武器瞄准数据读数和武器瞄准数据投射到安装在飞行员投射到安装在飞行员面前的穿透式屏幕上，面前的穿透式屏幕上，可以使飞行员不必低可以使飞
23、行员不必低头读座舱中仪表的数头读座舱中仪表的数据，从而可集中精力据，从而可集中精力盯着敌人的飞机或导盯着敌人的飞机或导航偏差。航偏差。40增强式虚拟现实系统增强式虚拟现实系统的的特点特点真实世界和虚拟世界融为一体。真实世界和虚拟世界融为一体。具有实时人机交互功能。具有实时人机交互功能。真实世界和虚拟世界是在三维空间中真实世界和虚拟世界是在三维空间中整合的。整合的。41分布式虚拟现实系统分布式虚拟现实系统（Distributed VRDistributed VR）虚拟现实系统运行在分布式系统下有虚拟现实系统运行在分布式系统下有两方面的原因：两方面的原因：充分利用分布式计算机系统提供的强大计充分利
24、用分布式计算机系统提供的强大计算能力；算能力；有些应用本身具有分布特性，如多人通过有些应用本身具有分布特性，如多人通过网络进行游戏和虚拟战争模拟等。网络进行游戏和虚拟战争模拟等。42各用户具有共享的虚拟各用户具有共享的虚拟工作空间。工作空间。伪实体的行为真实感。伪实体的行为真实感。支持实时交互，共享时支持实时交互，共享时钟。钟。多个用户可以各自不同多个用户可以各自不同的方式相互通信。的方式相互通信。资源信息共享以及允许资源信息共享以及允许用户自然操纵虚拟世界用户自然操纵虚拟世界中的对象。中的对象。分布式虚拟现实系统的特点分布式虚拟现实系统的特点43虚拟人虚拟人_ _数字人数字人美国主导和酝酿的
25、几个具有国际影响的研究计划：美国主导和酝酿的几个具有国际影响的研究计划：人类基因组计划人类基因组计划(Human Genome Project,HGP)(Human Genome Project,HGP)可视人计划可视人计划(Visible Human Project,VHP)(Visible Human Project,VHP)虚拟人计划虚拟人计划(Virtual Human Project,VHP)(Virtual Human Project,VHP)人类脑计划人类脑计划(Human Brain ProjectHuman Brain Project,HBP),HBP)等等虽然有各自的研究目
26、标，但在人体模型、人体信息虽然有各自的研究目标，但在人体模型、人体信息的数字化研究上有着一定的内在联系。为此，美国的数字化研究上有着一定的内在联系。为此，美国科学家联盟科学家联盟(FAS)(FAS)于于20012001年又将上述计划概括为年又将上述计划概括为数字人计划数字人计划(Digital Human Project,DHP)(Digital Human Project,DHP)。医学应用医学应用44虚拟人虚拟人_ _数字人数字人数字人计划数字人计划目标：实现人体从基因到分子、细胞、目标：实现人体从基因到分子、细胞、组织、器官、系统和整体的精确模拟。组织、器官、系统和整体的精确模拟。经历经
27、历4 4个发展阶段个发展阶段“虚拟可视人虚拟可视人”“虚拟物理人虚拟物理人”“虚拟生理人虚拟生理人”“虚拟智能人虚拟智能人”45虚拟人虚拟人外国虚拟人研究外国虚拟人研究19891989年美国国立医学图书馆开始酝酿为年美国国立医学图书馆开始酝酿为“可视化人体计划可视化人体计划”。科罗拉多大学健康科学中心承担数据获科罗拉多大学健康科学中心承担数据获取工作，第一套男性取工作，第一套男性(断面距离为断面距离为1.0 1.0 mm)mm)、女性、女性(断面距离为断面距离为0.33 mm)VHP0.33 mm)VHP数数据集分别于据集分别于19941994年、年、19951995年完成并向世年完成并向世界
28、公布。界公布。46美国虚拟人美国虚拟人1 1号号47中国虚拟人研究中国虚拟人研究20012001年北京年北京174174次香山科学会议次香山科学会议“中国数字化虚拟人体科技问题中国数字化虚拟人体科技问题”启动中国数字化虚拟人体的研究。启动中国数字化虚拟人体的研究。第一军医大第一军医大(南方医科大学南方医科大学)中国虚拟人中国虚拟人I I号号 (男男)，0.2mm0.2mm；中国虚拟人中国虚拟人IIII号号(女女)，0.1 mm0.1 mm。48虚拟现实技术在虚拟现实技术在中医领域的应用中医领域的应用经络可视化显示的研究经络可视化显示的研究虚拟针灸虚拟针灸远程脉诊系统远程脉诊系统中医四诊教学系统
29、中医四诊教学系统49经络可视化经络可视化显示的研究显示的研究例例50基于虚拟现实技术的中医针灸基于虚拟现实技术的中医针灸虚拟现实技术在虚拟现实技术在中医领域的应用中医领域的应用例例51525354远程脉诊远程脉诊系统系统虚拟现实技术在虚拟现实技术在中医领域的应用中医领域的应用例例55虚拟现实技术虚拟现实技术在西医领域的应用在西医领域的应用 药物分子设计药物分子设计 数字化虚拟人体试验。数字化虚拟人体试验。解决以往必须先通过解决以往必须先通过动物实验、小样本临动物实验、小样本临床验证才能用于临床床验证才能用于临床实验的时间跨度。实验的时间跨度。新药研制新药研制苯乙烯分子苯乙烯分子球棍模型球棍模型
30、56医学教育医学教育虚拟人体骨骼虚拟人体骨骼通过虚拟现实技术建立起通过虚拟现实技术建立起人体结构模型，可以使学人体结构模型，可以使学生通过人机交互对人体模生通过人机交互对人体模型进行浏览，在模型内部型进行浏览，在模型内部“漫游漫游”，能让学生非常，能让学生非常直观、轻松学习解剖结构，直观、轻松学习解剖结构，发挥学习的主动性。发挥学习的主动性。虚拟现实技术虚拟现实技术在西医领域的应用在西医领域的应用57医学医学解剖解剖58虚拟解剖虚拟解剖59标本的数字资料完整，提供完整的资源标本的数字资料完整，提供完整的资源直观的为学生创建人体器官的空间结构直观的为学生创建人体器官的空间结构可重复对标本进行解剖
31、操作，节省大量的资源可重复对标本进行解剖操作，节省大量的资源教学时间和场所可灵活设置，实现自主开放性教学时间和场所可灵活设置，实现自主开放性教学教学整合了大体、断层、局部、系统解剖学课程，整合了大体、断层、局部、系统解剖学课程，将独立的课程有机的集合起来将独立的课程有机的集合起来虚拟人体解剖的优势虚拟人体解剖的优势60培训外科大夫培训外科大夫以往培训一位合格的外科医生，要以往培训一位合格的外科医生，要在上级医生带领下，长期在病人身在上级医生带领下，长期在病人身上积累手术经验。这种上积累手术经验。这种“练手艺练手艺”的过程，代价高、风险在、不具备的过程，代价高、风险在、不具备重复性。重复性。虚拟
32、现实技术虚拟现实技术在西医领域的应用在西医领域的应用61运用虚拟现实技术可以使医务工作者沉浸于虚拟的场景内，体运用虚拟现实技术可以使医务工作者沉浸于虚拟的场景内，体验并学习如何应付各种临床手术的实际情况，通过视、听、触验并学习如何应付各种临床手术的实际情况，通过视、听、触觉感知等多种感官了解和学习各种手术实际操作，对于年轻医觉感知等多种感官了解和学习各种手术实际操作，对于年轻医生可以经过在计算机上进行多次的手术仿真训练，再上真正的生可以经过在计算机上进行多次的手术仿真训练，再上真正的手术台，可极大的节约培训医手术台，可极大的节约培训医务人员的费用和时间，依据专务人员的费用和时间，依据专家的经验
33、创建出的手术专家系家的经验创建出的手术专家系统还可以在训练中进行必要的统还可以在训练中进行必要的提示和指导。提示和指导。虚拟手术仿真训练系统具有低虚拟手术仿真训练系统具有低代价、零风险、多重复性、自代价、零风险、多重复性、自动指导的优点。动指导的优点。虚拟患者可随时虚拟患者可随时“原地满血原地满血”复活。复活。虚拟现实技术虚拟现实技术在西医领域的应用在西医领域的应用62在虚拟手术中，医生戴着数据手套，拿在虚拟手术中，医生戴着数据手套，拿着虚拟手术刀，数据手套上配备位置跟着虚拟手术刀，数据手套上配备位置跟踪定位装置，这样虚拟现实系统便可以踪定位装置，这样虚拟现实系统便可以精确的跟踪医生的运动和位
34、置，模拟产精确的跟踪医生的运动和位置，模拟产生医生和虚拟病人之间的手术操作交互。生医生和虚拟病人之间的手术操作交互。一些类似手术仪器、而且可以提供力反一些类似手术仪器、而且可以提供力反馈的设备正在研制当中，他们可以提供馈的设备正在研制当中，他们可以提供手术刀或其他器械通过虚拟肌肉时的真手术刀或其他器械通过虚拟肌肉时的真实阻力。实阻力。虚拟手术虚拟手术虚拟现实技术虚拟现实技术在西医领域的应用在西医领域的应用例例63德国卡尔斯鲁厄大学的虚拟腹腔镜手术德国卡尔斯鲁厄大学的虚拟腹腔镜手术64腰椎穿刺虚拟训练系统腰椎穿刺虚拟训练系统65虚拟医学手术仿真训练是一种技术难度较大的虚拟医学手术仿真训练是一种技
35、术难度较大的应用。与其它虚拟现实应用相比，它的特点是：应用。与其它虚拟现实应用相比，它的特点是：1 1、虚拟场景复杂，需要产生多层次、多种形虚拟场景复杂，需要产生多层次、多种形态、相联关系复杂的三维虚拟人体组织；态、相联关系复杂的三维虚拟人体组织；2 2、人机交互性强，要求定位和反馈精确度高。人机交互性强，要求定位和反馈精确度高。虚拟手术虚拟手术虚拟现实技术虚拟现实技术在西医领域的应用在西医领域的应用66技术难点：技术难点：1 1、仿真的逼真性较低，主要原因是不同虚拟、仿真的逼真性较低，主要原因是不同虚拟人体组织（尤其是软组织）的精确解剖结构和人体组织（尤其是软组织）的精确解剖结构和几何模型细
36、节层次的建立以及三维实时显示算几何模型细节层次的建立以及三维实时显示算法仍有待进一步的改进和优化；法仍有待进一步的改进和优化；2 2、虚拟组织的各种行为模型（即真实动态物、虚拟组织的各种行为模型（即真实动态物理模型，如在受到外力时的组织实时形变等）理模型，如在受到外力时的组织实时形变等）的建立还不够完善和真实；的建立还不够完善和真实；虚拟手术虚拟手术虚拟现实技术虚拟现实技术在西医领域的应用在西医领域的应用673 3、多通道感觉的缺乏，目前研究大多集中于视觉效果的、多通道感觉的缺乏，目前研究大多集中于视觉效果的虚拟，对其他感觉通道如听觉、触觉等力反馈的表现较虚拟，对其他感觉通道如听觉、触觉等力反
37、馈的表现较为缺乏，而在医学手术中力的反馈是非常重要的；为缺乏，而在医学手术中力的反馈是非常重要的；4 4、多种不同来源的三维医学影像数据的融合和复杂模型、多种不同来源的三维医学影像数据的融合和复杂模型的的LODLOD模型优化等技术尚有待发展；由于人体数据的复杂模型优化等技术尚有待发展；由于人体数据的复杂程度高、量大，采用现有数据组合生成最终虚拟手术使程度高、量大，采用现有数据组合生成最终虚拟手术使用的人体模型数据集的建模方法还有待研究；用的人体模型数据集的建模方法还有待研究；5 5、由于西方人种与黄色人种在生理结构上有一定的差异，、由于西方人种与黄色人种在生理结构上有一定的差异，国外人体模型和
38、研究产品并不能完全适应我国的需要。国外人体模型和研究产品并不能完全适应我国的需要。虚拟手术虚拟手术虚拟现实技术虚拟现实技术在西医领域的应用在西医领域的应用68虚拟医学手术仿真训练的技术实现主要分为以下虚拟医学手术仿真训练的技术实现主要分为以下三个部分：三个部分：1 1、医学图像的三维重建、医学图像的三维重建2 2、虚拟人体组织器官的物理建模、虚拟人体组织器官的物理建模3 3、虚拟手术器械与虚拟人体的碰撞检测和力反馈、虚拟手术器械与虚拟人体的碰撞检测和力反馈虚拟手术虚拟手术虚拟现实技术虚拟现实技术在西医领域的应用在西医领域的应用69 虚拟手术：虚拟手术：逐步形成之中逐步形成之中 相关研究方向主要
39、有：相关研究方向主要有：医学可视化（Medical Visualization）医学增强现实（Medical augmented Reality）医用机器人，手术模拟（Surgery Simulation）图象引导手术（Image Guided Surgery）计算机辅助手术（Computer Aided Surgery，Computer Assisted Surgery）等70虚拟手术优点：虚拟手术优点：手术方案能够利用图像数手术方案能够利用图像数据，帮助医生合理、定量据，帮助医生合理、定量地制定手术方案，对于选地制定手术方案，对于选择最佳手术路径、减小手择最佳手术路径、减小手术损伤、减少对
40、临近组织术损伤、减少对临近组织损害、提高肿瘤定位精度、损害、提高肿瘤定位精度、执行复杂外科手术和提高执行复杂外科手术和提高手术成功率等具有十分重手术成功率等具有十分重要的意义。要的意义。手术教学训练手术教学训练80%80%的手术的手术失误是人为因素引起的，失误是人为因素引起的，所以手术训练极其重要。所以手术训练极其重要。71虚拟手术其他优势：虚拟手术其他优势：保护保护医生医生降低手术费用降低手术费用改善病人的预后改善病人的预后建造定制的修复拟合模型建造定制的修复拟合模型远程干预远程干预72远程外科手术是技术在医学上的一个重要应远程外科手术是技术在医学上的一个重要应用用,其最初目的是能够让医师在
41、一个地球基其最初目的是能够让医师在一个地球基站中对太空中的某个宇航员进行手术。斯坦站中对太空中的某个宇航员进行手术。斯坦福国际研究院已研制了一套远程手术实验系福国际研究院已研制了一套远程手术实验系统。统。内布拉斯加州大学研究人员研制出的一种机器人内布拉斯加州大学研究人员研制出的一种机器人机器人装着轮子，高为机器人装着轮子，高为7.5厘米。厘米。手术师通过电脑控制它们就可手术师通过电脑控制它们就可以在异地实施手术。以在异地实施手术。机器人装有摄像头和照明灯可机器人装有摄像头和照明灯可以将手术的画面传送给手术师。以将手术的画面传送给手术师。还装有能够进行远程控制的手还装有能够进行远程控制的手术器械
42、。术器械。远程外科手术远程外科手术虚拟现实技术在虚拟现实技术在西医领域的应用西医领域的应用73虚拟内窥镜虚拟内窥镜虚拟现实技术在虚拟现实技术在西医领域的应用西医领域的应用例例74医学图像医学图像医学图象分割医学图象分割三维重建三维重建 超声图像与虚拟超声图像与虚拟现实相结合现实相结合虚拟现实技术在虚拟现实技术在西医领域的应用西医领域的应用75虚拟现实技术在虚拟现实技术在西医领域的应用西医领域的应用康复医疗康复医疗美国加州的洛玛琳达大学研制的美国加州的洛玛琳达大学研制的“神经康复神经康复工作站工作站”是一个应用压力传感器、生物传感是一个应用压力传感器、生物传感器及具有数据手套和视线跟踪系统的可视
43、化器及具有数据手套和视线跟踪系统的可视化工作站工作站,可用于诊断因严重事故或先天性疾可用于诊断因严重事故或先天性疾病引起的身体缺陷病引起的身体缺陷,并针对患者缺乏运动的并针对患者缺乏运动的现象现象,让其沉浸在与真实世界的物理规律不让其沉浸在与真实世界的物理规律不尽相同的虚拟现实之中尽相同的虚拟现实之中,从而有助于恢复患从而有助于恢复患者的感觉或运动障碍。者的感觉或运动障碍。76哈工大多功哈工大多功能手臂康复能手臂康复训练机器人训练机器人虚拟现实技术在虚拟现实技术在西医领域的应用西医领域的应用77治疗恐惧症的三维虚拟现实眼镜治疗恐惧症的三维虚拟现实眼镜 _ _ _以色列以色列“无畏无畏”诊诊所所
44、原理：眼镜的样子很像普通的风镜，治疗时研究人员先原理：眼镜的样子很像普通的风镜，治疗时研究人员先让患者放松，然后戴上三维虚拟现实眼镜，通过计算机让患者放松，然后戴上三维虚拟现实眼镜，通过计算机和传感器让使患者感到恐惧的虚拟物体或环境逐渐在病和传感器让使患者感到恐惧的虚拟物体或环境逐渐在病患面前呈现出来；传感器数量越多，模拟的准确率越高，患面前呈现出来；传感器数量越多，模拟的准确率越高，虚拟环境与现实就越接近。经过反复多次治疗，患者对虚拟环境与现实就越接近。经过反复多次治疗，患者对所见物体的恐惧感就会逐渐消除。所见物体的恐惧感就会逐渐消除。效果：研究人员对效果：研究人员对4 4名恐飞症患者进行了试验性治疗。名恐飞症患者进行了试验性治疗。开始时，患者通过传感器可以感到飞机由静止转入滑行，开始时，患者通过传感器可以感到飞机由静止转入滑行，重复几次后，当患者对此的恐惧感明显减小后，再模拟重复几次后，当患者对此的恐惧感明显减小后，再模拟飞机飞行中的状态。经过飞机飞行中的状态。经过8 8个疗程后，研究人员让患者个疗程后，研究人员让患者乘飞机进行了半个小时的实际飞行，结果这乘飞机进行了半个小时的实际飞行，结果这4 4名患者对名患者对飞行的恐惧感明显好转。飞行的恐惧感明显好转。恐飞症恐飞症78原力与你同在谢谢大家！谢谢大家！
