基于VR技术的医学教学仿真开发

基于VR技术的医学教学仿真开发应用2014年3月21日星期五摘要考虑到医学专业的实际情况，将虚拟现实技术与医学模型结合，构建医学领域常见的生理系统三维模型、互动式手术操作的三维虚拟，提供基于VR技术的医学教学仿真的一些构想和可操作性分析。关键词：医学虚拟仿真AbstractTakingtheactualsituationofMedicalspecialtiesintoaccount,itcombinesvirtualrealitytechnologywithmedicalmodelsandconstructs3Dmodelofphysiologicalsystem,3Dvirtualinteractiveoperationwhichiscommoninmedicinearea.italsoprovidessomeideaandoperationanalysisofsimulationinmedicaleducationbasedonVRtechnology.Keywords:MedicalVirtualSimulation北京航空航天大学第二十四届“冯如杯”学生创意大赛参赛作品3目录封面....................................................................................................................................1摘要....................................................................................................................................21引言................................................................................................................................31．1作品背景及创意来源.......................................................................................32正文.................................................................................................................................42.1作品核心创意......................................................................................................42.2创意可行性分析..................................................................................................42.2.1技术实现思路...........................................................................................42.2.2相关技术分析...........................................................................................52.2.3预计技术难点...........................................................................................62.3作品应用前景......................................................................................................73结论.................................................................................................................................71引言1．1作品背景及创意来源本作品的创意背景来源于医学学习的现状。要成为一名合格的医生需要许多的实际经验，但是真正的患者无法成为医学生变为医生需要的实验材料，解剖其他的生物替代人体进行认知学习也会造成极大的浪费，并且会产生认知的偏差。纸上得来终觉浅，只按照教科书进行学习的医学生无法成为好的医生。新兴的虚拟现实技术与医学实验结合，构建三维模型，实现交互式学习，可以极好的改变这一现状，节约资源，不受标本、场地的限制，降低培训费用。北京航空航天大学第二十四届“冯如杯”学生创意大赛参赛作品42正文2.1作品核心创意应用虚拟现实技术创建一站式的医学学习平台，搜集人体构造与组织，构建三维模型，学生可以从多个角度观察触摸人体器官，熟悉人体内部构造，而不是单纯的在书本和标本上了解人体构造，将给予学生全方位的认知，打实基础。搜集常见的案例，构建交互式学习平台，学生可以真实的感受到病人在实施手术操作后即时反映。突破传统教育时空的限制，扩大学生的学习空间。在传统的实验教学中，学生只有在实验室才能进行各种实验操作。而基于web的虚拟实验室可将实验台从实验室搬入教室、图书馆、宿舍，学生随时随地可以通过网络来进行实验，从而把封闭的区域性实验资源变成网络环境下可共享的学习资源。营造信息化教学环境，促进传统教学模式的变革。虚拟实验的教学应用，丰富了医学职业教育实验教学的资源，实现了传统教学方式与数字化教学手段的有效结合，同时基于虚拟现实技术的虚拟实验能够在人机交互过程中为学习者提供多种感官的综合刺激，不仅能使学习者产生强烈的学习欲望，而且有利于学习者知识、技能的获取和保持。熟练的职业技能是医学职业教育培养学生的重要目标，只有反复训练，学生才能熟练各种实验技能的操作，对于医学职业教育来讲，训练就显得尤为重要。由于尸体标本短缺，就传统的人体解剖实验而言，目前多数医学职业院校开展反复训练的条件还不足。但是虚拟现实技术可以提供反复练习的平台。2.2创意可行性分析2.2.1技术实现思路在具体手术操作方面，以虚拟眼睛手术为例。借助于HMD及感觉手套，使用者可以对虚拟的人体眼睛模型进行手术。根据人眼的前眼结构创造出三维立体图像，通过数字头盔传递给操作者，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。使用动作捕北京航空航天大学第二十四届“冯如杯”学生创意大赛参赛作品5捉套件，捕捉操作者的操作动作，模型可以根据操作者实施的手术操作产生相应的数据变化，这需要一个庞大的数据库支持。在教学平台方面，以最常见的人体解剖教学为例，可以建立完整的教学平台，包括操作系统和评价系统。学生可以获得三维的视觉体验，能看到精确演示的人体的各个器官、骨骼、血管等内部细微的解剖结构及其空间位置，而且可以通过交互操作对其进行任意轴面的360°旋转，容易使学生在脑海中形成立体概念，弥补传统教学中二维教学资源的各种缺陷，从而使传统教学中许多教学难点迎刃而解。评价系统也必不可少，在传统的解剖实验测评中，解剖实验所花费的时间一般比较长，教师没有足够的时间观看每一个学生的实验过程，往往是学生同时在一起进行实验，然后教师根据最后的实验结果进行实验测评，这样就难以保证实验测评结果的科学性和准确性。而虚拟人体解剖实验教学平台可以利用其实验操作历史记录功能来自动记录学生实验操作的每一步，并将其保存，以供教师查看。然后教师就可以根据每一位学生实验操作过程的历史记录，进行客观的实验测评。2.2.2相关技术分析显示：人看周围的世界时，由于两只眼睛的位置不同，得到的图像略有不同，这些图像在脑子里融合起来，就形成了一个关于周围世界的整体景象，这个景象中包括了距离远近的信息。当然，距离信息也可以通过其他方法获得，例如眼睛焦距的远近、物体大小的比较等。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。有的系统采用单个显示器，但用户带上特殊的眼镜后，一只眼睛只能看到奇数帧图像，另一只眼睛只能看到偶数帧图像，奇、偶帧之间的不同也就是视差就产生了立体感。用户（头、眼）的跟踪：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。跟踪头部运动的虚拟现实头套：在传统的计算机图形技术中，视场的改变是通过鼠标或键盘来实现的，用户的视觉系统和运动感知系统是分离的，而利用头部跟踪来改变图像的视角，用户的视觉系统和运动感知系统之间就可以北京航空航天大学第二十四届“冯如杯”学生创意大赛参赛作品6联系起来，感觉更逼真。另一个优点是，用户不仅可以通过双目立体视觉去认识环境，而且可以通过头部的运动去观察环境。声音：人能够很好地判定声源的方向。在水平方向上，我们靠声音的相位差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，所以会有一种方向感。感觉反馈：为了实现模拟中的真实性要实现虚拟现实的用户体验，需要以下几种装置：数据手套：数据手套是数字内容交互展示系统常用的一种人机交互设备，通过手指上的弯曲、扭曲传感器和手掌上的弯度、弧度传感器，确定手及关节的位置和方向，从而实现环境中的虚拟手及其对虚拟物体的操控。数字头盔：头盔显示器固定在用户的头部，用两个显示器分别向两只眼睛显示两幅虚拟现实图像。这两个显示屏中的图像由计算机分别驱动，有细小差别，类似于人的双眼视差。头盔显示器可以最大程度得给用户以真实感。头部跟踪：实时头部跟踪使用现成的HMD（头盔显示器）、三维空间传感器。动作捕捉：技术涉及尺寸测量、物理空间里物体的定位及方位测定等方面可以由计算机直接理解处理的数据。在运动物体的关键部位设置跟踪器，由Motioncapture系统捕捉跟踪器位置，再经过计算机处理后向得到三维空间坐标的数据。当数据被计算机识别后，可以产生对应的三维图像、声音变换是操作者产生真实的感觉回馈。这些装置与位置传感器相结合，可以给操作者更大的自由度，在空间中自由的移动旋转，实施操作。除此之外还需要一个可以庞大的数据库，和虚拟现实技术实现平台，通用的仿真软件包括VRP、Quest3D、Patchwork3D、EONReality等。2.2.3预计技术难点在图像显示方面，如何实现图像的时时更新，如何进一步提高图像质量都是提高真实感的研究方向。北京航空航天大学第二十四届“冯如杯”学生创意大赛参赛作品7声音反馈方面，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。这点会削弱真实感。此外，为了实现手术中病体模型正确及时的反馈，将建立庞大的数据库，如何实现数据和操作的及时交互将成为一个技术难点。2.3作品应用前景虚拟现实系统和医学的结合，将有效的减少医学事故的发生率，不仅可以应用在医学教学系统中，还可以应用在医学其它的方面。如医生在操作某项手术之前，可以建立虚拟现实病例模拟，提前进行手术的操作，进行确认，避免医疗事故的发生，提高熟练度。通过建立完整的人体数据系统，在虚拟平台上反复的实验操作或许可以找到某些难以实施手术的病例的疗法。通过虚拟显示与医学及化学的建模系统结合，将来可实现对新药的实验，找到治疗一些不治之症的新药3结论综上所述，虚拟现实系统与医学相结合，实现真实模拟，建立交互式平台，可以极大的推动医