2019年虚拟现实医疗应用白皮书.pdf

虚拟现实医疗应用白皮书 （2019 年） 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 2019 年 10 月 前言 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。 为加快推动我国虚拟现实医疗应用的快速发展， 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了 虚 拟 现实医疗应用白皮书 ，分析了国内外虚拟现实医疗应用发展现状， 梳理了我国虚拟现实医疗的发展方向和创新进展， 对虚拟现实医疗 行 业的发展趋势进行了展望。 在此基础上对虚拟现实医疗应用的发展 提 出了措施建议， 以期为我国虚拟现实医疗应用发展和相关政策制定 提 供参考。如有商榷之处，欢迎批评指正。 本白皮书由吕建平、 安晖主编， 闵世豪、 秦文健、 谢广磊、 郑俊、 温晓君、赵燕、张甜甜参与撰稿。 2019 年 10 月 I 目 录 一、发展现状 . 1 （一）国内发展状况 . 2 （二）国外发展状况 . 8 二、主要发展方向 . 14 （一）虚拟现实+ 医学教育培训 . 14 （二）虚拟现实+ 个性化健身 . 17 （三）虚拟现实+ 心理障碍治疗 . 20 （四）虚拟现实+ 医学护理 . 22 （五）虚拟现实+ 康复训练 . 25 （六）虚拟现实+ 视力障碍治疗 . 27 （七）虚拟现实+ 临床辅助 . 30 三、科研进展 . 33 （一）国外高校科研进展 . 33 （二）国内高校科研进展 . 34 四、发展展望 . 35 （一）虚拟现实医疗的细分领域将不断拓展 . 35 （二）虚拟现实医疗的产业生态将日益丰富 . 36 （三）虚拟现实医疗对专业队伍的需求将更加迫切 . 37 五、相关建议 . 38 II （一）建立健全虚拟现实医疗产业沟通协调长效机制 . 38 （二）促进医学界产业界共建虚拟现实医疗产业生态 . 38 （三）部署实施虚拟现实医疗产业试点示范应用项目 . 38 （四）创新加强虚拟现实医疗产业人才队伍培养建设 . 39 （五）吸引社会资金大力投向虚拟现实医疗产业发展 . 39 附录：研究对象与范畴 . 40 1 以虚拟现实为代表的新兴前沿技术正广泛应用于医疗 行业， 助力提高医疗资源供给能力、 降 低各种医疗保健复杂 性和危险性、 应对医疗健康服务需求增长。 与 此同时， 随着 医疗健康领域的发展， 将 产生更多的诊疗方案， 进一步推进 虚拟现实技术在各个医疗健康领域的应用， 拓 展虚拟现实的 应用场景，催生新的模式业态，带来潜力巨大的市场。 一、发展现状 全球范围内， 虚拟现实等信息技术应用所驱动医疗健康 服务的数字化转型正在展开。在数字化医疗趋势的推动下， 国内外医院正在逐渐使用虚拟现实技术进行培训和手术， 虚 拟现实医疗正获得更多医生和患者的认可与肯定。 据 IDC 数 据， 虚拟现实医疗应用市场规模正逐年扩大， 预计 2022 年将 达到 17 亿美元，2018 到 2022 年的市场复合增长率预计为 105.6% 。 虚拟现实在医疗领域的应用涉及手术模拟、技能培训、 手术辅助、 心理治疗等多个领域。 现有国内虚拟现实技术方 案主要集中在医学教育领域， 覆 盖市场在 60%以上。 在临床 方面， 虚拟现实技术使用率较低， 体验感还没有得到医生和 医疗机构的普遍认可， 属 于科研拓展阶段， 还 未形成完善的 商业闭环。 2 （一）国内发展状况 1 、VR 医疗发展现状 VR 技术与医疗融合的 主要应用方向包括虚拟手术培训、 强化临床诊断、 远 程医疗、 心理疾 病治疗、 护 理学和康复训 练、 产品研发等。 在 模拟手术领域 ， 经 验丰富的外科医生可 以利用虚拟手术室学习和探索新技 术， 或者进一步深化掌握 具体手术操作步骤。 在培训领域， 医学生能够以身临其境的 方式学习人体解剖、临床等相关知识。 国内典型应用案例如下： （1 ）VR 剖腹产手术模拟 主要通过 VR 技术模拟真实手术室环境，全方位沉浸式 体验剖腹产手术流程 （图 1.1 ） 。 软 件使用高精度孕妇模型将 皮肤、 内部脏器、 胎儿完全模拟真实人体解剖结构。 用户在 操作过程中能获得实时交互反馈，还能接受理论知识考核， 实现交互实操与理论相结合。 软 件还能模拟突发状况， 训练 用户临场应对能力。 同时包含教学模式与考核模式， 以更好 地掌控用户的学习进度。 3 图 1.1 VR 模拟剖腹产手术 （2 ）VR 胸腔穿刺术模拟 通过 VR 技术模拟胸腔积液或气胸患者，利用胸腔穿刺 抽取积液或气体模拟手术 （图 1.2 ） 。 系统完全还原患者病情， 操作时会对用户逐步提示， 用户每一步操作都会有相应反馈。 图 1.2 VR 模拟胸腔穿刺术 （3 ）VR 手术直播培训 由于医学生无法进入手术室学习，VR 直播可同步播放 手术室中的实时情况， 使 医学生能身临其境地观摩学习手术。 国内已将 VR 技术应用于脑脊髓血管解剖、脑血管造影手术 4 的专业直播与技术培训中。 （4 ）VR 解剖学教室 国内相关院校已设置 VR 解剖学教室，可供多人同时进 入同一虚拟场景空间，突破学生学习立体解剖空间的瓶颈， 大幅提升学生的学习兴趣与成效 （图 1.3 ） 。 虚 拟场景解剖软 件可支持 300 人同时上线， 在模拟环境里拆解、 旋转人体中 超过 4000 个不同解剖部位，静态或动态观察脏器的活动。 图 1.3 VR 解剖学教室 2 、AR 医疗发展现状 AR 技术与医疗融合 的主要应用方向包括医学教育、中 医药教育、 辅助手术、 远 程医疗、 医疗检测等。 国内科技公 司现有的 AR 医疗产品主要针对医院和第三方实验室，包括 硬件、应用软件等。 在医学教育方面，已经成熟的应用有利用 AR 技术寻找 静脉注射用血管。 在实际医护工作 中， 小孩的血管比较纤细 5 或者部分患者血管凹陷的情况给护理工作带来了很大挑战。 AR 技术可以在患者身体上投射出血管图形，让护士准确定 位注射用血管，避免操作失误对患者的伤害。 在中医药教育 方面，将 AR 技术与中药材图谱相结合， 可将中药植株和饮片立体地展现出来；在针灸教学过程中， AR 技术可以为学生展现出虚拟人体模型，演示穴位定位、 进针手法等教学过程。 在远程医疗方面，可以通过 AR 眼镜直接传输手术情况 给远方专家组， 专 家可以通过远程辅助技术远程给手术主刀 医生提供意见。 在医疗检测方面， 部分医院进行了一些尝试， 如通过 AR 全息眼镜观察人体结构、 通过 AR 技术监测患者生命体征等。 国内典型应用案例如下： （1 ）AR 技术辅助下颅内血管畸形切除手术 2018 年 11 月，国内某医院完成 AR 技术辅助下儿童颅 内血管畸形切除手术。 手术借助 AR 技术将患儿的病变位置、 血管和组织以三维 （3D ） 图像方式呈现给医生。 以往， 医 生 在查看二维（2D ）影像资料时，需要通过空间想象来叠加， AR 技术能三维再现影像，提高手术的精准度和安全性。 （2 ）救护车内 5G+AR 医疗急救 2019 年 7 月，国内某医院顺利完成 5G+AR 医疗急救演 6 练。在接到急救电话后，医院调配置 5G 城市应急救援系统 的“5G 救护车”前往，从患者被抬上“5G 救护车”的一刻 起， 车上的急救人员与医院急诊抢救医护团队实现 “零时差” 对接。 救护车内的医护人员采取 5G 网络联动方案， 佩戴 AR 眼镜，与医院内专家进行远程 AR 诊疗。通过 AR 眼镜，院 内专家可实时监测患者病情变化，进行远程会诊指导急救， 争分夺秒抢救患者。 （3 ）5G+AR 智慧医疗 2019 年 7 月，国内某医院通过 5G+AR 技术成功实现了 远程协同介入手术。县级市人民医院医生借助 AR 眼镜，将 手术实况实时回传至相距千里的国内顶级三甲医院专家 （图 1.4 ） ，在心内科专家的指导下顺利完成冠脉介入治疗手术。 图 1.4 术者佩戴 AR眼镜，将影像传输至后端 通常国内中小型医院医生在面对一些复杂手术时， 希 望 有大型医院专家的协助指导。 邀 请外院专家会诊存在路途遥 7 远、 专家时间冲突、 患者费用和病情能否允许等一系列现实 问题。 不同地区的医生之间的信息传递主要依靠微信等方法， 难以实时同步手术全过程信息， 在与生命的赛跑中很可能出 现 “ 慢半拍” 的情况。 5G+AR 技术可以解决大型医院专家的 远程协助问题， 将 大型医院的技术能力下沉辐射到更广泛的 区域， 有效助推分级医疗制度， 缓解广大群众就医难的问题。 3 、政策环境发展情况 2017 年以来， 我国多个部委陆续出台了多份推动虚拟现 实技术产业发展及医疗领域应用的 相关政策， 持续提升对虚 拟现实医疗技术研发、产品消费、市场应用的支持力度。 表 1 相关部委关于虚拟现实的政策措施 发布时间 政策名称 发布机构 政策内容 2018.12 关于加快推 进虚拟现实产 业发展的指导 意见 工信部 指出虚拟现实能够拓展人类感知能力，改变 产品形态和服务模式，给经济、科技、文化、 军事、生活等领域带来深刻影响。全球虚拟 现实产业正从起步培育期向快速发展期迈 进，我国面临同步参与国际技术产业创新的 难得机遇，需加快我国虚拟现实产业发展， 推动虚拟现实应用创新，培育信息产业新增 长点和新动能。 2017.6 “十三五”医 疗器械科技创 新专项规划 科技部 指出先进医疗器械是健康保障体系建设的重 要基础，是推进医学诊疗技术进步的主要动 力，是优化医疗服务供给的核心引擎，也是 8 发布时间 政策名称 发布机构 政策内容 引领医学模式转变的变革性力量，具有高度 的战略性、带动性和成长性，其战略地位受 到世界各国的普遍重视，是国家科技进步和 全民健康保障能力的重要标志。 2017.5 “十三五”健 康产业科技创 新专项规划 科技部、发改 委、 工信部、 卫 计委、体育总 局和食品药品 监管总局 提出要重点发展虚拟现实康复系统等智能康 复辅具，加快增强现实、虚拟现实等关键技 术的应用突破，提高治疗水平。健康产业涉 及面广、产业链长、综合性强、增长空间大， 是未来国民经济的重要支柱产业。 2017.3 “十三五”全 国人口健康信 息化发展规 划 国家卫计委 明确信息化在推动创新健康医疗中的作用。 国内许多医院正在采用或者正在计划通过云 计算、扩展现实、人工智能、机器人等技术， 增强医疗服务供给能力，提高诊疗水平，从 而推动我国医疗健康事业的发展。 数据来源：赛迪智库整理，2019 年 9 月 （二）国外发展状况 1 、VR 医疗发展现状 VR 技术与医疗融合的 主要应用方向包括机器人手术、 恐惧症治疗、 手术模拟和技能培训等。 此外， VR 医疗在患者 教育、心理健康和心理治疗等方面也发挥着重要作用。 典型应用案例如下： （1 ）VR 手术模拟器 VR+ 医疗的主流应用领域是通过 VR 技术训练外科医生。 9 国外 VR 公司将 3D 技术和 VR 相结合，研发出各种手术模 拟器。外科医生戴好特定的 VR 眼镜后，可以通过模拟器实 施各种手术。 其中手术刀的角度、 操作力度等均能体现在虚 拟患者身上（图 1.5 ） 。 图 1.5 VR 手术模拟 （2 ）VR 病灶重现 在 VR 技术的帮助下，患者可以和医生一起“走进”他 的身体里，进而制定更精准的治疗方案。国外有 VR 公司为 每名患者量身定制一个 360 的虚拟现实世界， 通过 VR 技术 将患者身体的病灶重现 （图 1.6 ） 。 医生可以邀请患者一起 “钻” 进这个世界， 共同商量制定治疗方案， 并通过反复模拟操作 最终实现手术风险的显著降低。 10 图 1.6 VR 重现病灶 （3 ）VR 改变幻肢感受 国外某研究院利用 VR 技术和神经刺激技术，帮助截肢 者改变“幻肢”感受，结合视觉和触觉诱骗截肢者的大脑， 让假肢的使用更简单、自然。截肢者戴上 VR 头盔可以看到 虚拟假肢 （ 图 1.7 ） 。 通 过对截肢患者残肢的神经施加人工触 觉， 同时虚拟假肢的食指会 在受刺激的触摸感觉中同步发光， 从而产生幻肢和假肢是同一个肢体的错觉。 图 1.7 患者正在使用 VR改变幻肢感受 11 2 、AR 医疗发展现状 在 AR 技术与医疗融合 领域， 国外研究机构正在开发 AR 系统，可以将计算机体层摄影（CT ） 、磁共振成像（MRI ） 、 X 射线或超声扫描的 2D 诊断图像转换为 3D 图像。该技术 可以提供患者正常解剖和病变图像， 这 些图像在手术中可显 示在患者体表， 协 助医生准确定位， 节 省手术时间。 在远程 手术中，世界各地的外科医生团队还可以通过 AR 技术协同 工作。 该技术已基本成熟， 但远程手术需要能够在大约 70 毫 秒内显示信息，网速还是一大挑战。 典型应用案例如下： （1 ）AR 辅助脊椎手术 国外已经开发出一套结合 AR 技术的医疗影像处理系统， 该系统可以让医生事先了解患者身体结构情况， 然后根据其 结构特点来制定手术方案， 以便更加精确地放置植入物 （图 1.8 ） ， 整个手术时长缩短， 减轻了患者和医生的负担。 同样， 当植入物放置完毕或手术完成后，医生也可以通过该 AR 系 统来观察手术效果，无需患者额外接受检查。 12 图 1.8 AR 对辅助判断穿刺位置 （2 ）AR 解剖教学系统 国外医疗创企开发出可以显示 8200 个不同解剖结构的 医学 AR 应用系统（图 1.9 ） 。通过该系统，学生不需要在实 验室对尸体进行解剖， 在 宿舍就能模拟解剖。 该系统能够单 独放大特定的身体区域和器官， 促进学生之间真正的互动合 作。 医务人员也可以通过该 系统实时向患者展示身体运行机 制、解释病情等。 图 1.9 AR 展示人体解剖结构 （3 ）AR 静脉扫描仪 AR 静脉扫描是用于医疗护理的辅助系统，通常新入职 13 护士在首次静脉注射时只有 60%成功机率， 如果面对老年或 儿童患者，更加难以穿刺成功。通过 AR 技术与手持扫描可 以帮助找到静脉准确位置 （图 1.10 ） 。 研究表明这项技术将首 次找准静脉的可能性提高 3.5 倍， 大幅提升患者的就医体验。 图 1.10 AR 扫描仪找准静脉 （4 ）AR 手术视觉指南 美国食品药物监督管理局（FDA ）已批准首个用于 AR 头戴式显示器的医疗视觉辅助系统，该系统通过 2D 、3D 和 4D 图像技术，让医生在手术开始前获得可能在术中遇到问 题的视觉指南（图 1.11 ） 。该系统可以呈现患者 2D 和 3D 图 像，并将其准确地叠加在患者身上。 图 1.11 AR 手术视觉辅助 14 二、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 520 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 1020 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。 15 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 2.1 ） 。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。 图 2.1 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 16 后使用 VR 设备， 在虚拟场景下进行手术培训 （图 2.2 、 2.3 ） 。 图 2.2 学生正使用 VR 设备进行模拟手术 图 2.3 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， 17 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 1020 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。 18 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。 图 2.4 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 2.5 ） 。 19 图 2.5 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 2.6 ） 。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。 图 2.6 对健身教练进行动作捕捉 20 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。 图 2.7 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。 21 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 2.8 ） 。 图 2.8 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 2.9 ） 。 22 图 2.9 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 23 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 2.10 ） 。 图 2.10 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 2.11 ） 。 24 图 2.11 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 2.12 ） ，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。 图 2.12 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 25 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 2.13 ） 。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。 图 2.13 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 26 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。 图 2.14 患者正在使用 VR进行康复训练 27 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 2.15 ） 。 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。 图 2.15 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 28 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 2.16） 。 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。 29 图 2.16 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 2.17 ） 。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） 。 图 2.17 患者正使用智能手机 VR 进行视力障碍治疗 30 （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 31 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 2.18 ） 。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。 图 2.18 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 32 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 2.19 ） 。 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。 图 2.19 医生正使用 AR辅助进行手术 33 三、科研进展 （一）国外高校科研进展 近年来， 国 外多个高校及科研机构致力于推动虚拟现实 医疗产业技术创新发展。 美国纽约州立大学、 德克萨斯大学和哈佛大学研究人员 开发模拟了多个可能会导致抑郁症的场景， 帮 助青少年了解 大脑运作模式， 从 而学会如何控制自己以及如何更好地改变 自己行为。 华盛顿大学研发 了一项帮助介入放射科医生实现 在微血管中安全精准的 3D 实时导航的新 VR 技术。美国杜 克大学研发了基于虚拟现实的模拟和脑波控制的机器人套 装，帮助 8 位严重脊髓损伤患者经过 12 个月训练计划恢复 对下肢部分神经控制。 德国汉堡大学开发了 VOXEL-MAN 虚拟平台，建立了 融合医学影像学领域优秀成果及完备的医学知识库系统的 三维可视化人体模型， 用以模拟解剖、 外科手术、 放射成像、 测量距离等。 加拿大多伦多大学研发