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虚拟现实融合医疗主要发展方向解析
时间:2019-11-29    评论:0
    来源:第三维度

    本文节选自:吴阶平医学基金会、虚拟现实产业联盟、赛迪智库电子信息研究所联合编写的《虚拟现实医疗应用白皮书》

    虚拟现实与医疗的融合将为传统医疗行业带来全新变革。虚拟现实具有逼真的场景呈现、事前可规划性和过程可重复性,可有效解决医疗行业面临的实操风险高、可重复率低、培训资源短缺等问题。随着虚拟现实技术的不断进步与发展,虚拟现实+医疗时代正逐步到来。

    虚拟现实医疗主要发展方向

    (一)虚拟现实+医学教育培训

    将虚拟现实技术与医学教育相结合进行人才培养,发展虚拟现实医学教育是当前的重点。根据 2018 年《中国卫生健康统计年鉴》,2018 年我国卫生技术人员已达 758 万,预计到 2020 年全国卫生计生人才总量将达 1255 万人。按照卫健委要求,我国医院的医生和护士比例应为 1:2,重要科室医生和护士的比例应是 1:4。但全国实际的医护比例仅为 1:0.61,与 1:2.7 的国际水平相差很大。医护比例短期内存在5~20 倍差距,医护人才培养空间巨大。2018 年有 60 所一本类院校开设护理专业,毕业人数 1.2 万人,每年人才缺口10~20 万。

    每年财政划拨给医务人员教育的款项、医药企业用于医生教育的市场费用、医生每年用于培训的个人花费共计约260 亿元。根据 QYResearch 数据,2017 年我国虚拟现实医学教育市场规模 2.1 亿美元,预计 2025 年将达到 10 亿美元以上,年复合增长率 22%,高于全球市场水平。

    虚拟现实在医学教育方面的典型案例如下:

    1、VR 全景视频培训

    近年来,医疗领域逐步开始通过 VR 技术进行医疗培训。VR 医疗培训能提供全方位沉浸感的专业服务,让被培训者在虚拟环境中深度学习,快速提高技能。国外部分大学正致力于通过 VR 技术培训医护人员(图1)。研究人员使用专业级全景相机记录教学全过程,并使用头戴式显示设备让学生身临其境地观摩学习。

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图1 培训者正使用 VR 观看全景教学视频

    VR 全景视频培训通过构建一个高还原度的模拟环境,让学生身临其境地感受整个救护过程,从中学习实践经验与应对技巧,而不仅仅是通过课堂上教学者的讲解来获取理论知识。这种真实的临场感所特有的紧张和压力可以让学生更熟悉救护场景,了解如何应对这种场景带来的压力,有助于最大限度地减少人为失误所导致的医疗事故。

    2、VR 手术模拟培训

    VR 手术模拟培训是通过 VR 技术,构建一个虚拟仿真手术室场景,模拟真实患者、医生、护士和手术室环境,然后使用 VR 设备,在虚拟场景下进行手术培训(图2、3)。

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图2 学生正使用 VR 设备进行模拟手术

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图3 学生正使用 VR 设备进行模拟手术

    VR 能有效提高培训效果。国外研究表明,与仅接受传统骨科手术培训的学生相比,经过 VR 培训的医学生的整体水平测试分数要高出 130%,同时正确率高出 38%,速度也快 20%。相比之下,接受传统手术培训的普通外科住院医师毕业生中,约有 30%无法独立完成手术。

    VR 能降低培训成本。随着医疗设备越来越复杂、昂贵,医生在操作过程中必须足够小心,尽量避免因失误而损坏仪器。通常,为熟悉某种手术,外科医生需要进行 10~20 次手术才能熟练操作,随着复杂程度增加,医疗设备损坏的几率也将增大。因此,VR 手术模拟训练不仅能提高外科医生对于医疗设备的了解,降低设备损坏几率,而且能显著降低训练成本。

    VR 能保证医生的培训安全。在部分手术中,所使用的医疗设备具有放射性。如经皮肾镜取石术,需要 X 光机辅助手术。因此医师每年都要监控自身所受 X 光辐射的总量,VR手术模拟培训能很好地解决这一问题。另外,VR 手术模拟培训可以让外科医生随时随地多次练习,有助于完成培训目标;能为外科医生提供一些困难且少见的案例,提高医生诊疗水平;可以为受训医生评分和反馈,帮助他们学习和提高;能将培训中专家和非专家用户的数据进行对比,计算出不同医疗机构中外科医生的整体表现,帮助医生之间互相学习,推动整体医疗水平的提高;能支持远程课程,为医疗资源较缺乏地区的医生提供医疗培训。

    (二)虚拟现实+个性化健身

    虚拟现实技术一方面能增进健身的趣味性,让高强度的训练变成舒适的的游戏体验;另一方面能提供精准的技术指导,有助于用户更快的学习技术动作,更有效达到训练目标。

    虚拟现实在健身方面的典型应用案例如下:

    1、VR 健身场景模拟

    VR 领域有很多健身项目,比如带上 VR 眼镜,用户就可以从小房间中枯燥无聊的划船机上摆脱出来,进入到虚拟场景中,就像在真正的大江大河里漂流。有很多 VR 创业公司与运动品牌商开始尝试将 VR 与运动健身进行结合(图2.4),开发了新型的 APP 与配件,并且认为这将改变人们的健身生活方式。

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图4 健身者正使用 VR 设备进行健身

    2、VR 健身场景模拟+数据化

    美国运动类 APP 科技公司开发了一款 VR 健身模拟软件,并将 VR 中的运动数据连接至手机 APP 供用户查看,包括时间、距离、消耗的卡路里和心率数据纳入统计数据。用户只要购买一个合适的运动传感器,就能够体验到将日常普通的健身场景虚拟化+健身数据化(图5)。

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图5 使用 VR 与传感器达到虚拟化、数据化健身

    3、AR 虚拟健身教练

    开发者运用 130 台单反相机对健身教练的动作进行捕捉拍摄和构建 3D 动画模型,高品质的 3D 模型能完全复制教练的健身动作(图6)。用户可以 360°无死角观看健身教练的动作。与传统健身教学视频相比,一些视频不容易理解的教学动作能够更直观的表现出来。

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图6 对健身教练进行动作捕捉 

    4、AR 健身鼓励软件系统

    AR 技术能够将运动转化为竞争性游戏,以提高用户的积极性。某科技公司开发了一款 AR 应用软件系统,通过游戏化的方式催促着用户在跑步健身时持续向前,从而达到鼓励健身目的。

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图7 使用 VR 游戏进行健身鼓励

    (三)虚拟现实+心理障碍治疗

    虚拟现实技术在国外已较多应用于治疗各种心理障碍疾病,如退伍老兵创伤后遗症、残障人士幻肢痛、儿童多动症、自闭症和认知功能障碍等,甚至对于改善恐高症、幽闭恐惧症、飞机恐惧症都有效果。

    我国的精神卫生服务人员是 1.1-5/10 万人口的水平,在全球范围属于较低水平。随着国民经济逐步发展和人民整体素质的提高,心理问题会越来越得到重视,对精神卫生服务的需求会显著增长。

    虚拟现实在心理治疗方面的典型应用案例如下:

    1、VR 焦虑恐惧治疗

    心理学家通过 VR 技术实现传统的“暴露疗法”,进行恐惧与焦虑等心理疾病的治疗。VR 虚拟场景能够以安全放心的方式将患者暴露在某一让他们感到不安的情境之下,然后患者可以告诉医生感受和想法。该 VR 心理治疗还接入了街景服务,利用这一提供世界各地道路及其它地点全景影像的庞大在线数据库,再现户外场景。美国有相当多的心理医生已经通过这些虚拟的街景治愈患者(图8)。

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图8 VR 虚拟街景

    2、VR 恐高症治疗

    VR 恐高症疗法是通过在虚拟世界中模拟高山悬崖的玻璃栈道,让患者戴上 VR 头盔模拟站在玻璃栈道上的感觉,从而进行恐高症的暴露疗法治疗(图9)。

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图9 VR 恐高症暴露疗法

    3、VR 强迫症治疗

    VR 强迫症治疗是针对强迫症患者,通过 VR 模拟出让患者不适的虚拟场景,使用患者佩戴的检测脑电波与心跳的设备来采集患者的实时数据。医生可以通过实时查看患者的脑电、心电数据,调整患者所在虚拟强迫症场景的等级,最终达到治疗的效果。

    (四)虚拟现实+医学护理

    新入职护士在护理操作中相对容易出错,可能加重患者痛苦。因此需要提升操作技能,获得认识问题的经验,提高解决问题的能力。可以借助 VR 技术针对特殊病症、复杂的临床手术以及一些难以在现实中模拟的场景展开培训、教学,还可以通过 VR 中内定的安全操作范围对学员培训进行约束及提醒。

    学生通过虚拟设施训练,与现实教学基地有同样的效果,并且不受地点、时间的限制。学生可以完全沉浸于虚拟环境中,更易于集中注意力、全身心地投入训练中,而且能够自主选择或组合虚拟场地或设备,真正掌握学习的主动权,提高学习效果,减少学习时间。

    虚拟现实在护理学方面的典型应用案例如下:

    1、VR 导尿术模拟

    VR 导尿术模拟,通过 VR 技术模拟导尿术。在模拟操作中,系统会对使用者进行提示,使用者根据提示进行模拟培训,从而掌握相应的导尿术流程规范(图10)。

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图10 VR 导尿术模拟

    2、VR 乳腺癌术后护理

    VR 乳腺癌术后护理提供给乳腺癌患者,在术后康复时使用 VR 全景模拟,能够让患者身临其境,跟随场景中的护士,进行术后恢复操锻炼,从而达到促进患肢痊愈的效果(图11)。

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图11 VR 乳腺癌术后护理

    3、VR 围术期压疮管理

    VR 围术期压疮管理,是通过 VR 的形式普及手术围术期知识。软件能够在模拟的手术室场景中演示不同的手术体位,以及如何对该体位进行压疮管理(图12),让患者、家属和护理人员了解患者在手术过程采用何种体位,以及应该注意哪些部位容易出现压疮等。

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图12 VR 围术期压疮管理

    4、VR 心肺复苏教学及考核

    VR 心肺复苏模拟培训软件,根据国际标准的心肺复苏急救训练流程而设计,遵循专业医学指南。在 VR 中模拟真实的人体结构以及状态变化,如按压时肺部变化、血流变化等,从而进行心肺复苏急救技能训练及考核(图13)。软件会提供实时的操作信息,如按压深度、频率等,对应考核标准,方便护理人员自主学习、强化训练。该软件系统核心模块由 VR 头显、计算机、手柄组成。随着急救技能的普及,该系统拥有广阔的医疗普及空间,VR 心肺复苏模拟培训系统也会是急救领域不可缺少的产品。

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图13 VR 心肺复苏模拟

    (五)虚拟现实+康复训练

    VR 康复训练是指有各种运动障碍的人群,通过在 3D 虚拟环境中做自由交互以达到自理生活、自由运动、解除心理障碍的训练。传统的康复训练不但耗时耗力、单调乏味,而且训练强度和效果得不到及时评估,很容易错失训练良机,而结合 3D 虚拟仿真技术的康复训练可以较好解决这一问题,对完全丧失运动能力的患者也有独特效果。VR 康复训练系统通过输入设备(如数据手套、动作捕捉仪)把患者的动作传入计算机,并从输出反馈设备得到视觉、听觉或触觉等多种感官反馈,最终最大限度地恢复患者的部分或全部机体功能。这种训练方法不但大大节约了训练的人力物力,而且可以有效激发患者参与治疗的积极性,变被动治疗为主动治疗,提高治疗效率。

    虚拟现实在康复训练的典型案例如下:

    1、VR 肢体运动训练

    VR 康复训练系统可以使患者置身于软件提供的多种人造游戏景物中,并在游戏的原理上设计了诸多康复程序(图2.14),在肢体作业康复方面主要以身体的肩、肘、腕、膝关节等多个大关节进行主动康复训练,同时以游戏方式实现原有康复动作,在训练的过程中如出现失误,不会对患者的身体造成损伤,可用于慢性病治疗及生活技能丧失者的康复。

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图14 患者正在使用 VR 进行康复训练 

    2、VR 认知功能训练

    VR 康复训练系统促进了计算机技术和认知科学更高层次的结合,在认知障碍的康复训练方面表现出传统方法无法比拟的优势。VR 技术可以使人沉浸在计算机实时产生的三维环境中,通过各种游戏反复训练能维持和提高患者的逻辑推理、思维、记忆、协调、注意力等认知功能。

    3、VR 防治老年痴呆

    国外开发出的一款使用运动传感器的 VR 认知康复系统,由 14 种使用视觉感知的日常训练游戏组成,通过智力刺激提高解决日常生活所遇问题的认知能力(图15)。该系统不仅对预防痴呆症成效显然,而且对脑损伤患者的理解力恢复富有帮助。

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图15 老年人正使用 VR 设备进行防治老年痴呆

    (六)虚拟现实+视力障碍治疗

    2010 年,世界卫生组织发布的《视力残疾全球数据报告》指出,全球约有 2.46 亿人视力低下(患病率 3.65%),3900万人目盲(患病率 0.58%),其中我国共有 6726.4 万人视力低下(患病率 27.3%),824.8 万人目盲(患病率 20.9%)。针对这一问题,市场上主要是提供助视器给患者,让患者通过适当的训练,能够最大限度地独立生活。然而这类产品使患者无法自由参与外部活动,且需要借助多个产品(如阅读器、盲杖、导盲犬等)来辅助生活,使用条件苛刻。新近也出现 App 类移动端产品,但功能相对有限。用户体验不佳与日益增强的消费需求催生了一些新产品,如借助可穿戴设备帮助出行、通过虚拟现实技术治疗或辅助视力受损。

    虚拟现实在视力障碍治疗方面的典型应用案例如下:

    1、VR 眼球追踪治疗视力障碍

    黄斑区是视网膜的一个重要区域,主要与精细视觉及色觉等视功能有关。黄斑区病变常导致视力下降、眼前黑影或视物变形等症状,而 VR 眼球追踪可用于治疗部分视力障碍患者。美国医疗科技公司与纽约州立大学合作,通过 VR 技术治疗视力障碍,提高在弱视、斜视等眼部疾病的治疗水平(图16)。该公司的眼球追踪技术可以刺激双眼视网膜,指导神经元工作。公司推出一套视觉治疗系统,结合 VR 游戏为每位患者定制的治疗测试,其目标是取代部分传统疗法。

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图16 患者正在使用 VR 治疗视力障碍

    2、VR 距离调节治疗视力障碍

    国外医疗科技公司推出基于智能手机的 VR 系统,旨在帮助视力障碍人士感知世界。该系统包括 VR 头戴式显示设备和智能手机,手机能够录制用户周围的环境,并在其外围视觉区域实时显示画面,大脑不会在视觉中心感知到盲点,且该设备能够自动聚焦,自由切换近景或远景(图17)。实验研究表明,该系统可以将患者视力提高至 20/30(接近正常视力范围)。

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图17 患者正使用智能手机 VR 进行视力障碍治疗 

    (七)虚拟现实+临床辅助

    随着虚拟现实技术的逐步成熟,AR 和 VR 技术正在向患者管理、医疗运营维护、检测诊断、治疗康复等环节扩展。通常情况下,实习医生只能通过反复观摩手术操作录像,学习外科手术操作技巧。即使是资深外科专家在动手术之前,也需要花费大量时间去反复仔细研究患者的各种 2D 图像,以确定最佳手术方案。VR 和 AR 技术可以有效提高医生操作技巧,提高诊疗效率。

    虚拟现实在临床辅助方面的典型应用案例如下:

    1、VR 镇定剂

    国外有研究在超过 350 例外科手术中运用 VR 技术来辅助手术,一方面减轻患者疼痛,另一方面减少昂贵镇静类药物(如芬太尼和咪达唑仑)的使用,使手术费用降低了 25%,并减少手术并发症。例如医生为一名脂肪瘤患者制定了手术治疗方案,若患者处于清醒状态,由于血压偏高,手术需要强效的止痛药和镇静剂;但医生给患者戴上 VR 眼镜,让其沉浸在虚拟世界中,随后患者的血压逐步下降,在整个手术过程中,医生未使用准备好的镇静剂。这种方式不仅降低患者疼痛感,还减少了手术费用。

    研究人员希望将患者的注意力从真实世界中转移出来,让患者沉浸在计算机生成的三维场景。研究显示,使用 VR仿真软件降低患者疼痛感的有效率可达 50%,同时也能降低大脑疼痛相关区的活动。

    2、AR+3D 医学成像技术

    国外某公司开发的交互式 3D 平台可以将 2D 图像转换成能够用手写笔操作的 3D 图像,帮助医生从各个角度了解患者身体内部器官的情况(图18)。3D 图像可以根据程序要求进行定制,医生可以对图像进行缩放,单独提取或用 3D技术打印出图像中有疑问部分出来,以进一步研究发现病变部位。该技术大幅缩短了医生诊疗和术前准备时间,同时减少了医院和患者所花费的时间和治疗成本。

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图18 使用 AR 呈现 3D 器官

    3、AR 外科手术可视化系统

    国外某公司开发出一款用于脊柱外科的 AR 头戴式显示器,该设备可以在手术过程中为外科医生提供 X 射线视觉,让外科医生透过皮肤和组织看到患者体内解剖结构,以便更轻松、迅速和安全地进行手术。该系统可以实时确定手术工具的位置,并将其叠加在患者 CT 数据上,利用头戴式显示设备将数据投射到外科医生的眼前,从而真正看清楚患者体内的解剖结构(图19)。据研究测试发现,利用该系统可以使脊柱螺钉的放置准确率接近 97%,整个系统的精度约为 1.4毫米。

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图19 医生正使用 AR 辅助进行手术

标签:医疗手术医学
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