用虛擬手段挽救真實生命：數(shù)字仿真模擬技術進入醫(yī)學領域

    今年2月21日，美國“每日科學”網站刊載了這樣一條消息：世界第一個虛擬現(xiàn)實青蛙解剖軟件研制成功。并稱該解剖蛙是真正意義上的實體仿真，只需點擊鼠標，就可“拿起手術刀”，剖開青蛙的皮膚看到其內部器官，并可隨時通過內窺鏡觀察青蛙的消化道，或深入細致地研究其神經和血管。

    其實，隨著計算機技術的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實（數(shù)字仿真模擬）技術及其研究早已開始進入醫(yī)療領域。它集計算機圖形學、人機交互技術、多媒體技術、傳感技術、人工智能等于一體，在醫(yī)學上主要應用于虛擬內窺鏡、計算機輔助手術治療、手術仿真訓練、藥物檢驗及評估、醫(yī)學教學、醫(yī)學康復治療等諸多方面。

    奇妙幻境的營造大師

    此前，美國與日本醫(yī)學研究人員就已開始研究和利用虛擬現(xiàn)實技術緩解患者的病痛。

    日本癌癥研究中心醫(yī)院通過采用虛擬現(xiàn)實技術，營造“綠色環(huán)境”來撫慰患者的心靈�；颊呓邮苤委煏r，會如臨其境地感到清風拂面，鳥聲啾啾，落葉沙沙，看到滿眼濃綠，樹木森森，青草茸茸，從而有效緩解癌癥患者在進行化療時產生的反胃惡心，以及手術前后的身體痛楚等不適癥狀。

    美國研究人員則利用虛擬現(xiàn)實技術營造冰雪幻境，來緩解燒/燙傷患者的肢體疼痛。病人戴上虛擬技術頭盔后，會產生幻覺，感覺自己翱翔在冰川峽谷上空，同時還可以朝虛擬冰雪世界里的雪人、小屋、機器人以及企鵝等扔雪球，如同玩電子游戲，從而在清涼幻覺中有效減輕痛楚。

    研究人員表示，用虛擬現(xiàn)實技術緩解疼痛非常有效，今后將針對各種疼痛，開發(fā)一系列虛擬實境治療軟件。

    讓乏味鍛煉激情洋溢

    虛擬現(xiàn)實技術的另一大用途是幫助病患正確有效地進行身體機能恢復訓練。

    美國麻省理工學院為腦中風患者設計了一種虛擬現(xiàn)實鍛煉系統(tǒng)。借助這套系統(tǒng)，患者只要連通互聯(lián)網，就能嚴格遵照醫(yī)囑進行康復訓練，以逐步恢復業(yè)已喪失的肢體機能。通過綁縛在肢體上的傳感器，患者能照著網絡中的虛擬手臂所演示的訓練動作，盡可能活動自己的上肢，鍛煉系統(tǒng)還能計算出病人的模仿效果，將有關數(shù)據傳給主治醫(yī)生。

    紐約一家公司則生產出一種互動式康復虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，并已用于臨床。這種康復系統(tǒng)能讓從事訓練的患者，雖然只是在虛擬地比劃動作，卻能在大型電視屏幕上，看見自己“真”的在從事滑雪、跳傘等令人刺激的運動。

    疾病研究的科技替身

    讓人宛如拿起手術刀，實體解剖青蛙的虛擬仿真技術固然令人嘆服，但加拿大科學家研發(fā)出的世界第一個計算機4－D數(shù)字仿真人體模型———CAVEman則更讓人驚嘆。

    CAVEman于2007年5月23日在加拿大卡爾加里大學網站正式亮相，是卡爾加里大學科學家耗時6年的科研成果，也是迄今為止，最復雜、最精細的虛擬人體模型。除了長、寬、高這三個通用的三維尺度外，還加上了時間尺度變化，成為可以移動的“四維”立體影像。科學家和醫(yī)生可以通過輸入醫(yī)學數(shù)據和圖像，生成仿真人體模型，由表及里，詳盡研究人體內部結構，準確診治病情，或向患者展示他們體內的病灶細部。

    CAVEman人體仿真模型項目于2001年啟動，卡爾加里大學匯集計算機專家、生物學家、數(shù)學家和繪圖藝術家成立了攻關小組，目標是建立完整的，比現(xiàn)有計算機仿真人體模型清晰度高10倍的仿真人體模型。

    研究人員借助解剖學知識和人體器官樣本，以及現(xiàn)有的技術手段制作了這個虛擬人體模型。它可以把人體的有關部位，包括每個器官、骨骼、神經和生理系統(tǒng)用詳盡的立體三維圖像形象地展示出來，并可借助放映裝置在自動虛擬環(huán)境里將仿真病患進行立體投影顯示，其立體影像既可形成整體，也能形成局部，或某個器官，總共可以形成3000多個人體部分。并可能根據需要把整體或每個局部放大10倍。

    CAVEman的名稱由產生和展示它的“家”———CAVE，意即自動虛擬環(huán)境洞穴，和人類的英語單詞———man組合而成，也有譯者依照字面原意，把它形象地譯成“洞穴人”。

    事實也的確如此。CAVEman必須“居住”在專用的“洞穴”里———一個四四方方、黑洞洞的虛擬現(xiàn)實空間，由計算機控制的放映裝置從三堵墻壁和下方的地板投射影像，最終合成能夠漂浮在半空的立體人體模型。研究人員可以通過計算機鍵盤操縱這個虛擬模型，并聚焦放大特定部位。

    CAVEman最早是作為人體按摩訓練工具來開發(fā)的，但研究人員很快發(fā)現(xiàn)它的用途遠不只此。它使科學家可以在做動物實驗以及臨床實驗之前，通過虛擬病患先行檢驗藥效，幫助外科醫(yī)生設計手術方案。加拿大科學家現(xiàn)在已經能夠依據普通患者的實際情況，輸入每個病患的人體數(shù)據、核磁共振成像掃描圖像，活體檢查及X光檢查結果，以及其他有關病情資料，為患者量身定做仿真病患，詳細解析患者的身體狀況。

    研究小組負責人克里斯朵夫·森森博士稱，CAVEman是醫(yī)學信息學和人體系統(tǒng)生物學的重大突破，不僅可以用來研究疾病、還可用來探索新的醫(yī)療手術途徑。有助于醫(yī)學研究人員研究癌癥、糖尿病、肌肉硬化癥和早老性癡呆癥等疾病的遺傳學成因，尋找進行靶向定向治療的新途徑。比如，卡爾加里大學細胞生物學及解剖學專家已在使用CAVEman研究基因突變如何導致唇裂。他們認為，隨著CAVEman的不斷完善，它將可以用于研究各種正在增長和發(fā)展的醫(yī)學研究�？�爾加里大學科學家下一步準備添加觸覺反饋感應器，使CAVEman能夠模仿人體的動力學過程，比如肺部的呼吸過程和血液的流動過程，從而使醫(yī)生能夠利用病人自己的虛擬仿真病患為其進行診治，從這個意義上來說，4D虛擬病人可以挽救真實病人的生命。

    未來的虛擬病患“家族”

    在美國，科學家也在從事“虛擬病患”研究。

    2007年，美國國立衛(wèi)生研究院為倫斯勒理工學院提供了200萬美元的研發(fā)經費，用于研發(fā)虛擬病患呼吸模型，它是在3－D人體模型基礎上，加上時間變量獲取的4－D模型，即使在脫機狀態(tài)下，也可以看到這種模型的肺部可以像真實肺部那樣起伏呼吸，其研究應用將能明顯改善肺癌和肝癌放療的精確度和效果。

    這項研究由倫斯勒理工學院生物醫(yī)學工程和核醫(yī)學教授喬治·許領導，他正在與同事，以及位于得州圣安東尼市的癌癥治療研究中心的醫(yī)學家進行多學科合作，研發(fā)4D可視人體模型（4－DVIP－Man），以便今后可以進行精確放療。這種虛擬模型是許教授正在進行的3－DVIP－Man計劃（一種先進的電腦模型，能用3－D技術模擬射線如何影響人體器官和人體組織）的延伸項目。

    許教授可稱得上是“虛擬病患”的先行者之一。從1997年以來，他一直致力于應用先前的可視人體工程計劃（VisibleHumanProject），來研究3－DVIP－Man，研究經費來源于美國國立衛(wèi)生研究院和美國國家科學基金會。

    現(xiàn)在，許的研究小組正集中精力研究呼吸功能。雖然目前應用計算機技術有可能模擬肺的運動模式，但無法做到實時模擬。主要難度在于如何研發(fā)相應的運算法則，從而依照人體組織真實的生物力學性質，實時模擬肺及臨近組織的運動。許教授對自己的研究項目充滿信心，認為基于物理學的4－DVIP－Man將在生物醫(yī)學領域廣泛用作解剖模型，幫助治療有呼吸道疾病和心臟病的患者。他甚至希望通過與全世界的研究者合作，繼續(xù)研究3－DVIP－Man，創(chuàng)造虛擬病患“家族”。

    我們完全有理由相信，隨著虛擬現(xiàn)實技術的不斷進展，醫(yī)學知識的不斷進步，虛擬病患的家族將會日益擴大和日益細化，人類研究與攻克各種頑癥的勝算也將因之水漲船高。通過用虛擬的挽救真實的，高科技醫(yī)療技術將走近每個家庭、造福每個百姓。