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虚拟现实技术、仿真与医学的关系

虚拟现实技术、仿真与医学的关系
虚拟现实技术、仿真与医学的关系

虚拟现实技术在医学中的应用及进展

关键词:虚拟现实技术医学

随着计算机技术的飞速发展,正逐渐显示其强大的生命力。目前,它与多媒体、网络技术并成为三大前景最好的计算机技术,在越来越多的领域得到广泛的应用。

一、简述虚拟现实技术

1.虚拟现实技术的科学含义

虚拟现实(virtual reality,VR)技术是由计算机生成的一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统。它通过视、听、触觉等作用于使用者,使之产生身临其境的交互视景的仿真。它综合了计算机图形、图像处理与模式识别,智能技术、传感技术、语言处理与音响技术、网络技术等多门科学,是现代仿真技术的进一步发展和应用。使用者借助必要的设备自然地与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响,产生身临其境的感觉和体验,使人机交互更加自然和谐。

2. 虚拟现实技术的特点

多感知性(multi sensory)、沉浸感(immersion)、交互性(interactivity)、构想性(imagination)。这

些特征使操作者能够进入一个由计算机生成的交互式三维虚拟环境中,与之产生互动,进行交流。通过参与者与仿真环境的相互作用,并借助人本身对所接触事物的感知和认知能力,启发参与者的思维,全方位获取环境所蕴含的各种空间信息和逻辑信息。

3.虚拟现实技术的构成

一般的VR系统主要由专业图形处理计算机、应用软件系统、输入设备和演示设备等组成,即人们可以通过视觉、听觉、触觉等信息通道感受到设计者思想的高级用户界面。

硬件平台:由于虚拟世界本身的复杂性及计算实时性的要求,产生虚拟环境所需的计算量极为巨大,这对中心计算机的配置提出了极高的要求。目前,国外的VR系统一般配有SGI或SUN工作站[1],大型的VR系统,采用的是计算机并行处理系统。当前的研究趋于桌面虚拟现实系统,它价格较低、易于实现同时又能满足VR的部分特征要求,因而将会得到更为广泛的应用。

软件系统:软件系统是实现VR技术应用的关键。VR技术在国外的应用比国内早,目前具有代表性的桌面VR技术有:Web3D中的X3D、VRML、Java 3D、Cult3D Viewpoint、Atmosphere,以及应用于服务器上的Superscape VRT、EAI Sense 8 World ToolKit、MPI Vega等,它们为VR技术在虚拟医学系统中应用提供了工具。

二、虚拟现实技术在医学发展中研究状况

1、发展

1965年,Sutherland在篇名为<<终极的显示>>的论文中首次提出了包括具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想,从此,人们正式开始了对虚拟现实系统的研究探索历程。而生命活动又是全世界人命关注的重点,每一种新技术的发现基本上都会应用到医学,所以虚拟现实技术自然而然就应到医学的研究中。

早在1985年,美国国立医学图书馆就开始人体解剖图像数字化的研究,并由美国科罗拉多州立医学院将一具男性尸体和女性尸体分别做了1mm和0.33mm间距的CT和MR扫描,所得图像数据经压缩后,建立了“可视人”并于1995年出版发型了CD盘片。学生可以在计算机屏幕上对“可视人”进行冠状面和矢状面而对解剖,并可把

局部的图像进行缩放。这一举措对解剖学的教学来说有着非同一般的意义。德国汉堡大学医用数学和计算机研究所进行的解剖三维可视化研究虚拟人体图谱,受试者的CT和MRT横截面映像或者组织学切片起空间模型。学生则可以自由地在三维人体空间进行各种操作。北卡罗来纳大学在1992年就开始进行超声图像与虚拟现实相结合的研究,把实时的超声扫描图像经信号变换传输到医生所戴的头盔显示器的,医生依赖于头盔的“看穿”能力。能看到超声图像映迭到病人身体上。1995年,在Internet上出现了“虚拟青蛙解剖”。“实验者”在网络上相互交流,发表自己的见解,甚至可以在屏幕上亲自动手进行解剖,用虚拟手术刀一层一层的分离青蛙,观察它的肌肉和骨骼组织。

随着计算机技术的迅速发展,虚拟现实技术现在已经比较成熟的应用与医学之中。

2、应用

虚拟现实在医疗领域的应用主要有:虚拟手术,数字医院,医学模拟演示,实训模拟演示,实训教学演示,医院虚拟仿真系统,虚拟医学仿真,虚拟现实技术在医学手术仿真训练等。使用计算机技术(主要是计算机图形学与虚拟现实)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,在实现的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、术后康复等。

生物医学仿真应用

总括

在医学教育中广泛合理地运用实验教学手段,特别是实施仿真实践教学,对学生巩固医学基础理论、掌握基本操作技能、提高独立操作能力及分析问题和解决问题的能力至关重要.医疗手术虚拟培训系统是最受欢迎的一种学习培训方式。数虎图像是利用各种医学影像数据和虚拟现实技术在计算机中建立一个模拟环境,医生借助虚拟环境中的信息进行手术计划、训练,以及在实际手术过程中引导手术的新兴学科。其目的是:

使用计算机技术(主要是计算机图形学与虚拟现实)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;在实现的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、术后康复等。

(一)虚拟现实技术在医学教学中的运用

1、辅助病情判断

可以在虚拟人体模型上开展各种无法在真人身上进行的诊断与治疗研究,使诊断和治疗个性化,最终能够预

测人体对新的治疗方法的响应。虚拟技术还能变定性为定量,使医院诊断治疗达到直观化、可视化、精确化的

效果。例如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

系统将所有人体信息收集储存在电脑里,诊断前医生先将药物影响数据输入电脑,系统协助医生作出判断。

2、协助建立手术方案

能够利用图像技术,帮助医生合理、定量的定制手术方案,能够辅助选择最佳手术途径、减少手术损伤、减

少对组织损害、提高病灶定位精度,以便执行复杂外科手术和提高手术成功率等。虚拟手术系统可以预演手术

的整个过程以便事先发现手术中可能出现的问题,使医生能够依靠术前获得的医学影像信息,建立三维模型,

在计算机建立的虚拟环境中设计手术过程、切口部位、角度,提高手术的成功率。

3、手术训练教学

它的原理就是:

使用计算机技术(主要是计算机图形与虚拟现实系统)来模拟和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;旨在实现手术教学、手术计划制定、手术排练演习、手术技能训练、术后康复等模拟应用。

其实VR技术在医学中的应用是非常有前景的,学员在进行手术学学习的之前,可以通过VR制作的模拟手术系统进行预习,这样,在进行实际操作的时侯,有的放矢,教学效果相比预习文字描述的步骤要深刻的多,将大大减少失误造成的实验动物和标本的浪费。

比如,在学习诊断学时,心脏的心音听诊是个难点,这时可以让学员通过VR系统,在虚拟的病人身上,直接看到心脏内部的结构,将心音的录音,与心脏实际的工作过程相关联,使学员可以以三维的方式,从各个角度,观看心瓣膜工作状态与心音产生的关系,这种学习的直观程度,即使在真实病人的身上,配合彩色超声也很难达。

临床上,80%的手术失误是人为因素引起的,所以手术训练极其重要。医生可在虚拟手术系统上观察专家手术过程,也可重复练习。虚拟手术使得手术培训的时间大为缩短,同时减少了对昂贵的实验对象的需求。由于虚拟手术系统可为操作者提供一个极具真实感和沉浸感的训练环境,力反馈绘制算法能够制造很好的临场感,所以训练过程与真实情况几乎一致,尤其是能够获得在实际手术中的手感。计算机还能够给出一次手术练习的评价。在虚拟环境中进行手术,不会发生严重的意外,能够提高医生的协作能力外科医生在真正动手术之前,通过虚拟现实技术的帮助,能在显示器上重复地模拟手术,移动人体内的器官,寻找最佳手术方案并提高熟练度。另外,在远距离遥控外科手术,复杂手术的计划安排,手术过程的信息指导,手术后果预测及改善残疾人生活状况,乃至新药研制等方面,虚拟现实技术都能发挥十分重要的作用。

4、保护医生和降低培训费用

数虎图像虚拟手术系统既可用于教学,也可让一般大夫进行模拟手术练习。其内容十分简单,很像一张普通

游戏光盘,放入计算机内即可在屏幕上显示出一个虚拟的手术室及手术的详细过程,学生或一般大夫可在虚拟

手术中反复训练高难度的操作方法,直至达到完美无缺为止。

在虚拟环境中,可以建立虚拟的人体模型,借助于跟踪球、HMD、感觉手套,学生可以很容易了解人体内部各器官结构,这比现有的采用教科书的方式要有效得多。Pieper及Satara等研究者在90年代初基于两个SGI

工作站建立了一个虚拟外科手术训练器,用于腿部及腹部外科手术模拟。这个虚拟的环境包括虚拟的手术台与手术灯,虚拟的外科工具(如手术刀、注射器、手术钳等),虚拟的人体模型与器官等。借助于HMD及感觉手套,使用者可以对虚拟的人体模型进行手术。但该系统有待进一步改进,如需提高环境的真实感,增加网络功能,使其能同时培训多个使用者,或可在外地专家的指导下工作等。另外,在远距离遥控外科手术,复杂手术的计划安排,手术过程的信息指导,手术后果预测及改善残疾人生恬状况,乃至新型药物的研制等方面,VR技术都有十分重要的意义。

在医学院校,学生可在虚拟实验室中,进行“尸体”解剖和各种手术练习。用这项技术,由于不受标本、场地等的限制,所以培训费用大大降低。一些用于医学培训、实习和研究的虚拟现实系统,仿真程度非常高,其优越性和效果是不可估量和不可比拟的。例如,导管插入动脉的模拟器,可以使学生反复实践导管插入动脉时的操作;眼睛手术模拟器,根据人眼的前眼结构创造出三维立体图像,并带有实时的触觉反馈,学生利用它可以观察模拟移去晶状体的全过程,并观察到眼睛前部结构的血管、虹膜和巩膜组织及角膜的透明度等。还有麻醉虚拟现实系统、口腔手术模拟器等。

(二)虚拟现实技术在药物研究中的应用

美国北卡罗来纳大学研制的Grope应用VR技术进行复杂分子合成实验,研究人员在VR境界中控制药物分

子模型,通过所模拟分子的分子力反馈测试出把该药物分子安放在其他分子的结合基上的最佳方向,即所谓的“分子入位”。利用计算机生成的分子模型,把所有相关类型的药物连接在一起,并将其锁定在病原体上,从而解

除病原体的致病能力。药物设计师戴上三维实体眼镜,在屏幕上观察分子结构的立体图像,使分子间能相互结合,研究人员正在用这种方法研制抗癌药的合成。

(三)虚拟现实技术在康复医学中的应用

虚拟现实技术已经被广泛应用于康复治疗的各个方面: 在注意力缺陷、空间感知障碍、记忆障碍等认知康

等领域都取得了很好的康复疗效[1]。空间感知障碍和运动功能受损患者的康复训练是康复医疗的重要内容之一。运动障碍是以运动异常为特征的各种障碍, 包括运动不能( 运动发动困难)、震颤、舞蹈症、扭转痉挛、斜颈、张力障碍、颤搐、抽动和肌阵挛等症状, 本文所论述的运动障碍包括所有运动性、观念性、观念- 运动性和记忆缺失性的, 有目标的空间运动能力的丧失。

三、虚拟现实技术面临的挑战

相关研究目前还处于初级阶段,而且这种方法目前尚有一些不足,主要体现在缺乏相关治疗和评估标准、系

统的交互性现实还不是很好、较好的虚拟现实系统外围设备还较贵,致使大规模使用还不行。

(四)虚拟现实技术在医学发展中的意义

(一)虚拟现实技术在医学教育中应用的好处:

1)在这种模式下,课堂教学不在局限于有形的教室中,教学活动的空间和时间得到了无形扩展。“虚拟课堂”的实现为学生提供了可移动的电子教学场所,从而改善了教员和学员的互动关系,更好的加深了学员对所学知识内容的认知和理解。

2)通过虚拟仿真三维软件技术建立的人体结构模型,可以使学生通过人机交互对人体模型进行浏览,在模型内部“漫游”让学生非常直观轻松的学习人体解剖结构。不仅调动了学生的学习兴趣,而且将抽象的内容具体化、形象化,给学生留下深刻的记忆,也给教员提供了方便,且大大提高了教学质量。

3)虚拟现实技术为教员、学生提供了一个无危险性、成本低的方式,以及与真实世界交互。学员操作模型元素,能改变模型的不同方位直观的学习。如在学习人体组肢结构时通过虚拟现实系统将学生直接带到人体内部了解人身体内部复杂的神经、血管各个组肢器官结构;在学习生物知识时,利用虚拟现实技术,向学生展示细胞分裂增值等复杂的生命活动,学习中计算机虚拟仿真技术与细胞结构结合。展示细胞的空间三维性,有机配合高倍显微镜的拍摄图像,较完美的表现细胞的生长增值过程。

(二)虚拟现实技术在医学治疗康复中应用的好处:

虚拟现实技术可以提供多种治疗场景和刺激,患者在安全的环境中进行康复治疗; VR系统可以根据患者的

实际情况进行治疗过程设计,而且同样的场景和任务可以重复进行;系统可以迅速得到治疗效果的反馈信息,通

过多种模式的传感设备得到患者治疗时的状态和效果,并对数据进行存储,对医生掌握患者的病情有一定作用;

虚拟现实疗法还有利于开展远程治疗,大大方便了患者,增加了受益的范围;虚拟现实疗法还可以减少患者的治

疗费用。尽管虚拟现实治疗法在某些方面取得了令人惊奇的成果,我们可以看到,在不久的将来,虚拟现实治疗

法会作为一种新兴的治疗手段出现在我们生活中。

(五)虚拟现实技术在医学应用中的展望

虚拟现实技术研究内容涉及到人工智能、计算机图形学、智能控制、心理学等,是许多相关学科领域交叉、集成的产物。我们必须清醒的认识到,虽然这个领域的技术潜力是巨大的,应用前景也是很广阔的,但虚拟现

实技术还处在初级阶段,任然存在尚未解决的理论问题和尚未客服的技术障碍,这些都构成了目前的研究方向。例如:在外科手术中,止血钳、止血夹等等手术器械在具体操作过程中,其性能、效用及与组织器官作用时的

表现都是有区别的,这就要求虚拟切割时,虚拟器械应该多种多样,这就给角膜提出了更高更新的要求,不过

随着科学技术的发展,我们应该克服这些困难,是虚拟现实技术在医学领域中发挥更大的贡献。

参考文献

3.《浅谈医学教育中细腻显示技术的应用发展》(山东济宁272013)

中国高等医学教育-2010年5期张晗、李雪梅、吕青

4.虚拟现实技术在医学手术中的应用《机械设计与制造》2011年第1期

作者:张冬芹阿地力·莫明王玲祁文军

5.虚拟现实技术在医学教育中的研究运用《齐齐哈尔医学院学报》2011年第14期

作者:刘旭张鸿雁

6.虚拟现实技术在医学教育中的运用《医学教育探索》2010年第12期

作者:周建军

7.虚拟现实技术在高职高专医学实践中的作用《重庆医学》2010年第18期作者:王易振彭坤张静文罗晶

虚拟现实技术在医学中的应用

虚拟现实在医学中的应用 摘要: 虚拟现实(virtual reality VR, ) 是近年来发展起来的一项新的技术,它已经被广泛地应用于许多领域, 特别是在医学领域。本文介绍了虚拟现实技术在疾病的诊断、康复以及医学教育与培训方面的应用, 并展望了虚拟现实技术在医学中的应用前景。 关键词: 虚拟现实医学应用 引言 虚拟现实作为一门真正具有多媒体交互共享模式的新兴技术, 以其独特的优势, 在各个领域的应用越来越广。特别是LED和CRE显示器技术、高速图形技术、多媒体技术及示踪技术的发展, 虚拟现实技术在医学领域的应用不断扩大, 对传统的医学诊断、治疗和医学科研、教育产生了深远的影响。 1 技术特点 虚拟现实系统是利用计算机以及专用硬件和软件去仿真各种现实境界, 通 过计算机和信息技术构造虚拟自然环境, 将用户和计算机结合成一个整体。用户置身于模仿真实世界而创建的三维电子环境中, 通过各种技术模拟直接进入到虚拟环境去接受和影响环境中各种感觉剌激, 与虚拟环境的人及事物进行行为和思想的交流。用户可以利用人类本能的方式与计算机信息交流, 人的语言、眼神、手势都可以为计算机所识别, 而人则可以用听觉、视觉、触觉来感受计算机信息, 就如同人们在现实环境中人与人交流一样的感受和交互对话, 达到与计算机进行直观、自然的交互。 虚拟现实系统是相当逼真的三维视听、触摸和感觉的虚拟空间环境, 虚拟三维可以随需要而变换, 交替更迭。用户不再是被动性地观看, 而是融合在其中,交互性地体验和感受虚拟现实世界中广泛的三维多媒体内容。可分为: 桌面型、投入型、增强现实型、临境型、逆向型和分布式虚拟现实系统等。桌面虚拟现实系统是利用个人计算机或工作站进行仿真。它以计算机屏幕作为观察虚拟境界的一个窗口, 成本较低, 但投入性差。投入系统是通过各种硬件和软件, 把周围的现实环境屏蔽掉, 完全被虚拟境界包围。虚拟现实技术具有多感知性、投入性、实时交互性和自主性等特征。多感知性是除了一般计算机技术所具有的视觉感知外, 还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知。随着传感器技术的发展, 还有味觉感知、嗅觉感知, 甚至具有人的一切感知功能。投入性(临场感) 是指用户感到作为主角在虚拟环境中的真实程度。实时交互性指用户与虚拟环境中的各种对象相互作用的能力, 对虚拟物体的可操作程度和得到反馈的自然程度, 用手去抓虚拟物体时, 有硬度、重量和拿动的感觉。自主性指虚拟物体依据物理定律按力的方向动作的程度。根据虚拟实现技术的特征, 可通过其存在感P、交互性I 和自主性A 来评价系统的性能, P、I 和A 的值越大, 系统的性能越好。 2 虚拟现实技术的应用 虚拟现实技术具有极其重要的应用前景 ,其中医学领域作为虚拟现实技术 最大吸引力的应用领域之一,目前已广泛地应用在虚拟人体、医学教育、虚拟外科手术、远程医疗等领域。 2.1 虚拟人体 1985 年,美国国立图书馆就开展了人体解剖图像的数字化研究,他们利用 CT 和 MR 扫描及三维图像重建技术,分别建立了一具可视化男人和一具可视化女人。德国汉堡大学则用 CT 和 MR 横截面影像或组织学切片建立起空间模型 ,

医疗领域人工智能的应用

医疗领域人工智能的应用 周素珍,杨会宝,马式雷 (山东中医药大学理工学院) 摘要:人工智能是计算机科学中涉及研究、设计和应用智能机器的一个重要分支。尤其在医疗卫生领域,人工智能更具有广阔的应用前景和较高的实用价值。本文简述了人工智能的起源与发展,回顾近年来人工智能在医疗领域的应用,重点介绍了人工智能在神经网络中的应用,并进一步展望了人工智能在医疗领域的应用前景。 关键词:人工智能;医疗;专家系统;神经网络;前景 1 引言 人工智能(Artificial Intelligence AI)是当前科学技术发展中的一门前沿科学,它是由Mc-Carthy等在1956年发起的关于机器模拟智能的学术讨论会上提出的[1]。自此,人工智能广泛应用于医学领域,在临床医疗诊断、神经网络技术、中医学、专家系统以及医学影像诊断中均得到应用。随着科学技术的发展,人工智能技术在医疗诊断中的应用将越来越广泛,越来越重要。 2人工智能在医疗领域的应用回顾 2.1 人工智能发展简史[2] 上世纪三四十年代,Wiener、弗雷治、罗素的数理逻辑,和Church、图灵的数字功用以及计算机处理促使了1956年夏的AI学科诞生。 20世纪60年代以来,生物模仿用来建立功能强大的算法。这方面有进化计算,包括遗传算法、进化策略和进化规划(1962年)。 1992年Bezdek提出计算智能。他和Marks(1993年)指出计算智

能取决于制造者提供的数值数据,含有模式识别部分,不依赖于知识;计算智能是认知层次的低层。今天,计算智能涉及神经网络、模糊逻辑、进化计算和人工生命等领域,呈现多学科交叉与集成的趋势。 人工生命以进化计算为基础,研究自组织、自复制、自修复以及形成这些特征的混沌动力学、进化和环境适应,具体包括生命现象的仿生系统、人工建模与仿真、进化动力学、人工生命的计算理论、进化与学习综合系统以及人工生命的应用等。20世纪60年代,罗森布拉特研究感知机,Stahl建立细胞活动模型,Lindenmayer提出了生长发育中的细胞交互作用数学模型。这些模型支持细胞间的通信和差异。70年代以来,Conrad等研究人工仿生系统中的自适应、进化和群体动力学,提出不断完善的“人工世界”模型。80年代,人工神经网络再度兴起促进人工生命的发展。其主要研究方法有信息模型法和工作原理法。其研究途径分为工程技术途径和生物科学途径。 2.2 医疗领域人工智能的兴起和医疗专家系统的创建 专家系统在90年代兴起, 模拟人类专家解决领域问题,知识库的改进与归纳是其重点。医疗专家系统(Medical Expert System,MES)是人工智能技术应用在医疗诊断领域中的一个重要分支[3]。在功能上,它是一个在某个领域内具有专家水平解题能力的程序系统。医学诊断专家系统就是运用专家系统的设计原理与方法,模拟医学专家诊断疾病的思维过程,它可以帮助医生解决复杂的医学问题,可以作为医生诊断的辅助工具,可以继承和发扬医学专家的宝贵理论及丰富的临床经验。第一个人工智能的医疗专家系统早在50年代就出现了,当时为了模拟病人的病症和疾病之间的关系,主要是医学领域的知识被融合到专家系统中。

虚拟现实技术、仿真与医学的关系

虚拟现实技术、仿真与医学的关系

虚拟现实技术在医学中的应用及进展 关键词:虚拟现实技术医学 随着计算机技术的飞速发展,正逐渐显示其强大的生命力。目前,它与多媒体、网络技术并成为三大前景最好的计算机技术,在越来越多的领域得到广泛的应用。 一、简述虚拟现实技术 1.虚拟现实技术的科学含义 虚拟现实(virtual reality,VR)技术是由计算机生成的一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统。它通过视、听、触觉等作用于使用者,使之产生身临其境的交互视景的仿真。它综合了计算机图形、图像处理与模式识别,智能技术、传感技术、语言处理与音响技术、网络技术等多门科学,是现代仿真技术的进一步发展和应用。使用者借助必要的设备自然地与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响,产生身临其境的感觉和体验,使人机交互更加自然和谐。 2. 虚拟现实技术的特点 多感知性(multi sensory)、沉浸感(immersion)、交互性(interactivity)、构想性(imagination)。这些特征使操作者能够进入一个由计算机生成的交互式三维虚拟环境中,与之产生互动,进行交流。通过参与者与仿真环境的相互作用,并借助人本身对所接触事物的感知和认知能力,启发参与者的思维,全方位获取环境所蕴含的各种空间信息和逻辑信息。 3.虚拟现实技术的构成 一般的VR系统主要由专业图形处理计算机、应用软件系统、输入设备和演示设备等组成,即人们可以通过视觉、听觉、触觉等信息通道感受到设计者思想的高级用户界面。 硬件平台:由于虚拟世界本身的复杂性及计算实时性的要求,产生虚拟环境所需的计算量极为巨大,这对中心计算机的配置提出了极高的要求。目前,国外的VR系统一般配有SGI或SUN工作站[1],大型的VR系统,采用的是计算机并行处理系统。当前的研究趋于桌面虚拟现实系统,它价格较低、易于实现同时又能满足VR的部分特征要求,因而将会得到更为广泛的应用。 软件系统:软件系统是实现VR技术应用的关键。VR技术在国外的应用比国内早,目前具有代表性的桌面VR技术有:Web3D中的X3D、VRML、Java 3D、Cult3D Viewpoint、Atmosphere,以及应用于服务器上的Superscape VRT、EAI Sense 8 World ToolKit、MPI Vega等,它们为VR技术在虚拟医学系统中应用提供了工具。 二、虚拟现实技术在医学发展中研究状况 1、发展 1965年,Sutherland在篇名为<<终极的显示>>的论文中首次提出了包括具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想,从此,人们正式开始了对虚拟现实系统的研究探索历程。而生命活动又是全世界人命关注的重点,每一种新技术的发现基本上都会应用到医学,所以虚拟现实技术自然而然就应到医学的研究中。 早在1985年,美国国立医学图书馆就开始人体解剖图像数字化的研究,并由美国科罗拉多州立医学院将一具男性尸体和女性尸体分别做了1mm和0.33mm间距的CT和MR扫描,所得图像数据经压缩后,建立了“可视人”并于1995年出版发型了CD盘片。学生可以在计算机屏幕上对“可视人”进行冠状面和矢状面而对解剖,并可把局部的图像进行

虚拟现实医疗应用白皮书

虚拟现实医疗应用白皮书

目录 一、发展现状 (1) (一)国内发展状况 (2) (二)国外发展状况 (8) 二、主要发展方向 (14) (一)虚拟现实+医学教育培训 (14) (二)虚拟现实+个性化健身 (17) (三)虚拟现实+心理障碍治疗 (20) (四)虚拟现实+医学护理 (22) (五)虚拟现实+康复训练 (25) (六)虚拟现实+视力障碍治疗 (27) (七)虚拟现实+临床辅助 (30) 三、科研进展 (33) (一)国外高校科研进展 (33) (二)国内高校科研进展 (34) 四、发展展望 (35) (一)虚拟现实医疗的细分领域将不断拓展 (35) (二)虚拟现实医疗的产业生态将日益丰富 (36) (三)虚拟现实医疗对专业队伍的需求将更加迫切 (37)

五、相关建议 (38) (一)建立健全虚拟现实医疗产业沟通协调长效机制 (38) (二)促进医学界产业界共建虚拟现实医疗产业生态 (38) (三)部署实施虚拟现实医疗产业试点示范应用项目 (38) (四)创新加强虚拟现实医疗产业人才队伍培养建设 (39) (五)吸引社会资金大力投向虚拟现实医疗产业发展 (39) 附录:研究对象与范畴 (40)

以虚拟现实为代表的新兴前沿技术正广泛应用于医疗行业,助力提高医疗资源供给能力、降低各种医疗保健复杂性和危险性、应对医疗健康服务需求增长。与此同时,随着医疗健康领域的发展,将产生更多的诊疗方案,进一步推进虚拟现实技术在各个医疗健康领域的应用,拓展虚拟现实的应用场景,催生新的模式业态,带来潜力巨大的市场。 一、发展现状 全球范围内,虚拟现实等信息技术应用所驱动医疗健康服务的数字化转型正在展开。在数字化医疗趋势的推动下,国内外医院正在逐渐使用虚拟现实技术进行培训和手术,虚拟现实医疗正获得更多医生和患者的认可与肯定。据IDC 数据,虚拟现实医疗应用市场规模正逐年扩大,预计2022 年将达到17 亿美元,2018 到2022 年的市场复合增长率预计为105.6%。 虚拟现实在医疗领域的应用涉及手术模拟、技能培训、手术辅助、心理治疗等多个领域。现有国内虚拟现实技术方案主要集中在医学教育领域,覆盖市场在60%以上。在临床方面,虚拟现实技术使用率较低,体验感还没有得到医生和医疗机构的普遍认可,属于科研拓展阶段,还未形成完善的商业闭环。

虚拟现实技术应用在医学手术仿真

虚拟现实技术应用在医学手术仿真 1.前言 目前,VR技术在医学领域中有着广泛的应用,如远程和本地手术、手术计划、医生教育和手术训练、恐惧症和其他心理疾病的治疗、病人康复和技能训练、减轻疼痛等等[1]。它也被用在大规模医学病历的可视化上,以及用在医疗设施的建筑规划上。某些应用在一些发达国家已取得了很大的进步,如在仿真内窥镜、模拟手术、医疗培训和智能决策系统研制等方面,无论是在理论研究还是实际应用方面都取得了相当的成果。在医学手术仿真人体解剖图谱,要求所显示的器官形状、位置、颜色、动态效果非常精确和逼真。这就对图形图像处理技术提出了更高的要求、要涉及到图像分割、图像配准、图像显示、图像形变等一系列技术。由于VR数据量很大,精度要求非常高,并且要动态显示,因此对计算机的速度和存储容量都有很高的要求。当今的计算机技术已经能够生产出功能强大的计算机,为虚拟现实的应用提供了硬件的条件。在VR系统中,为了修改虚拟环境的状态,需要使用各种激励器模拟产生人的各种感觉,再用传感器收集它们的反馈信息,这些信息反映了VR环境的变化。总之在医学仿真训练是虚拟现实技术应用的一个重要领域。 2.当前虚拟医学手术仿真训练的技术难点 随着计算机技术、传感器技术的飞速发展,虚拟医学手术仿真训练的研究在模型实时显示、器官组织纹理的制作、碰撞检测与定位和触觉传感等方面已经取得了一定的进展,并已有个别的成型系统研制成功,但当前虚拟医学手术仿真训练的研究还需解决如下技术难点:1.仿真的逼真性较低,主要原因是虚拟人体组织的精确解剖结构和实时显示算法仍有待改进;2.虚拟组织的各种行为模型的建立还不够完善和真实;3.多通道感觉的缺乏,目前研究大多集中于视觉虚拟,对其他感觉通道如听觉、触觉等较为缺乏,而在医学手术中力的反馈是非常重要的据的融合和复杂模型的LOD 模型优化等技术尚有待发展;4.由于西方人种与黄色人种在生理结构上有一定的差异,国外人体模型并不能完全适应我国的需要。因此,目前还没有适合于我国虚拟手术用的人体模型。

虚拟现实技术在医学中的应用

【综合】虚拟现实技术在医学中的应用 姜红,王利,张兆臣 (泰山医学院,山东泰安271016)E皿盈口互四卫匝丑匠曝中国医疗设备 [摘要】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应用与快速发展。本文介绍了虚拟现实技术在虚拟手术、远程医疗、康复训练、医学教育与培训等几个方面的应用,并对虚拟现实技术在医学中的应用前景进行了展望。 【关键词】虚拟现实;虚拟手术;远程医疗;康复训练;医学教育 【中图分类号】R319[文献标志码】B【文章编号]1674—1633(2008)08--0049-04 ApplicationofVirtualRealityTechnologyinMedicine JIANGHong,WANGLi,ZHANGZhao-chen (TaishanMedicalCollege,Tai’鲫Shandong271016,China) Abstract:VirtualRealitytechnology,thecrystalofthecross-hnkandanmlgamationofmanysubjects,hasbeenwidelyuseduptiⅡnowanddouble-quicklydevelopedinthevariousdomains.Inthem,theapphcafionanddevelopmentofVirtualRealitytechnologyinthemedicaldomainhasespeciallycometofront.nispaperdescribesthe印plicationsofvirtualrealitytechnologyinlotsoffields,such弱virtualsurgery,long-distancemedicaltreatment,rehabilitationandexercitation,educationandtraining,ere,andindicatestheprospectoftheappheafionofVirtualRealitytechnologyinthemedicaldomain. Keywords:virtualreality;virtualsurgery;tele-medicaltreatment;rehabfiitafion;medicaleducation 0前言 虚拟现实(VirtualReality,VR)是由计算机产生一个集视、听、嗅、触f11、力、运动觉等感觉于一体的沉浸交互式虚拟环境,操作者借助必要的交互、传感与跟踪、显示设备以人类自然的方式从任何角度与虚拟三维环境中的物体进行交互,产生身临该虚拟环境的感受与体验。该虚拟环境可以是对某一现实领域的模拟,也可以是对某一构想世界的仿真f2Ⅱ,1141。可以说,虚拟现实技术是计算机图形学、医学图像处理、可视化技术、软件工程、人机接口技术、传感与测量技术、仿真技术、模式识别、人工智能、分布实时处理技术、网络技术等多学科交叉融合的结晶。虚拟现实技术为人们探索宏观世界、微观世界以及出于种种原因不便于直接观察事物的运动变化规律,提供了极大的便利。迄今为止,已经在航天、军事、通信、医疗、教育、娱乐、建筑、制造业与商业等各个领域得到了广泛应用及快速发展。 1虚拟现实技术在医学中的应用 1.1虚拟手术 收稿日期:2007—12-11 虚拟手术(VirtualSurgery)系统是专门用来对手术全过程进行仿真的虚拟现实应用系统15I,主要包括虚拟建模、医学数据的可视化、人体组织器官的应力形变仿真、传感与反馈、高速图形显示与图像处理等几部分。其中,虚拟建模包 含虚拟环境(场景)的建模及虚拟人体组织、器官甚至血供 等的建模。医学数据的可视化是将CT、MRI及PET等得到 的二维断层数字影像经过图像处理转变为三维立体模型, 并可进行多视角显示,辅助医生对病灶及周围组织器官血 供等情况进行分析【51。输入设备在使用自由度和空间活动 范围上都应该尽量模拟真实的手术器械,能够实时捕捉操作者的动作并通过传感设备向计算机系统报告,计算机便 会检测虚拟手术器械与研究对象模型间的碰撞,并在符合 切割的条件下进行模型分裂,计算其形变,通过反馈装置将 组织器官血供等形变的反作用力实时力反馈给操作者以便 其实时掌握操作进度及进行下一步操作,与此同时,实时获 得组织器官血供等几何形状及物体性能的改变,进行真实 感的图形绘制并高速显示出来,为操作者提高视觉反馈Isl。这样,虚拟手术系统就在视觉、触觉、力觉等感官上为操作 者提供了手术场景的真实再现。 1.1.1机器人辅助手术系统机器人辅助手术(RobotAssis—tantSurgery,RAS)系统,通常被用于微创手术精确定位,同 49掰恐岩8期 万方数据

VR虚拟现实应用的几个领域

VR虚拟现实应用的几个领域 VR虚拟现实应用是利用计算机模拟产生的一个三维空间的虚拟世界,提供人们关于视觉、听觉等感官的模拟,让人们如同身临其境一般,没有限制地观察虚拟空间内的所有事物。虚拟现实是指用计算机设别所产生的一种特别的环境,人可以经过各种特别设备将自己所想的所用的“投射”到这个环境中,并操作、控制环境。 虚拟现实关键技术 1.声音 人能很好的判断声音的来源和方向,在水平的方向上,我们可以靠声音的相位差别及强度的差别来确定声音的方向,因为声音到达两只耳朵的时间或距离有所不同。常见的立体声效果就是靠左右耳听到在不同位置录制的不同声音来实现的,会有一种方向感。现实生活里,当头部转动时,听到的声音的方向就会改变。但目前在VR系统中,声音的方向与用户头部的运动无关。 2.显示 人在看周围的画面时,由于两只眼睛的位置不同,所看到的结果也是不一样的,这些画面都综合起来才形成了整体的景象。在VR系统中,双目立体视觉起了很大作用,用户的两只眼睛看到的不同图像是分别产生的,显示在不同的显示器上。在人造环境中,每个物体相对于系统的坐标系都有一个位置与姿态,而用户也是如此,用户看到的景象是由用户的位置和头(眼)的方向来确定的。 VR虚拟现实应用 1.旅游

VR旅游时代的到来,不仅刷新了传统枯燥的宣传模式,提升了游客出行的冲动,而且赋予了旅行革命性的感官体验,加深了游客对目的地的预期认知。JUSTBEHERE拥有全球最大旅游目的地全景视频资料库,覆盖30多个国家的700多段全景视频(持续增加中),''到此一游''为消费者提供真实、生动的观看体验,同时也为旅游目的地和各地旅游局提供全新的展示推广平台。 2.购物 运用VR技术,利用计算机图形系统和辅助传感器,生成可交互的三维购物环境。这将突破时间和空间的限制,真正实现虚拟购物的理念。让你身临其境的感受虚拟购物带来的便利与新鲜感。VR购物能够大大增加线上商品的真实感,让用户可以360°无死角的体验商品的特性,甚至通过虚拟技术能拥有实体店所没有的惊喜和体验,为用户提供VR购物选择的多样性。 3.医学 在虚拟的环境中,可以建立虚拟的人体和手术工具等设备。可以非常容易的了解人体的各个器官和结构,比现在所采用的教科书方便的多、有效的多。医生在做真正的手术之前,可以通过虚拟现实技术的帮助,可以再显示器上重复地去模拟手术,提高手术的熟练度。在远距离遥控外科手术,手术过程中的信息指导,手术后果预测及改善残疾人生活状况,乃至新药研制等方面,虚拟现实技术都能发挥十分重要的作用。 VR新技术越来越多地渗透到医疗中,欧美国家已经尝试过在VR领域和医疗技术创新性结合,在国内拥有着全球领先的VR技术团队的云舞科技也积极地布局相关领域发展。

VR技术之医疗行业的应用

VR技术之医疗行业的应用 2016年夏天,一个叫Pokemon Go的AR(增强现实)游戏火起来了,带着小时候的梦想,VR/AR行业再一次带领我们体验了一次疯狂。 VR虚拟现实的应用是十分广泛的,相信很多业内人士都非常清楚,VR虚拟现实技术除了在我们熟知的游戏、娱乐领域非常火爆,其实在医学领域也起着重要的作用。医疗市场研究公司Kalorama称,2017年美国VR全景医疗市场预计将会从2012年的5.25亿美元增长至9.76亿美元,同时该家医疗市场公司还预测,未来几年美国VR全景医疗市场的增长速度将大体保持一致。 在美国VR全景医疗市场中,VR主要应用于外科手术、痛感控制、医疗教育、专业培训等方面,当然除了在美国VR全景医疗市场,在其他国家VR全景医疗市场也主要应用与这些方面。 VR与矫形外科手术的结合使用是这个领域中的重大进展之一,StrykerMako系统就是一个非常不错的例子。StrykerMako系统可以在种植体植入手术中突出骨段的位置,并且生成虚拟模型。当外科医生在进行手术的时候,该系统可以确保手术范围不会偏离被突出的区域。在VR全景医疗市场中该系统

也起着很好的作用。StrykerMako系统在手术过程中实时更新虚拟模型,不仅提高了手术的准确性,还确保骨头不会被过度移动。 在VR全景医疗市场中,有很多公司也已经开始相继推出了医疗培训的VR 虚拟现实头盔,以及用于手术计划和练习的AR产品。医疗人员通过VR虚拟现实技术或者AR,把多个图像进行图像混合,生成患者独有的3D解剖模型,并且在VR虚拟现实头盔或者电脑中显示。 研究表明,通过VR虚拟现实场景可以有效的减轻患者痛苦。VR虚拟现实场景可以把患者的注意力从痛感中转移出来。这种方法主要应用于伤口清洁、针筒注射等医疗过程当中。 VR全景医疗市场如今也发生了非常大的变化,不仅美国VR全景医疗市场增长速度较快,其他一些国家VR全景医疗市场也在稳步增长,相信未来,VR 会在医疗领域发挥更大的作用,也会被应用与更多的医疗领域。 在众多领域纷纷瞄上了VR这块“香饽饽”后,VR开发人才紧缺问题逐渐暴露。为了解决此问题,千锋VR/AR/Unity游戏引擎开发课程具备一流讲师、尖端设备、主流技术,以雄厚教学资本为依托,以近半年跟踪调研市场需求

虚拟现实技术、仿真与医学的关系

虚拟现实技术在医学中的应用及进展 关键词:虚拟现实技术医学 随着计算机技术的飞速发展,正逐渐显示其强大的生命力。目前,它与多媒体、网络技术并成为三大前景最好的计算机技术,在越来越多的领域得到广泛的应用。 一、简述虚拟现实技术 1.虚拟现实技术的科学含义 虚拟现实(virtual reality,VR)技术是由计算机生成的一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统。它通过视、听、触觉等作用于使用者,使之产生身临其境的交互视景的仿真。它综合了计算机图形、图像处理与模式识别,智能技术、传感技术、语言处理与音响技术、网络技术等多门科学,是现代仿真技术的进一步发展和应用。使用者借助必要的设备自然地与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响,产生身临其境的感觉和体验,使人机交互更加自然和谐。 2. 虚拟现实技术的特点 多感知性(multi sensory)、沉浸感(immersion)、交互性(interactivity)、构想性(imagination)。这 些特征使操作者能够进入一个由计算机生成的交互式三维虚拟环境中,与之产生互动,进行交流。通过参与者与仿真环境的相互作用,并借助人本身对所接触事物的感知和认知能力,启发参与者的思维,全方位获取环境所蕴含的各种空间信息和逻辑信息。 3.虚拟现实技术的构成 一般的VR系统主要由专业图形处理计算机、应用软件系统、输入设备和演示设备等组成,即人们可以通过视觉、听觉、触觉等信息通道感受到设计者思想的高级用户界面。 硬件平台:由于虚拟世界本身的复杂性及计算实时性的要求,产生虚拟环境所需的计算量极为巨大,这对中心计算机的配置提出了极高的要求。目前,国外的VR系统一般配有SGI或SUN工作站[1],大型的VR系统,采用的是计算机并行处理系统。当前的研究趋于桌面虚拟现实系统,它价格较低、易于实现同时又能满足VR的部分特征要求,因而将会得到更为广泛的应用。 软件系统:软件系统是实现VR技术应用的关键。VR技术在国外的应用比国内早,目前具有代表性的桌面VR技术有:Web3D中的X3D、VRML、Java 3D、Cult3D Viewpoint、Atmosphere,以及应用于服务器上的Superscape VRT、EAI Sense 8 World ToolKit、MPI Vega等,它们为VR技术在虚拟医学系统中应用提供了工具。 二、虚拟现实技术在医学发展中研究状况 1、发展 1965年,Sutherland在篇名为<<终极的显示>>的论文中首次提出了包括具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想,从此,人们正式开始了对虚拟现实系统的研究探索历程。而生命活动又是全世界人命关注的重点,每一种新技术的发现基本上都会应用到医学,所以虚拟现实技术自然而然就应到医学的研究中。 早在1985年,美国国立医学图书馆就开始人体解剖图像数字化的研究,并由美国科罗拉多州立医学院将一具男性尸体和女性尸体分别做了1mm和0.33mm间距的CT和MR扫描,所得图像数据经压缩后,建立了“可视人”并于1995年出版发型了CD盘片。学生可以在计算机屏幕上对“可视人”进行冠状面和矢状面而对解剖,并可把

虚拟现实技术在医学领域地应用概述

研究生课程考试成绩单 (试卷封面) 院系学习科学中心专业学习科学学生姓名田水学号143369 课程名称虚拟现实技术课程编号S301108 授课时间2014~2015学年第1~18周周学时 2 学分 2 考核论题虚拟现实技术在医学领域的应用概述 简 要 评 语 总评成绩 (含平时成绩) 备注 任课教师签名: 日期: 注:1. 以论文或大作业为考核方式的课程必须填此表,综合考试可不填。“简要评语缺填无效。 2. 任课教师填写后与试卷一起送院系研究生教务员处。 3. 学位课总评成绩以百分制计分。

虚拟现实技术在医学领域应用概述 1.虚拟现实概念 从本质上说虚拟现实技术就是一种先进的计算机用户接口,它通过给用户同时提供诸如视、听、触等各种直观而又自然的实时感知交互手段,最大限度地方便用户的操作,从而减轻用户的负担、提高整个系统的工作效率。根据VR所应用的对象的不同,VR的作用可以表现为不同的形式,例如将某种概念设计或构思可视化和可操作化;实现逼真的遥现场效果;达到任意复杂环境下的廉价模拟训练目的等。 虚拟现实的定义可以归纳如下:虚拟现实是利用计算机生成一种模拟环境(如飞机驾驶舱、操作现场等),通过多种传感设备使用户“投入”到该环境中,实现用户与该环境直接进行自然交互的技术。这里所谓模拟环境就是用计算机生成的具有表面色彩的立体图形,它可以是某一特定现实世界的真实体现,也可以是纯粹构想的世界。传感设备包括立体头盔(Head Mounted Display)、数据手套(Data Glove)、数据衣(Data Sult)等穿戴于用户身上的装置和设置于现实环境中的传感装置(不直接戴在身上)。自然交互是指日常使用的方式对环境内的物体进行操作(如用手拿东西、行走等)并得到实时立体反馈。 虚拟现实技术具有以下四个重要特征: (1)多感知性(Multi-Sensory) 所谓多感知就是说除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外,还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知、甚至应该包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能。由于相关技术,特别是传感技术的限制,目前虚拟现实技术所具有的感知功能仅限于视觉、听觉、力觉、触觉、运动等几种,无论从感知范围还是从感知的精确程度都无法与人相比拟。 (2)存在感(Presnece) 又称为临场感(Immersion),它是指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该达到使用户难以分辨真假的程度(例如可视场景应随着视点的变化而变化),甚至比真的还“真”,如实现比现实更逼真的照明和音响效果等。 (3)交互性(InIteraetion)

VR技术在医疗中的应用

2018年10月 力企业应合理分配资金,促进两者的协调发展。比如,针对电力企业目前在软件方面投入不足的情况,可适当缩小硬件投入比例,加大软件投入比例,提高软硬件投资比例的合理性。同时,电力企业应加强与高校、科研机构的合作,开发适合电力企业实际情况的电力营销软件,并培养出更多的信息化人才。在智能电网和电力信息化建设过程中,人的作用是最关键的,通过加强与高校的合作,培养适合电力企业发展的复合型人才,才能够促进电力行业的快速发展。同时,要建立完善的激励机制,多对员工进行鼓励,将员工的学习热情和工作积极性充分调动起来,使电力营销信息化建设中的问题尽快得到解决。 4结束语 综上所述,智能电网视域下的电力营销信息化建设,需要电力企业在电力营销中引入服务营销理念,建立科学完善的电力营销管理体制,并合理分配资金加大智能电网建设力度,以促进智能电网建设与电力信息化建设的协调发展,提高电力营销效率,为电力企业更好更快的发展创造条件。 参考文献 [1]殷科.智能电网视域下的电力营销信息化建设[J].中国管理信息化, 2017(4):66. [2]张慧奔.智能电网背景下的电力营销信息化建设[J].商品与质量, 2016(5):302. [3]郭向东.面向智能电网的电力营销信息化建设[J].科学与财富,2015, (z1):559. [4]尹耕初,马凯.对于智能电网下电力网络营销模式研究[J].中国科技 投资,2017(25):97~98. [5]王晓毅.基于智能电网的电力营销智能化模式探析[J].科技创新与应用,2017(31):146,148. 收稿日期:2018-9-6 作者简介:文涛(1985-),男,汉族,湖北仙桃人,工程师,大学本科,主要从事信息运维管理工作。 VR技术在医疗中的应用 徐金馨(郑州外国语新枫杨学校) 【摘要】随着信息科学技术的发展,深度学习和VR等技术已经开始进入到人们的生活生产过程中,已经可以为人类的生产生活提供很多便利。经济的发展也促进了人们生活水平的提高,人们对身体健康变得越来越重视,如果将信息科技技术应用到医疗领域变得非常迫切。 从VR问世以来,VR+医疗这个模式被人们寄予厚望,VR技术的三个特性尤其是沉浸感可以很好的与医疗结合起来,未来将会医疗中一些实际问题。目前VR+医疗领域也在健壮的发展,国内外专业人员都在积极的研究,并且已经有不少产品和应用问世了。VR最大的优势就是具有更高的维度,与平常的教课和看视频相比,它具有三维感,使用VR设备的人可以身临其境,无论是声音还是距离,都非常真实。这样的感受,即使是顶尖的二维游戏画质也无法比拟的。VR的这个优势在很多领域(如教育、娱乐)都是独一无二的。因此我们在本文中试图通过结合深度学习的VR技术构建一套医疗辅助系统。 【关键词】虚拟现实;医疗;深度学习;三维重建;卷积神经网络 【中图分类号】R319【文献标识码】A【文章编号】1006-4222(2018)10-0222-02 1前言 虚拟现实(Virtual Reality,即VR),这个概念最早提出于20世纪80年代,其具体含义是借助计算机系统、图像显示以 及传感器等多种科学技术结合起来来进行人机交互的技术[1]。19世纪70年代左右人们已经开始想象发展虚拟现实的可 能,之后的十年出现了虚拟现实萌芽,美国拉尼尔最早提出了虚拟现实的概念,19世纪90年代到20世纪,VR技术的理论从初步形成到逐渐完善,历经了一个快速成型的阶段。VR技术因它的三个特性:沉浸感、真实感、交互性,大大加强了人类与计算机之间的信息交互能力,被广泛应用于各个领域,是极具发展前途的高新科技之一[2]。 深度学习目前已经在图像分类,图像识别,图像分割等领域取得了很多成就,极大地推动了自动驾驶,场景理解等领域的发展,被证明是一种非常有效的方案[3]。传统的三维重构仅仅是对环境进行重建,没有包括更多的语义信息,因此我们在三维重构的过程中会将环境的语义信息添加进来,语义信息主要是由深度学习来获得[4]。此外,我们还会通过基于深度学习的目标检测算法来对身体的病变部位进行检测以解决人眼对于疾病识别率比较低的问题。我们将会构建一个集合了深度学习的VR系统来应用到医疗领域中[5]。 2卷积神经网络 从VR提出到现在,VR已经被广泛应用于各个领域,但在医疗上VR还没有发挥出它应有的威力,还需要我们后来者多创新钻研。 卷积神经网络(convolutional network,CNN)是目前已经在图像分类,图像分割,目标检测等方面获得了极大的成功。CNN网络的主要优势在于,可以极大地降低网络中参数的数量和运算次数,经典的Lenet网络结构如图1所示。 从图1中可以看出CNN网络是一种层级网络,上一层的特征会传递到下一层中,在计算过程中前面几层没有采用全连接的方式,而是使用卷积进行计算,这种方式相对于全连接的方式可以极大地降低计算的复杂度同时可以降低运算的复杂度,卷积的过程如图2所示。 3基于VR的医疗辅助系统 基于第二章所讲述的部分,我们可以看出来深度学习对于医学图像处理会有很大的意义。然而,目前深度学习还没有在医疗领域发挥很大的作用,在将来大有作为。VR作为一种全新的技术,在娱乐领域已经开始大放异彩,可以让人在视觉,听觉等方面身临其境,带给人更加真实的感受,但是 VR 图1Lenet网络结构 论述222

虚拟现实技术、仿真与医学的关系

虚拟现实技术在医学中的使用及进展 关键词:虚拟现实技术医学 随着计算机技术的飞速发展,正逐渐显示其强大的生命力。目前,它和多媒体、网络技术并成为三大前景最好的计算机技术,在越来越多的领域得到广泛的使用。 一、简述虚拟现实技术 1.虚拟现实技术的科学含义 虚拟现实(virtual reality,VR)技术是由计算机生成的一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统。它通过视、听、触觉等作用于使用者,使之产生身临其境的交互视景的仿真。它综合了计算机图形、图像处理和模式识别,智能技术、传感技术、语言处理和音响技术、网络技术等多门科学,是现代仿真技术的进一步发展和使用。使用者借助必要的设备自然地和虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响,产生身临其境的感觉和体验,使人机交互更加自然和谐。 2. 虚拟现实技术的特点 多感知性(multi sensory)、沉浸感(immersion)、交互性(interactivity)、构想性(imagination)。这些特征使操作者能够进入一个由计算机生成的交互式三维虚拟环境中,和之产生互动,进行交流。通过参和者和仿真环境的相互作用,并借助人本身对所接触事物的感知和认知能力,启发参和者的思维,全方位获取环境所蕴含的各种空间信息和逻辑信息。 3.虚拟现实技术的构成 一般的VR系统主要由专业图形处理计算机、使用软件系统、输入设备和演示设备等组成,即人们可以通过视觉、听觉、触觉等信息通道感受到设计者思想的高级用户界面。 硬件平台:由于虚拟世界本身的复杂性及计算实时性的要求,产生虚拟环境所需的计算量极为巨大,这对中心计算机的配置提出了极高的要求。目前,国外的VR系统一般配有SGI或SUN工作站[1],大型的VR系统,采用的是计算机并行处理系统。当前的研究趋于桌面虚拟现实系统,它价格较低、易于实现同时又能满足VR的部分特征要求,因而将会得到更为广泛的使用。 软件系统:软件系统是实现VR技术使用的关键。VR技术在国外的使用比国内早,目前具有代表性的桌面VR技术有:Web3D中的X3D、VRML、Java 3D、Cult3D Viewpoint、Atmosphere,以及使用于服务器上的Superscape VRT、EAI Sense 8 World ToolKit、MPI Vega等,它们为VR技术在虚拟医学系统中使用提供了工具。 二、虚拟现实技术在医学发展中研究状况 1、发展 1965年,Sutherland在篇名为<<终极的显示>>的论文中首次提出了包括具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想,从此,人们正式开始了对虚拟现实系统的研究探索历程。而生命活动又是全世界人命关注的重点,每一种新技术的发现基本上都会使用到医学,所以虚拟现实技术自然而然就应到医学的研究中。 早在1985年,美国国立医学图书馆就开始人体解剖图像数字化的研究,并由美国科罗拉多州立医学院将一具男性尸体和女性尸体分别做了1mm和0.33mm间距的CT和MR扫描,所得图像数据经压缩后,建立了“可视人”并于1995年出版发型了CD盘片。学生可以在计算机屏幕上对“可视人”进行冠状面和矢状面而对解剖,并可把局部的图像进行缩放。这一举措对解剖学的教学来说有着非同一般的意义。德国汉堡大学医用数学和计算机研究

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

31420 医学虚拟现实技术研究

医学论文 医学虚拟现实技术研究 Abstract:Medical Virtual Reality Technology (Medical Virtual RealityTechnology),as an emerging discipline is now being gradually developed.It isa new multi-disciplinary field of cross-over study with aspects in medicine,biomechanics,mechanics,materials science,computer graphics,computer vision,robotics,and mathematical analysis.The medical virtual reality technology isprogressively becoming an essential part the medical field.It is an importantfield that will lead to the discovery of new medical technology. Keywords:data filtering;data conversion;VIVED;stereo image 1.虚拟视觉环境显示(Virtual Visual Environment Display-VIVED)

由美国宇航局约翰逊宇航中心(JSC)等部门,使用虚拟现实技术为人们提供了一个别出心裁的医学教育策略。它集成了所有囊括人类颅骨和心脏的虚拟现实技术,为人们提供了与其他多媒体(音频、视频等)的交互能力[1]。 2.虚拟手术(Virtual Surgery) 作为医学虚拟现实技术领域正在发展起来的一个研究方向,其目的是利用各种医学影像数据,采用虚拟现实技术,在计算机中建立一个摸拟环境,医生借助虚拟环境中信息进行手术计划制定,手术演练,手术教学,手术技能训练,术中引导手术,术后康复等工作,虚拟手术充分体现虚拟现实作为计算机图形学在医学治疗过程的作用。 图1 通过人体体验虚拟现实所需的步骤 3.硬件 一台由Silicon Graphics公司生产的Reality Engine 计算机,被用来打开计算轴向体层摄影术(CAT/CT)和磁共振成像切片,放入三维容积图像和可产生身体"飞行"观察效果的电影中。在具有16M内存的Macintosh IICX计算机上观看最终的3D图像。之所以先择Mac是因为它的性价比和音像都优于同类PC,另外它在北美各学校系统被广泛使用,可以说它是桌面多媒体的领跑者,并且有各种各样

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