虚拟现实技术在生物医学领域的应用

虚拟现实技术在生物医学领域的应用

陆想想1（SX1203225）

（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：虚拟现实是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统，综合集成了计算机图形技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术。本文简要介绍虚拟人体、虚拟手术、虚拟实验室以及虚拟现实技术在神经心理学与核医学方面的应用。随着计算机技术的进一步发展，可以预期，在未来几年虚拟现实技术将会成为数字医学最主要的应用工具之一。

关键词：虚拟现实；生物医学；数字人；虚拟手术；

Application of Virtual Reality Technique in Biomedical Field

Lu Xiangxiang1

(1. Department of biomedical engineering，Nanjing University of Aeronautics ＆Astronautics，Nanjing，210016，China) Abstract：Virtual reality is a high-tech simulation system, comprehensive integration of computer graphics technology,computer simulation technology, artificial intelligence, sensor technology, display technology, and network parallel processingtechnologies. This paper is to briefly introduce simulated human body, operation, laboratory and virtual reality technology applied inneuropsychology and nuclear medicine.In the future, with the further development of computertechnology, virtual reality technology will become the most important application of digital medical tools.

Key words：Virtual Reality, biomedical , digital human, virtual surgery;

引言

虚拟现实也称灵境技术或人工环境，它是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统，综合集成了计算机图形技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术[1]。

虚拟现实旨在利用计算机生成关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟的人为虚拟的环境，让使用者有如身历其境一般，并能与之“交互”。它最早源于美国军方的作战模拟系统，20

世纪90年代初逐渐为各界所关注并在各领域得到进一步的发展[2]。

近年来，随着虚拟现实技术研究的发展与深入，其应用也在逐渐扩大，在城市规划、能源勘测、工业仿真、古迹复原、建筑虚拟、交通桥梁、港口物流、旅游仿真、虚拟课堂、园林应用、军事仿真等方面都有广泛的应用。在生物医学领域，虚拟人、虚拟手术等方面的研究也十分活跃[3-5]。

本文对虚拟现实技术在生物医学领域的应用做一概括性介绍。

一、虚拟现实简介

虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)是近年来出现的高新技术。虚拟现实是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，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。概括地说，虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式，与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比，虚拟现实在技术思想上有了质的飞跃。

虚拟现实系统分为桌面级的虚拟现实系统、沉浸式的虚拟现实系统、增强现实性的虚拟

现实系统及分布式虚拟现实系统。根据目前虚拟现实系统的发展状况，虚拟现实系统主要由4部分组成[6]，见图1。

图1 虚拟现实系统的组成

二、虚拟现实技术在生物医学领域的应用

2.1 数字人

数字人是生命科学与信息科学的结合的一个新的研究领域，即通过信息技术、计算机技术，将人体结构数字化，经过三维重建和虚拟现实技术的处理，得到可以看的见的、能够调控的虚拟仿真人体模型。美国科学家联盟于2001年将人类基因组计划、可视人计划、虚拟人计划、人类脑计划概括综合为“数字人计划”，FAS发起的数字人体联盟提出在约10年内，以10亿美元以上的投入，实现人体从DNA、蛋白质、细胞、组织、器官、系统以及整体生命过程的精确模拟。中国也于2001-11在北京召开的第174次“香山科学会议”，以“中国数字化虚拟人体的科技问题”为主题，并提出中国数字化虚拟人体研究的规划和建议。会后,解放军第一军医大学(现南方医科大学)和第三军医大学，先后于2002-08、2003-02以冷冻铣削方法完成了中国首例男、女数字化可视人体数据集的采集[7]。

数字人研究可概括的划分为4个阶段：数字化可视人、数字化物理人、数字化生理人、数字化智能人。目前，国际上的研究已经从物理人阶段步入了生理人阶段，而中国主要处于可视人这一基础研究阶段。2006年上海交通大学生命质量与机械工程研究所申报的“中国力学虚拟人”项目，是国家自然科学基金批准立项的重点项目。该项目先后与欧洲力学虚拟人、韩国力学虚拟人合作，组建成立了国际力学虚拟人平台，并首先启动了由中国、英国、瑞典和瑞士四国生物力学家参加的力学虚拟人足合作计划，由欧洲提供技术，在中国建立足部生物力学仿真试验台。此项目为期4年，预计2010年即可初步建立一个可为全球用户提供服务的力学虚拟人系统[8]。

2.2 虚拟手术系统

虚拟手术的概念最早提出于1989年，即利用计算机技术来模拟、指导医学手术所涉及的各种过程，在时间段上包括了术前、术中、术后；在实现目的上有手术计划制定，手术排练演习，手术教学，手术技能训练，术中引导手术、远程手术、术后康复等[9-10]。

2.2.1 医学诊断

传统医学诊断主要靠医生的学识和经验，但医生也有“吃不准”的时候，这就会导致误诊。虚拟手术系统将人体信息收集储存在电脑里利用虚拟内窥镜、虚拟活检等检查诊断措施，降低了检查的危险性和医疗成本。诊断前，医生也可先将药物影响数据输入计算机，系统即可协助医生做出判断，使医院诊断达到直观化、可视化、精确化的效果。

2.2.2 手术过程

以显微手术为例，利用虚拟手术系统做显微外科手术时，可将手术部位放大，医生即可