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[AR/VR资料] 虚拟现实技术(VR)在医学教学中的应用

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发表于 2022-1-21 10:41:35 | 显示全部楼层 |阅读模式 来自 广东省深圳市
摘要:虚拟现实技术随着计算机硬件和计算机图形学的发展,应用越来越广泛。文中讨论了虚拟现实技术的优势及其在现代医学教学中的应用,介绍了实现医学虚拟训练系统的关键问题、医学虚拟现实技术的主要组成以及各项技术的应用情况。

1、引言
教育技术未来的发展趋势之一将会是虚拟现实技术,虚拟现实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,如:人体断面虚拟重椅、虚拟辅助诊断手术、虚拟手术模拟和虚拟远程医疗系统等方面。
医学模拟技术自始至终伴随着医学的发展,随着现代科技的进步和向医学教育领域的不断渗透,医学模拟技术逐渐衍化为由低到高的如下五种类型:基础解剖模型(Basic AnatomicModel);局部功能性训练模型(PTT,Partial Task Trainer)l计算机辅助模型(CBT,C0mpUte r Ba sedT raine r);虚拟培训系统(VRTS,Virtual Reality Training SystemX生理驱动型模拟系统(P D S,Physiology Driven Simulator)或全方位模拟系统(FES,Full EnvironmentSimulator)。医学虚拟现实技术作为发展起来的新兴学科目前正在逐步形成之中,它是集医学,生物力学,机械学,材料学j计算机图形学,计算机视觉,数学分析,机械力学机器人等多学科为一体的新型交叉研究领域。

2、虚拟人体构建技术
数字化可视人体,或称虚拟可视人体,是根据人体解剖学研究的全部数据综合构成的一系列数字化三维图像,而且可以虚拟地进行人体的一切生理活动。这种数字化可视人体可用于进行医学教学、模拟临床手术和放射治疗等,效果显著。可视人计划发端于10多年前的美国,该计划是世界上第一个获取人体数字图像信息的实验。所获取的数据集是数字解剖学的基础,它的研究引起了广泛的关注。目前国内正在开展建造具有东方人种特征的中国数字人。
建造人体模型的思想在中国可以回279一溯到千年以前或更久远。现代建造数字人的努力正在得到国家高技术研究发展计划的支持。其背景是,中国是世界上人口最多的国家,随着经济的发展,与人相关的科学技术将得到越来越多的重视。
人体结构的三维成像构造或数字化人体的概念是在医学领域提出来的。构建数字化人体的过程式是,先利用三维或高维内科成像将人体组织的事件储存为一个三维数据库,再利用计算机技术将人体或人体的组织构建成三维的图像。这样就可以在数字化的人体中进行对真正人体或人体的组织的回顾、性观察和分析,而且,这种操作通过现代的计算机网络系统可以远程进行。以某机构构建的人脑为例,先以人脑核磁图像为基础,利用虚拟现实建模语言对人体脑部结构进行三维重建,可以对感兴趣的脑结构的空间形状、空间位置有更加直观的了解,并可进行人机交互式的操作,从各个方向、各个角度对之进行交互式观察。原始数据来自MNI(蒙特利尔神经所),共有人脑核磁图像181层,层间距为一毫米。人工提取坐标点数据,共制作了人脑外部轮廓、脑室系统j苍白球、豆状核、丘脑、尾状核等结构的网格状模型和面状模型,图1所示的是虚拟人体器官。
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3、虚拟解剖训练
基于真实人体解剖的数字化虚拟人体研究结合医学科学与计算机技术构建一个像真人一样的计算机模型,在数字解剖、手术计划与培训和很多非医学领域有广泛应用价值。连续解剖切片图像的三维重建和显示,是一种重要的形态学研究方法。三维重建过程中,首先要对连续切片图像进行配准,为三维显示奠定基础。
以构建颅面部组织为例,先基于网络重建颅面部组织的三维图像,并进行虚拟解剖。用人头面部L垃ht—SpeedCT扫描的原始数据,经对原始图像传输,读取后,兴趣区选择,利用Java编制基于网络运行的三维重建软件对其进行重建和解剖虚拟。结果重建出的颅面部图像逼真,分层显示,能任意角度旋转,任意厚度多次切割和恢复。同时能三维显示切除的组织结构。实现了颅面部组织在Internet网上的重建和解剖虚拟,为计算机辅助解剖提供一条新的软件系统。

4、虚拟手术培司
虚拟手术(Virtual Surgery)作为这一领域正在发展起来的研究方向,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模拟环境,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。
虚拟手术仿真器是虚拟现实技术在医学上的一个重要应用,如图2。虚拟外科手术仿真器的研究发展很快,虚拟人体器官组织物理模型的构造技术是需求之一,研究它可以为下一步开展虚拟手术仿真器的研制工作打下研究基础。以生物软组织仿真器为例,虚拟手术中对生物体软组织变形仿真的研究一般采用线弹性物理模型。然而,生物软组织本身呈粘弹性的物理特性。通过对软组织生物力学特性的分析,将粘弹性模型应用于手术仿真中软组织变形的研究。在尽量减小算法复杂度的前提下,推导粘弹性模型的计算公式,可以较好地仿真在外力作用下软组织的变形。同时,快速精确的碰撞检测是保证手术仿真真实性的重要条件,手术仿真的实时性和复杂性对碰撞检测提出了更高的要求。应用最广的是基于固定方向凸包包围盒层次的碰撞检测方法,这种方法不仅能有效地提高碰撞检测的速度,而且能适应软组织变形后几何特性和拓扑结构的变化,能较好地解决手术仿真中的碰撞检测问题
为了提高效果,实时的视觉反馈在虚拟手术中可以加强操作者的沉浸感,因此可以采用体绘制和面绘制两种方法,在系统实时性的要求下,实现了基于立体纹理映射的三维体模型的面绘制。算法在容许实时交互的同时,为操作者提供了真实感较强的视觉反馈。由于立体纹理生成及纹理坐标计算的特殊性,对虚拟手术中的拉压变形和切割等操作也能很好地处理。
随着科学技术的发展,我国医学教学手段改进的进程也必将越来越快。以仿真技术和虚拟现实技术为支撑的现代化教学手段必将在医学科研院所的教学培训中起着越来越重要的作用。

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发表于 2022-3-27 11:27:47 | 显示全部楼层 来自 辽宁省沈阳市
可以可以,楼主厉害
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发表于 2023-6-15 11:59:09 | 显示全部楼层 来自 陕西省西安市
您好楼主,对您发的内容很感兴趣,请问您可以做骨科某个部位的智能重建系统吗?有兴趣的话咱们邮件联系一下。QQ:
916172028
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