虚拟人医学,虚拟现实在医学方面的应用

1、机器人用与医学方面的资料

   医疗机器人是目前国外机器人研究领域中最活跃、投资最多的方向之一，其发展前景非常看好。近年来，医疗机器人技术引起美、法、德、意、日等国家学术界的极大，研究工作蓬勃兴起。二十世纪九十年代起，国际先进机器人计划(IARP)已召开过多届医疗外科机器人研讨会DARPA己经立项，开展基于遥控操作的外科研究，用于战伤模拟手术、手术培训、解剖教学。欧盟、法国国家科学研究中心也将机器人辅助外科手术及虚拟外科手术仿真系统作为重点研究发展的项目之一在发达国家已经出现医疗外科手术机器人市场化产品，并在临床上开展了大量的病例应用研究。

随着科学技术的发展, 特别是计算机技术的发展, 医用机器人在临床中的作用越来越受到人们的重视。外科手术辅助导航系统作为外科医生的第三只眼, 可以让手术医师看到手术部位的内部结构, 避免了因医生经验不足而造成的手术失误, 使手术更安全、更可靠、更精确、更科学, 具有极其广阔的应用前景。

现在, 它已经成功地应用到神经外科、整形外科、泌尿科、脊椎、耳鼻喉科、眼科、膝关节切除以及腹腔镜等众多领域中。由此, 依靠医学成像、装置、传感器、计算机和机械手等的辅助, 从一个开放的、完全的人工手术到辅助医生进行最小侵入性手术。另外, 医生在选择最佳的手术路径、执行复杂的外科手术和提高手术的成功率等方面也受益匪浅。

创外科手术(MIS)技术兴起于～mm,长时间准确把握手术器械会使医生感到非常 疲劳,另外,由于医生手部的颤抖而传递到器械末端的误差也会随之增大。而利用机器人技术就可以很好的解决上述问题。因为机器人具有定位准确、大大减低工作强度等优势,而且,它还可以通过软件编程实现消颤、提高手术精度。创外科手术机器人与传统的工业机器人在结构上相比,系统针对性更强,通常一种结构只适用于一种手术操作。对于主从式机器人,在手术中,手术医生的决策通过主手传递到从手,通过监视从手的运动情况,调整或修正控制以达到预期的结果,实现创手术。由于从手系统直接作用于患者,它的性能高低直接影响整个系统的性能、手术的质量、以及系统的安全性等等。

随着计算机技术的不断发展, 型计算机无论从计算速度还是从内存容量上都可以满足手术导航系统的要。在我国, 开发基于型计算机的小型化、低成本、高精度的手术导航系统将是一个发展趋势。

1、文献综述

与其它机器人相比，医疗机器人具有以下几个特点：①其作业环境一般在医院、街道、家庭及非特定的多种场合，具有移动性与导航、识别及规避能力，以及智能化的人机交互界面。在需要人工控制的情况下，还要具备远程控制能力。②医疗机器人的作业对象是人、人体信息及相关医疗器械，需要综合工程、医学、生物、药物及社会学等各个学科领域的知识开展研究课题。③医疗机器人的材料选择和结构设计必须以易消毒和灭菌为前提，安全可靠且无辐射。④以人作为作业对象的医疗机器人，其性能必须满足对状况变化的适应性、对作业的柔软性，对危险的安全性以及对人体和精神的适应性等。⑤医疗机器人之间及医疗机器人和医疗器械之间具有或预留通用的对接接口，包括信息通讯接口、人机交互接口、临床辅助器材接口以及伤病员转运接口等。

从技术上讲医疗机器人的发展是建立在以下几种基本技术的基础上：它们是机械设计与制造技术、传感器应用技术、自动控制技术、驱动器技术、人机交互技术。根据用途医疗机器人大致可以分为救援机器人、手术机器人、转运机器人和康复机器人。

手术机器人在具备了机器人的基本特点同时，还有其自身的选位准确、动作精细、避免病人感染等特点。在血管缝合手术时，人工很难进行细于1 mm以下的血管缝合，如果使用手术机器人， mm的精度；用手术机器人进行手术避免了医生直接接触患者的血液，大大减少了患者的感染危险。

商业化的手术机器人最早出现在年，由美国Computer Motion研制，实质上是一种声控腹腔镜自动“扶镜手”，命名为AESOP。手术机器人于年月首次成功实现了跨大西洋(美国纽约法国斯特拉斯堡)的机器人腹腔镜胆囊切除术。目前，手术机器人不仅完成了普外科，还有脑神经外科、心脏修复、胆囊摘除、人工关节置换、泌尿科和整形外科等方面的手术。

尽管如此，手术机器人还有许多方面需要不断的完善和改进，通过增加“人造视野”系统，可在手术过程中监视术野，辅助术者做出判断，增加手术的安全性；用软件来处理触觉和视觉图像的整合、分割和合成；提供稳定的触觉控制，识别不同的人体组织，进行关键解剖结构的图像识别和图像分割；具有良好的触觉反馈和位置觉。

型机电技术的不断深入发展为小型机器人甚至纳米机器人提供了技术支持,它可以直接进入人体器内部进行工作,完成组织取样、血管疏通、药物定点放置、型手术和细胞操作等普通医疗技术和手段无法完成的工作。目前，国外正在研制和开发体内自主行走式诊断治疗、体内细手术和体内药物直接投放型外科手术机器人。医生用注射器将型机器人推入人体内部,由它所携带的生物传感器对人体组织进行检测，当发现有病变组织时,型手术机器人对病变组织进行直接手术和药物注射治疗。哈尔滨工业大学机器人研究所成功研制出纳米级精密定位系统,在这个系统支持下的纳米级高精密驱动机器人,能对细胞和染色体进行“显手术”。纳米级机器人可在人体观世界行走,随时清除人体中的一切有害物质,修复损坏的基因,激活细胞能量,使人不仅仅保持健康,而且延长寿命。

医疗机器人将机器人技术应用到医疗领域，极大的推动了现代医疗技术的发展，是现代医疗卫生装备的发展方向之一。随着科学技术的不断更新、社会的老龄化和现代战争的高技术化，以及医疗技术的发展，各疗机器人及其辅助医疗技术将得到更深入而广泛的研究和应用,促进医疗机器人技术的快速发展。

空间定位技术

在计算机辅助导航系统中, 空间定位是整个系统的关键, 直接关系到整个系统的精度和计算机辅助手术的成败。其作用就是实时测出手术器械的空间位置和姿态, 根据定位传感器的不同, 可分为机械定位、超声定位、电磁定位和光学定位法。

（1）机械定位

机械定位是手术导航系统最初的定位方法, 属于无源定位。定位用机械手至少应有 mm。机械手定位的优点是不会被阻塞, 不会被障碍遮挡, 同时可在特定位置夹住或放置手术器械。缺点是在手术中较为笨拙, 施加在机械手上的压力可使数据发生变化, 同时存在固定装置和制动器的位移误差。机械定位常用于无臂系统的标定和检查。

? (2) 超声定位

通过测量超声波的传播时间来测量超声波发射器与接收器间的距离。在手术器械上放置N (至少大于3) 个发射器, 即可计算出手术器械的位置和姿态。该系统的绝对精度一般为5mm。超声波定位的主要问题在于温度对超声波的影响、空气位移、空气非均匀性以及发射器的大尺寸等。

? (3) 电磁定位

在电磁定位系统中, 每个电磁产生线圈定义一个空间方向, 3 个线圈确定三个空间方向, 然后再根据已知的相对位置关系就可以对目标的空间位置进行定位。电磁定位系统的精度为2mm。电磁定位的精度较高, 又属于非接触式定位。但系统磁场对工作空间中的任何金属物体的引入都很敏感。

? (4) 光学定位

光学定位是目前手术导航系统中的主流定位方法。以CCD 摄像机作为传感器,测量目标为安装在手术器械上的几个红外发光二极管, 通过红外发光二极管的空间位置, 计算出手术器械的位置和姿态。根据所用摄像机的不同, 光学定位可分为线阵CCD和面阵CCD两种。面阵CCD 测量系统由两个面阵CCD 摄像机组成, 采用标准镜头, 在图像中的每个光点定义了空间的一个投影线, 采用空间两个摄像机可计算其对应投影线的交点, 获得点的三维坐标。线阵CCD 测量系统采用柱面镜头, 利用) , 其空间分辨率就很高, 典型的线阵CCD 导航系统精度在mm。光学定位系统的优点是精度高, 处理灵活方便,但易受术中手的遮挡、周围光线及金属物体镜面反射的影响。

虚拟现实技术

虚拟现实,简称R技术（英文名为irtual Reality）.这一名词是由美国PL创建人拉尼尔在年代初提出的，我国著名科学家钱学森将它翻译为“灵境技术”它是将模拟环境、视景系统和仿真系统合三为一，并利用头盔显示器、图形眼镜、数据服、立体声耳机、数据手套及脚踏板等传感装置，把操作者与计算机生成的三维虚拟环境链接在一起。操作者通过传感器与虚拟环境交互作用，可获得视觉、听觉、触觉等多种感知，并按照自己的意愿去改变的虚拟环境被称之虚拟现实。

2、虚拟人的介绍

   研制“虚拟人”的目的，是为医学或其他学科的研究提供更为精致的演示条件。比如，研究手术方案或试验新型药物，都可以让“虚拟人”来充当试验者。美国某研究所的研究人员，为了测试一种治疗糖尿病新药的疗效，他们首先操控计算机让“虚拟人”患上糖尿病。这个过程很简单，只是用鼠标进行点击，就“切除”了“虚拟人”的胰腺或其它器，并让“虚拟人”的体重发生变化，几秒钟后一个健康的“虚拟人”就能变成一位糖尿病患者。然后，研究人员将试用新药的数据输入计算机，不断观察“虚拟病人”的反应，调整用药剂量和用药方法，最终得出结论。这种方法至少能为研究人员节省3年的时间。现在，除了用于开发糖尿病的新药以外，研究人员还在尝试用“虚拟人”对治疗风湿性关节炎、哮喘病等其它新药进行测试。

此外，在军事医学上，也可以让“虚拟人”来试验核武器、化学武器和生物武器对人体造成的各种疾患，以及治疗方法。

用电脑制作“虚拟人”，最关键的环节是采集各种人体数据。首先需要确定出一个理想的人体样本；然后经过尸体解剖、拍照、分析；再将数据输入电脑进行合成，从而制成一个完整的立体人类生理结构。

这项研究工作，由美国最先进行。他们于年提出了“可视虚拟人”的概念，并于年制成了世界第一具男性“虚拟人”。年又通过对一具女尸的解剖，在电脑中储存了高达年时间建立具有东方人特征的数据库。

我国对“虚拟人”的研究。在月日时分，我国首例女性虚拟人数据集在位于广州市的解放军第一军医大学构建成功，这标志着继美国、韩国后，中国成为世界上第三个拥有本国虚拟人数据库的国家。

虚拟人是指通过数字技术模拟真实的人体器而合成的三维模型。

这种模型不仅具有人体外形以及肝脏、心脏、肾脏等各个器的外貌，而且具备各器的新陈代谢机能，能较为真实地显示出人体的正常生理状态和出现的各种变化。

现在也指代一些依靠技术平台制造的虚拟人物，如翎、洛天依等。

3、机器人用于医学方面的资料

   在我国，用来为骨折患者接骨的外科机器人医生已经研制成功。经临床实验，其手术成功率不仅高达百分之百，且比传统人工方法缩短近一半时间。 这项名为“矫形外科双平面导航技术与机器人系统”是国家计划的研究成果。传统的骨折接骨方法，是将错位的骨头牵引拉开，恢复原位后，把钢钉穿入骨髓使断骨连接，医生在X光的平面透视下，摸索寻找钢钉的孔位，从外部孔进行锁定。即使是经验丰富的医生也往往无法做到一次成功。同时，手术过程中医生和患者还要长时间地暴露在X光射线下。这项技术不仅使手术的成功率和质量大大提高，而且减少了传统手术中X光对医生和患者造成的辐射伤害。

骨科机器人系统涉及机器人、计算机控制、医学影像、计算机网络和外科医疗等诸多领域。实施机器人系统手术，是通过牵引系统——带电机的机械手，辅助医生完成折骨的牵引和固定，然后，双平面导航机器人系统用X光机从正面和侧面对患者的伤骨拍摄图像，经过计算机的精密计算，确定骨髓内钢钉锁孔的位置，引导医生完成对钢钉的锁定。

经临床统计，医学机器人手术平均时间约为分多钟，传统手术约4至8分钟。

并非幻想的纳米医学机器人

去年年月年的速度延长。

库兹维尔说，不久的将来人类的血液里将可以被植入一种名为“纳米虫”的机器人装置，“纳米虫”的大小近似人体血液细胞，它能够从细胞及分子的层面让人体变得更为健康。目前，生物学家已经发明出第一代“纳米虫”，且多次成功地在动物身上进行过实验。例如，科学家曾利用“纳米虫”成功治愈老鼠的糖尿病。美国麻省理工学院的研究者已经拥有一种特殊的监测技术，可以利用“纳米虫”发现血液中的癌细胞并消灭它们。预计年后，科学家将研制出比第一代“纳米虫”功能强大亿倍的类似装置，用来进一步加快人类寿命增长的速度。届时，未来人类寿命有望达到数百年。

这并不是异想天开，而是科学家们对纳米技术的发展进行认真评估之后作出的大胆猜想。在纳米科技的世界里，所有的物体都只有细胞大小，科学需要以科幻小说的方式来描述了。纳米（十亿分之一米）科技，虽然刚刚兴起，却正以飞快的速度发展着。

纳米技术造就了极机器人，而由于极医学机器人技术在各大医院——至少是发达国家的各大医院中普及，因心肌梗塞这样的疾病而死亡的可能性变得乎其。

可以预期，纳米医学的发展，将会导致人类认识世界、改造世界的一次大飞跃，使医学领域乃至整个生命科学领域发生重大变革。

4、AR观察：呼声很高的VR/AR医疗到底发展得怎样

   随着计算机图形学、三维医学图像处理技术、仿真技术、漫游技术以及网络技术等方面的快速发展，虚拟 现实技术在医学方面被越来越广泛地应用，如虚拟内窥镜、虚拟手术、虚拟静脉注射、虚拟康复训练以及各种 用于医学实践教学的模拟训练系统等。虚拟现实给现代医疗带来的最根本的改变在于脱离真实人体给医生以及医学实习生提供一个虚拟操作平台， 这无论是在医疗实践中还是在医学教学中都有着颠覆传统的意义。

虚拟内窥镜技术（irtual Endoscopy，简称E）是虚拟现实技术在现代医学中的重要应用。目前，E主要应用在如气管、支气管、食管、胃、肠、血管、内耳及心脏等具有空腔结构的器中。 达芬奇机器人手术系统以麻省理工学院研发的机器人外科手术技术为基础，结合虚拟内窥镜技术，通过使用创的方法医生就可以查看到病人的器，并且操作手术机械臂实施复杂的外科手术。

R在辅助治疗领域的应用

（1）眼部疾病的辅助治疗R在治疗眼部疾病（比如儿童的斜视、近视以及立体视力的缺陷）上有很好的效果。美国人James Blaha 开发出一款3D影像软件“IIDISION”来辅助治疗斜视，取得了不错的效果。

（2）疼痛患者的辅助治疗 美国的华盛顿大学推出了一款虚拟现实游戏“Snow Awards”，这个游戏虚拟了南极洲的冰雪环境，设置有虚拟的冰雪世界、冰冷的河流和瀑布，还有雪人和，患者进入游戏后注意力完全集中于冰雪世界，无暇 顾及伤痛，从而减轻治疗过程中的疼痛感。

R在其他医疗领域的应用和展望

（1）测试医疗设备在美国加州大学的交互式可视实验室里，工作人员使用一台超级计算机模拟安装心脏起搏器时心脏的工作过程，并且在基于投影的R显示上观看模拟过程。实验室主任Daniel Keefe说：“你可以看到血液流过心脏，仿佛身临其境般，这样你就可以分析其他的结构了。”

（2）R问诊和R虚拟医生当前在线问诊已经初步形成了规模，但也存在一些问题，毕竟是平面的沟通方式，患者跟医生在线上沟通的时候大多数是用文字或者图片描述，这样造成的误诊率非常高，但R的出现将彻底改变这一状况。未来的医 疗APP将会变成一个虚拟现实医院，里面坐满全国各地的医生，患者跟这些医生不再有任何距离，只要带上R设备，未来一个广州的患者就能在虚拟现实的世界里与北京的医生面对面，医生还可以在虚拟世界里对病人望闻问切，通过远程监测技术来把脉。当这种情形普及后，医生将会从医院解放出来，成为家庭医生，每个人都可以拥有自己的专属家庭医生，医生平时就在家里，只有做手术的时候才去医院或者诊所。这样医院将会变成 一个做手术的地方，通过吃药可治疗的病基本能在线上解决。

R在康复医疗应用中的理性认识

（1）虚拟康复医疗的局限性 在康复医疗的过程中，专业医师的指导环节依然不能被完全取代。虚拟康复医疗技术目前仍然更多地作为一种辅助治疗手段来配合专业医师的治疗过程，首先需要通过医生的专业诊断并设定针对性的康复方案，然后才能配合虚拟康复医疗技术来开展康复训练，形成优势互补的治疗模式。

（2）硬件建设需与软件建设齐头并进 在虚拟康复医疗中，软件资源（包括各种虚拟场景的三维数据）的数量、效果的生动性、交互的丰富性以 及医疗康复方案的专业性，都直接决定了病人康复效果的好坏；软件资源也只有在硬件设备（如R头盔、动作 捕捉设备、数据手套等）的配合下才能够充分发挥出作用，“软硬兼施”才能优势互补，相得益彰。因此，要 与专业的康复医师一起科学地针对不同疾病设计医疗康复方案。

（3）虚拟康复医疗技术适用的疾病种类 并不是所有的康复医疗学科内的疾病都适合采用R技术来进行辅助治疗，R技术?所具备的高沉浸感和强交互性的特点使其适用于肢体运动康复、脑中风康复、心理康复等领域；而对于烧伤、精神疾病、糖尿病、心血 管疾病以及呼吸系统疾病等病种的康复，采用虚拟现实技术并不能显著提高康复医疗的效果。

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虽然我很聪明，但这么说真的难到我了