1、虚拟人体虚拟人体9.1医生虚拟操作与虚拟手术医生虚拟操作与虚拟手术9.2虚拟康复训练虚拟康复训练9.3虚拟现实技术与现代高等医学教育虚拟现实技术与现代高等医学教育9.4医学虚拟现实软件的应用现状医学虚拟现实软件的应用现状9.5 虚拟人体，也称数字虚拟人，或称虚拟人体，也称数字虚拟人，或称虚拟可视人（虚拟可视人（Visible Human），是指将），是指将人体结构数字化，通过计算机技术和图人体结构数字化，通过计算机技术和图像处理技术，在计算机屏幕上显示一个像处理技术，在计算机屏幕上显示一个看似真实的模拟人体，再进一步将人体看似真实的模拟人体，再进一步将人体功能性的数据加以数字化，赋加到这个功能
2、性的数据加以数字化，赋加到这个人体形态框架上，经过虚拟现实技术的人体形态框架上，经过虚拟现实技术的交叉融合最终形成能够在很多方面代替交叉融合最终形成能够在很多方面代替真实人体的虚拟对象。真实人体的虚拟对象。虚拟人的全部研究发展包括虚拟人的全部研究发展包括4个阶段：个阶段：“虚拟可视人虚拟可视人”、“虚拟物理人虚拟物理人”、“虚虚拟生理人拟生理人”和和“虚拟智能人虚拟智能人”。制作制作“虚拟人虚拟人”，最关键的环节是，最关键的环节是采集人体数据。采集人体数据。首先需要确定出一个理想的人体样首先需要确定出一个理想的人体样本；然后经过尸体解剖、拍照、分析；本；然后经过尸体解剖、拍照、分析；再将数据输
3、入计算机进行合成，从而制再将数据输入计算机进行合成，从而制成一个完整的立体人类生理结构。成一个完整的立体人类生理结构。图图9.1所示为虚拟人体切片图。所示为虚拟人体切片图。图图9.2所示为美国男性数据集中的图所示为美国男性数据集中的图片。片。图图9.1 虚拟人体切片图虚拟人体切片图图图9.2 美国男性虚拟人美国男性虚拟人 我国对我国对“虚拟人虚拟人”的研究。在的研究。在2000年正式列入高新技术发展计划中。年正式列入高新技术发展计划中。2003年年2月月18日日17时时18分，我国首例分，我国首例女性虚拟人数据集在位于广州市的解放女性虚拟人数据集在位于广州市的解放军第一军医大学构建成功，这标志
4、着继军第一军医大学构建成功，这标志着继美国、韩国后，中国成为世界上第三个美国、韩国后，中国成为世界上第三个拥有本国虚拟人数据库的国家。图拥有本国虚拟人数据库的国家。图9.3所所示为我国虚拟人女一号的相关图片。示为我国虚拟人女一号的相关图片。图图9.3 我国虚拟人女一号我国虚拟人女一号 图图9.4所示为我国科研人员在处理尸所示为我国科研人员在处理尸体，制作虚拟人切片标本时的场景。体，制作虚拟人切片标本时的场景。表表9-1所示为美、韩、中虚拟人体的所示为美、韩、中虚拟人体的具体数据比较。具体数据比较。图图9.4 制作虚拟人切片标本制作虚拟人切片标本国家国家数据集数据集采集时间采集时间切片精度切片精
5、度切片数量切片数量数据量数据量美国美国男性数据集男性数据集1994年年187815GB美国美国女性数据集女性数据集1995年年519030GB韩国韩国韩国可视人韩国可视人2001年年9000158.2GB中国中国虚拟人虚拟人1号（女性）号（女性）2003年年8556149.7GB中国中国虚拟人虚拟人1号（男性）号（男性）2003年年9232161.6GB表表9-1 美、韩、中虚拟人体的具体数据美、韩、中虚拟人体的具体数据1医学参考医学参考2制药实验制药实验3军事应用军事应用4肿瘤治疗肿瘤治疗5航空航天航空航天6体育运动体育运动图图9.5 虚拟人在军事方面的应用虚拟人在军事方面的应用图图9.6
6、宇航员人体模型宇航员人体模型9.2.1 虚拟内窥镜虚拟内窥镜 虚拟内窥镜技术（虚拟内窥镜技术（Virtual Endoscopy，VE）是虚拟现实技术在现代医学中的重要应用。是虚拟现实技术在现代医学中的重要应用。这项技术主要是利用医学影像数据作为原始这项技术主要是利用医学影像数据作为原始数据来源，融合计算机图形学、可视化技术、图数据来源，融合计算机图形学、可视化技术、图像处理技术和虚拟现实技术，以此来模拟传统光像处理技术和虚拟现实技术，以此来模拟传统光学内窥镜的一种新兴医疗技术手段。学内窥镜的一种新兴医疗技术手段。其最大的优势在于克服了传统光学其最大的优势在于克服了传统光学内窥镜需要插入人体，
7、做接触式检查的内窥镜需要插入人体，做接触式检查的方式，避免了患者在接受传统检查时所方式，避免了患者在接受传统检查时所必须面临的痛苦。必须面临的痛苦。VE的发展大致分为三代。的发展大致分为三代。第一代第一代VE是运用几何模型，生成解是运用几何模型，生成解剖结构的剖结构的3D几何形状，附加一些简单的几何形状，附加一些简单的交互操作，产生较为粗糙的动画效果，交互操作，产生较为粗糙的动画效果，这一代这一代VE主要应用于对医护人员的教学主要应用于对医护人员的教学和培训。和培训。第二代第二代VE是利用具有高分辨率的可视是利用具有高分辨率的可视化人体数据，如化人体数据，如CT、MRI等图像数据，产等图像数据
8、，产生较为逼真的图像效果，增加了真实感、生较为逼真的图像效果，增加了真实感、视觉逼真性和临床实用性，目前视觉逼真性和临床实用性，目前VE正处在正处在这一代的研究阶段。这一代的研究阶段。可预见的第三代可预见的第三代VE在考虑了人体器在考虑了人体器官组织形状的同时，还将加入不同解剖官组织形状的同时，还将加入不同解剖组织的物理特性和生物特性，将会成为组织的物理特性和生物特性，将会成为一个在物理上、生理上以及系统上都完一个在物理上、生理上以及系统上都完全逼真的全逼真的VE系统。系统。1虚拟腹腔镜虚拟腹腔镜2虚拟消化内镜虚拟消化内镜3虚拟呼吸内镜虚拟呼吸内镜 虚拟外科手术涵盖很多方面，其中包虚拟外科手术
9、涵盖很多方面，其中包括虚拟骨科手术训练，如图括虚拟骨科手术训练，如图9.10所示；虚所示；虚拟神经外科手术训练，如图拟神经外科手术训练，如图9.11所示；虚所示；虚拟耳鼻喉科手术和虚拟眼外科手术等。拟耳鼻喉科手术和虚拟眼外科手术等。（a）股骨干骨折）股骨干骨折 （b）股骨颈骨折手术）股骨颈骨折手术图图9.10 虚拟骨科手术训练虚拟骨科手术训练 图图9.11 虚拟神经外科手术训练虚拟神经外科手术训练 医生的培养，特别是外科医生的培医生的培养，特别是外科医生的培养由于受到客观条件的限制，因此外科养由于受到客观条件的限制，因此外科技能的培养往往只能通过在尸体或病人技能的培养往往只能通过在尸体或病人身
10、上反复临床磨练。但这种方式严重制身上反复临床磨练。但这种方式严重制约着医学教育的发展。约着医学教育的发展。虚拟手术系统的出现解决了这一问虚拟手术系统的出现解决了这一问题。题。虚拟外科手术是借助计算机，并利虚拟外科手术是借助计算机，并利用各种医学影像数据，为医生构建和提用各种医学影像数据，为医生构建和提供的仿真手术虚拟教学系统。供的仿真手术虚拟教学系统。借助于虚拟外科手术系统，医务人借助于虚拟外科手术系统，医务人员可以沉浸于计算机生成的虚拟手术环员可以沉浸于计算机生成的虚拟手术环境内，通过虚拟仿真手术器械体验和学境内，通过虚拟仿真手术器械体验和学习如何进行各种手术，并培养应付各种习如何进行各种手
11、术，并培养应付各种突发情况的能力。突发情况的能力。医生和医学生可以根据自己的需要医生和医学生可以根据自己的需要重复进行各种必要的操作训练，并可以重复进行各种必要的操作训练，并可以得到根据专家经验建立的专家手术系统得到根据专家经验建立的专家手术系统的指导，这大大节约了培训医务人员的的指导，这大大节约了培训医务人员的费用和时间，从而达到迅速提高学习者费用和时间，从而达到迅速提高学习者手术技能的目的。手术技能的目的。为了提高护士的静脉注射水平，血为了提高护士的静脉注射水平，血管内导管插入技术仿真器在美国应运而管内导管插入技术仿真器在美国应运而生。生。该系统包括一个专用触觉接口、一该系统包括一个专用触
12、觉接口、一台台PC和一个桌面监视器。和一个桌面监视器。和实际操作一样，培训人员一只手和实际操作一样，培训人员一只手持一个带有传感器的手柄，以此来模拟持一个带有传感器的手柄，以此来模拟要进行注射的病人部位；另一只手持一要进行注射的病人部位；另一只手持一个真正的注射器或是输液管部件，这一个真正的注射器或是输液管部件，这一部分与屏幕上的一个虚拟针头相对应。部分与屏幕上的一个虚拟针头相对应。当培训人员将注射器或输液管推注到触当培训人员将注射器或输液管推注到触觉接口时，虚拟皮肤在压力下可变形。觉接口时，虚拟皮肤在压力下可变形。在这个过程中，系统会显示出一个代表在这个过程中，系统会显示出一个代表皮肤和静脉
13、的视图，以帮助受训人员定位。皮肤和静脉的视图，以帮助受训人员定位。通过安装在触觉接口的激励器组件，培通过安装在触觉接口的激励器组件，培训人员可以感觉到在皮肤接触时所受到的微训人员可以感觉到在皮肤接触时所受到的微小阻力。小阻力。虚拟康复训练系统通过抠像技术，虚拟康复训练系统通过抠像技术，使患者可以在屏幕上看到自己或以虚拟使患者可以在屏幕上看到自己或以虚拟图形式出现的人体图像，然后患者根据图形式出现的人体图像，然后患者根据屏幕中情景的变化和提示做各种动作，屏幕中情景的变化和提示做各种动作，以保持屏幕中情景模式的继续，直到最以保持屏幕中情景模式的继续，直到最终完成训练目标。终完成训练目标。该系统是专
14、门为神经、骨科、老年该系统是专门为神经、骨科、老年康复和儿童康复开发的虚拟康复治疗系康复和儿童康复开发的虚拟康复治疗系统，能使患者以自然方式与具有多种感统，能使患者以自然方式与具有多种感官刺激的虚拟环境中的对象进行交互，官刺激的虚拟环境中的对象进行交互，可提供多种形式的反馈信息使枯燥单调可提供多种形式的反馈信息使枯燥单调的运动康复训练过程更轻松、更有趣和的运动康复训练过程更轻松、更有趣和更容易。更容易。1外科术后康复外科术后康复 图图9.12和图和图9.13所示分别为传统肢体所示分别为传统肢体康复训练和虚拟肢体康复训练的情况。康复训练和虚拟肢体康复训练的情况。图图9.12 传统肢体康复训练传统
15、肢体康复训练图图9.13 虚拟肢体康复训练虚拟肢体康复训练 图图9.14所示为中风患者在特殊的医所示为中风患者在特殊的医疗机构进行传统康复训练的情景。疗机构进行传统康复训练的情景。图图9.14 传统中风康复训练传统中风康复训练 利用利用VR技术的中风康复训练能够在技术的中风康复训练能够在时间和空间上解决患者在慢性期长期康时间和空间上解决患者在慢性期长期康复训练的需求，患者甚至可以足不出户复训练的需求，患者甚至可以足不出户在家中完成远程的康复训练。在家中完成远程的康复训练。图图9.15所示为中风患者接受虚拟康所示为中风患者接受虚拟康复训练的情景。复训练的情景。图图9.15 虚拟中风康复训练虚拟中
16、风康复训练 虚拟现实技术目前已被广泛用于认虚拟现实技术目前已被广泛用于认知障碍的治疗，如记忆障碍、注意力障知障碍的治疗，如记忆障碍、注意力障碍、空间认知障碍和一些心理治疗等。碍、空间认知障碍和一些心理治疗等。认知功能康复训练系统促进了计算认知功能康复训练系统促进了计算机技术和认知科学更高层次的结合，在机技术和认知科学更高层次的结合，在认知障碍的康复训练方面表现出了传统认知障碍的康复训练方面表现出了传统方法无法比拟的优势。方法无法比拟的优势。虚拟现实可以使人沉浸在计算机实时产虚拟现实可以使人沉浸在计算机实时产生的三维环境中，通过各种游戏反复训练来生的三维环境中，通过各种游戏反复训练来维持和提高患
17、者的逻辑推理、思维、记忆、维持和提高患者的逻辑推理、思维、记忆、协调、注意力等认知功能。协调、注意力等认知功能。心理治疗起源于欧洲，从精神病学心理治疗起源于欧洲，从精神病学中发展出来，是双方互动的一个过程，中发展出来，是双方互动的一个过程，每一方通常由一个人构成，但有可能由每一方通常由一个人构成，但有可能由两个或更多的人组成。两个或更多的人组成。从从1992年起虚拟现实被应用于心理年起虚拟现实被应用于心理治疗领域，为心理治疗技术的发展开创治疗领域，为心理治疗技术的发展开创了全新的局面。了全新的局面。近期，国外的一些心理学家应用虚近期，国外的一些心理学家应用虚拟现实技术治疗恐高症、幽闭恐怖症、拟
18、现实技术治疗恐高症、幽闭恐怖症、进食障碍、创伤后应激障碍、精神分裂进食障碍、创伤后应激障碍、精神分裂症、性功能障碍、缓解疼痛等心理疾病症、性功能障碍、缓解疼痛等心理疾病并取得了极大的成果。并取得了极大的成果。9.4.1 虚拟现实技术在基础医学虚拟现实技术在基础医学教育中的应用教育中的应用 基础医学的教学方式主要分为理论基础医学的教学方式主要分为理论授课和实验操作两种。授课和实验操作两种。其中理论授课的方式是课堂讲授加其中理论授课的方式是课堂讲授加上传统医学插图，学生大多感觉学习过上传统医学插图，学生大多感觉学习过程枯燥、不好理解、不好记忆。程枯燥、不好理解、不好记忆。而利用虚拟现实技术可以在虚
19、拟的环境下，而利用虚拟现实技术可以在虚拟的环境下，将人体各器官的解剖、生理学、病理学的数学模将人体各器官的解剖、生理学、病理学的数学模型存在一个数据库中，在显示屏上有意识地显示型存在一个数据库中，在显示屏上有意识地显示某些细节，学生可以将病人的各种病变部位分开某些细节，学生可以将病人的各种病变部位分开或合在一起观察病变情况。或合在一起观察病变情况。将将“虚拟人虚拟人”应用于教学过程也是应用于教学过程也是虚拟现实技术应用于基础医学教育的一虚拟现实技术应用于基础医学教育的一个典型实例。个典型实例。学生在课堂上能以三维的形式看到学生在课堂上能以三维的形式看到人体数千个解剖结构的形状、位置及器人体数千
20、个解剖结构的形状、位置及器官间的相互空间关系等，学习兴趣和效官间的相互空间关系等，学习兴趣和效果显著提高。果显著提高。虚拟手术教学是虚拟现实技术临床虚拟手术教学是虚拟现实技术临床医学教育中的最显著的应用。医学教育中的最显著的应用。医学学生在手术培训过程中进行临医学学生在手术培训过程中进行临床实践主要是在动物或者人体上进行操床实践主要是在动物或者人体上进行操作，而在实践中会遇到教育资源有限的作，而在实践中会遇到教育资源有限的问题。问题。虚拟现实技术解决了这一难题，它虚拟现实技术解决了这一难题，它可以模拟非常真实的手术场景，为学生可以模拟非常真实的手术场景，为学生创造出一个虚拟的手术过程，在此过程
21、创造出一个虚拟的手术过程，在此过程中学生可以进行反复的训练。中学生可以进行反复的训练。这种教育方式不仅可以节约教育资源，这种教育方式不仅可以节约教育资源，还具有零风险、可反复操作等优势，学生可还具有零风险、可反复操作等优势，学生可利用它完成手术的各个操作步骤，并对操作利用它完成手术的各个操作步骤，并对操作的过程和结果进行分析和总结，这样可以更的过程和结果进行分析和总结，这样可以更多地积累临床实践技巧和经验。多地积累临床实践技巧和经验。虚拟现实技术应用于远程医学教育的基虚拟现实技术应用于远程医学教育的基础是基于远程医疗的分支网真医学，即远程础是基于远程医疗的分支网真医学，即远程呈现医学，它把专家
22、的知识通过通信网络传呈现医学，它把专家的知识通过通信网络传输到需要的远程位置，在远程医疗应用领域输到需要的远程位置，在远程医疗应用领域发挥其独特的优势。发挥其独特的优势。网真医学是虚拟现实技术应用的一网真医学是虚拟现实技术应用的一个全新领域，它结合了高清视频、音频个全新领域，它结合了高清视频、音频和交互式组件（软件和硬件），在网络和交互式组件（软件和硬件），在网络上创建一种独特的上创建一种独特的“面对面面对面”体验的新体验的新型技术。型技术。目前，国内外应用医学虚拟现实技目前，国内外应用医学虚拟现实技术的应用软件有很多，这些应用软件在术的应用软件有很多，这些应用软件在提高手术教学和训练的质量、
23、减少术中提高手术教学和训练的质量、减少术中决策时间、降低手术风险性等方面具有决策时间、降低手术风险性等方面具有较大帮助，有重要的临床意义，为医学较大帮助，有重要的临床意义，为医学研究和教学的发展发挥巨大的作用。研究和教学的发展发挥巨大的作用。下面介绍几个典型的医学虚拟现实软件。下面介绍几个典型的医学虚拟现实软件。13dBody可视化虚拟人体解剖学软件可视化虚拟人体解剖学软件2交互式医学影像控制系统交互式医学影像控制系统3可视化与医学仿真平台可视化与医学仿真平台 本章介绍了虚拟现实技术在医学方面的本章介绍了虚拟现实技术在医学方面的应用。应用。虚拟现实技术与医学知识紧密结合，使虚拟现实技术与医学知
24、识紧密结合，使得虚拟内窥镜、虚拟手术、虚拟静脉注射、得虚拟内窥镜、虚拟手术、虚拟静脉注射、虚拟康复训练以及各种用于医学实践教学的虚拟康复训练以及各种用于医学实践教学的模拟训练系统等方面实现了广泛的应用和快模拟训练系统等方面实现了广泛的应用和快速发展。速发展。虚拟现实技术与网络技术、多媒体虚拟现实技术与网络技术、多媒体技术结合发展，必将开拓更加广阔的应技术结合发展，必将开拓更加广阔的应用领域和发展前景，在医学教育领域亦用领域和发展前景，在医学教育领域亦是如此。是如此。医学教育现今的教学方式，不再是医学教育现今的教学方式，不再是单纯的依靠书本、教师授课的形式。单纯的依靠书本、教师授课的形式。计算机
25、辅助教学的引入，弥补了传统计算机辅助教学的引入，弥补了传统教学所不能表述的许多方面。教学所不能表述的许多方面。在表现一些空间立体化的知识，如原在表现一些空间立体化的知识，如原子、分子的结构，人体脏器的运动时，三子、分子的结构，人体脏器的运动时，三维的展现形式必然使学习过程形象生动，维的展现形式必然使学习过程形象生动，学生更容易接受和掌握。学生更容易接受和掌握。使用具有交互功能的使用具有交互功能的3D课件，学生课件，学生可以在实际的动手操作中得到更深的体可以在实际的动手操作中得到更深的体会。会。我们需要紧密关注，大胆应用，为我们需要紧密关注，大胆应用，为我们的虚拟医学教育事业增添强大的生我们的虚拟医学教育事业增添强大的生命力。命力。
