计算机图形学之虚拟现实在医疗领域中应用

计算机图形学 虚拟现实在医疗领域中的应用 什么是虚拟现实 虚拟现实技术：是指一种可以 创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统 它利用计算机生成一种模拟环境是一种 多源信息融合的交互式的三维动态视景 和实体行为的系统仿真使用户沉浸到该 环境中的一种技术。 基本简介：虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向是仿真技术与计算机图形学人机接口技术、多媒体技术、传感技术网络技术等多种技术的集合是一门富有挑战性的交叉技术前沿学科和研究领域。虚拟现实技术(VR)主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面。模拟环境是由计算机生成的实时动态的三维立体逼真图像。感知是指理想的VR应该具有一切人所具有的感知。除计算机图形技术所生成的视觉感知外，还有听觉、触觉、力觉、运动等感知，甚至还包括嗅觉和味觉等，也称为多感知。自然技能是指人的头部转动，眼睛、手势、或其他人体行为动作，由计算机来处理与参与者的动作相适应的数据，并对用户的输入作出实时响应，并分别反馈到用户的五官。传感设备是指三维交互设备。 虚拟现实技术的应用：随着近些年来VR技术的愈发成熟，目前在很多方面上都有广泛的应用。比如娱乐方面的3D电影行业和网络游戏、工业上的工业和汽车仿真、能源上的油田矿井和水利电力、军事航空上的模拟训练和卫星发射，以及旅游和医学等各方面的应用。 医疗领域虚拟现实技术的应用：VR在医学方面的应用具有十分重要的现实意义。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。手术后果预测及改善残疾人生活状况，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。 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。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。 虚拟现实在医学上的应用大致上有两类。一是虚拟人体，也就是数字化人体，这样的人体模型医生更容易了解人体的构造和功能。另一是虚拟手术系统，可用于指导手术的进行。虚拟人体就是利用虚拟现实技术建造人体模型。在做这种项目的时候并不像想象中的那么简单，首先必须详细了解人体结构，这就需要十分深入的知识，或者全面的知识科普。其次，运用虚拟现实技术建造虚拟人体的时候，必须要注意层次结构，不能仅仅是技术或者软件的简单操作，而应该结合人体结构知识进行。 虚拟人体的与现实人体相比，其优点也是显而易见的。第一，从操作角度来说，虚拟人体虽然只是一个模型，但是因为其核心技术是虚拟现实，也能实现互动——比如选择性观察、内部解剖等。第二，普通的人体模型需要大量的人力物力进行保存管理，而且保存的时间不长，但是虚拟人体完全没有这方面的忧虑，这也是虚拟模型的突出优势。通过这两个方面的结合，可以看出，虚拟人体可以让医生更方便的学习和了解人体的构造以及功能。如果非要找出它有所欠缺之处，大概就是在实体感官上了。还是会有很多人固执地纠结“虚拟人体不能带来百分百的真实感，这样会使得学习过程中感觉失真，感受不深”等问题。这种问题的看法见仁见智，但是事实却是：虚拟人体的使用越来越广泛了。 另一种是虚拟手术系统，这也是三维互动系统的内容，也是医学领域教育培训的平台之一。 虚拟手术系统是通过三维互动系统呈现手术的过程。但是因为是三维互动，所以并不会只是简单的操作现实，而是可以进行“互动”——让学习者可以进行虚拟操作，并根据系统程序显示“手术结果”。这样既能达到