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    醫(yī)學(xué)虛擬仿真應(yīng)用介紹

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    日期:2016-03-02 閱讀:8469 作者:新視覺(jué)數(shù)碼

    一、虛擬仿真基本概念

    虛擬仿真(Virtual Reality)技術(shù),或稱為靈境技術(shù),虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),是利用電腦模擬產(chǎn)生一個(gè)三維空間的虛擬世界,提供使用者關(guān)于視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感官的模擬,讓使用者如同身歷其境一般,可以及時(shí)、沒(méi)有限制地觀察三度空間內(nèi)的事物。

    虛擬仿真是一項(xiàng)綜合集成技術(shù),涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等領(lǐng)域,它用計(jì)算機(jī)生成逼真的三維視、聽(tīng)、嗅覺(jué)等感覺(jué),使人作為參與者通過(guò)適當(dāng)裝置,自然地對(duì)虛擬世界進(jìn)行體驗(yàn)和交互作用。使用者進(jìn)行位置移動(dòng)時(shí),電腦可以立即進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算,將精確的3D世界影像傳回產(chǎn)生臨場(chǎng)感。該技術(shù)集成了計(jì)算機(jī)圖形(CG)技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、人工智能、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)并行處理等技術(shù)的最新發(fā)展成果,是一種由計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助生成的高技術(shù)模擬系統(tǒng)。


    虛擬現(xiàn)實(shí)


    二、醫(yī)學(xué)仿真領(lǐng)域的主要應(yīng)用范圍

    VR在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。在虛擬環(huán)境中,可以建立虛擬的人體模型,借助于跟蹤球、HMD、感覺(jué)手套,學(xué)生可以很容易了解人體內(nèi)部各器官結(jié)構(gòu),這比現(xiàn)有的采用教科書(shū)的方式要有效得多。Pieper及Satara等研究者在90年代初基于兩個(gè)SGI工作站建立了一個(gè)虛擬外科手術(shù)訓(xùn)練器,用于腿部及腹部外科手術(shù)模擬。這個(gè)虛擬的環(huán)境包括虛擬的手術(shù)臺(tái)與手術(shù)燈,虛擬的外科工具(如手術(shù)刀、注射器、手術(shù)鉗等),虛擬的人體模型與器官等。借助于HMD及感覺(jué)手套,使用者可以對(duì)虛擬的人體模型進(jìn)行手術(shù)。但該系統(tǒng)有待進(jìn)一步改進(jìn),如需提高環(huán)境的真實(shí)感,增加網(wǎng)絡(luò)功能,使其能同時(shí)培訓(xùn)多個(gè)使用者,或可在外地專家的指導(dǎo)下工作等。手術(shù)后果預(yù)測(cè)及改善殘疾人生恬狀況,乃至新型藥物的研制等方面,VR技術(shù)都有十分重要的意義。

    在醫(yī)學(xué)院校,學(xué)生可在虛擬實(shí)驗(yàn)室中,進(jìn)行“尸體”解剖和各種手術(shù)練習(xí)。用這項(xiàng)技術(shù),由于不受標(biāo)本、場(chǎng)地等的限制,所以培訓(xùn)費(fèi)用大大降低。一些用于醫(yī)學(xué)培訓(xùn)、實(shí)習(xí)和研究的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng),仿真程度非常高,其優(yōu)越性和效果是不可估量和不可比擬的。例如,導(dǎo)管插入動(dòng)脈的模擬器,可以使學(xué)生反復(fù)實(shí)踐導(dǎo)管插入動(dòng)脈時(shí)的操作;眼睛手術(shù)模擬器,根據(jù)人眼的前眼結(jié)構(gòu)創(chuàng)造出三維立體圖像,并帶有實(shí)時(shí)的觸覺(jué)反饋,學(xué)生利用它可以觀察模擬移去晶狀體的全過(guò)程,并觀察到眼睛前部結(jié)構(gòu)的血管、虹膜和鞏膜組織及角膜的透明度等。還有麻醉虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、口腔手術(shù)模擬器等。

    外科醫(yī)生在真正動(dòng)手術(shù)之前,通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的幫助,能在顯示器上重復(fù)地模擬手術(shù),移動(dòng)人體內(nèi)的器官,尋找最佳手術(shù)方案并提高熟練度。在遠(yuǎn)距離遙控外科手術(shù),復(fù)雜手術(shù)的計(jì)劃安排,手術(shù)過(guò)程的信息指導(dǎo),手術(shù)后果預(yù)測(cè)及改善殘疾人生活狀況,乃至新藥研制等方面,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)都能發(fā)揮十分重要的作用。

    虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室主要針對(duì)部分真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)功能,以及涉及高危或極端的環(huán)境、不可及或不可逆的操作,高成本、高消耗、大型或綜合訓(xùn)練等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí),按照“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛”的原則提供可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象。學(xué)生在虛擬環(huán)境中開(kāi)展實(shí)驗(yàn),可達(dá)到理想的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

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