一.总述

• 文章内容：

本文主要通过对VR技术在医学领域的应用，来介绍VR技术的原理和发展趋势。

• VR概念：

VR是Virtual Reality的缩写，中文的意思就是虚拟现实。
VR技术通过计算机科学和行为心理学等学科的研究，让人们可以仅通过佩戴立体眼镜，数据手套等特制传感设备，置身于何以和人交互的虚拟环境中。

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• VR原理：

沉浸感：
通常，当用户面对屏幕时，所看见的信息是二维的，物理维度不仅仅影响了视觉的真实感，也限制了用户观察的角度。
我们来看看下面几种观察方式：

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下图是VR眼镜的原理图：

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当人的头部转动式，陀螺仪会读取转动信息，并相应修改显示器上的信息，通过凸透镜放大图像信息，再传入人眼，来实现三维环绕的视觉效果。

我们很容易想到，尽管如此，如果眼镜的图像视野太窄，以至于不能覆盖人眼视野，人依然能感觉到眼镜外的景象，所以VR眼镜再图像视野上需要考虑这些，做加宽处理和靠近人眼处理。

现在的VR眼镜大概会产生90-120度范围的图像视野，这样的视野大概和一个良好的三通道环幕投影系统产生的效果差不多，不过VR眼镜要更加贴近人眼一些，人眼被干扰的可能性大大降低。

另外，因为人的左右眼看见的图像是不同的，为了制造沉浸感，VR眼镜给左右的图像，每一秒钟都是不一样的，是两幅区别左右眼位置的不同头像，从而产生很强烈的立体纵深感。

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二.VR的发展和应用

• VR技术的历史和发展：

VR的概念最早是在20世纪80年代初提出来的，具体是指通过传感器技术和计算机结合，使得使用者进入一个可以及时，没有限制的观察的三度空间。

VR的发展分为四个阶段：
第一阶段（1963年以前）有声形动态的模拟是蕴涵虚拟现实思想的阶段
第二阶段（1963—1972）虚拟现实萌芽阶段
第三阶段（1973—1989）虚拟现实概念的产生和理论初步形成阶段
第四阶段（1990年至今）虚拟现实理论进一步的完善和应用阶段。除了在游戏，电影领域上众所周知的 发展，VR技术还和许多传统行业开始融合，比如旅行行业，新闻领域和医学领域等。

• VR技术在医学领域的发展：

出现

VR技术与医学领域的融合最早出现在VR发展的“第三阶段”。（1973—1989）
上世纪80年代，美国医学研究工作者最早开始了对人体虚拟图像的研究工作。
他们分别对一具男性和女性的尸体做了解剖并对解剖部分做了数字化扫描，根据得到的数据进行压缩和整理，建立了世界上第一个“数字人”。

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这项技术最早的成果是：操作者可以在电脑显示器上对“数字人”进行任意的解剖，并能将人体的图像进行局部缩放。
（值得一提的是，几乎在同一时期，纳米技术也被最先用于医学研究。可以看出来上世纪八十年代世界科学工作者们有尝试各种推进医学发展的技术，VR技术和医学的融合并非偶然。这也激励着我们相关专业的学生：科学的发展突破是不是晴天霹雳的花火，而是整个学界每个人的研究汇聚出的漫天雷鸣）

发展

20世纪90年代，VR医学进入课堂：

欧洲的汉堡大学的医学技术研究所创建了“3D虚拟人体图谱进行3D可视化教学研究“。学生可以自由地在三维人体空间进行各种操作。

1999年，在Internet上出现了“虚拟青蛙解剖”。VR科学进一步被推广。
可以说在新的千禧年到来之前，VR医学已经广为人知了。
进入新时代后，VR技术在验血领域衍生出了许多应用，VR技术还应用在了心理疾病的治疗上。
1997年，VR已被用于治疗患有PTSD的士兵。21世纪来临，VR医疗在心理疾病治疗领域的作用越来越重要。

Bravemind是由Virtually Better研发的虚拟现实暴露疗法项目，帮助临床医生将患者暴露于模拟的刺激环境中，从而帮助患者康复。

在15年前，Hunter Hoffman所在的HITLab和Firsthand Technology公司开发了SnowWorld，这是一个早期的VR环境，可以帮助烧伤患者缓解治疗所带来的疼痛。

现在VR医疗的应用和原理

1.人体解剖试验模拟（教学领域）
这项应用如前文所述，在20世纪90年代就被带入了课堂。
学生可以分别从皮肤上取下每一层皮肤、从表层皮肤到最深层的骨骼。虚拟现实界面可以让他们更好的理解肌肉、器官、神经和血管之间的相互作用。
这是提到VR医学，大家会第一时间想到的应用。

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2.自闭症儿童教学
以色列海法大学开发了一个 VR 系统，里面设计了不同的场景来教自闭症儿童学习生活常识。
比如过马路、去超市购物等，这样的体验能够提高青少年残疾人的自尊心，让他们有信心从事基本的日常生活。

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3.致命疾病研究

英国的慈善机构阿兹海默研究会发布了一款名为《A Walk Through Dementia》（老年痴呆症漫步）的 VR 应用，人们戴上 Google Cardboard 可以了解患病人群的日常生活。

通过“老年痴呆症漫步”应用，病人家属能够以病人的视角观察阿兹海默症患者的行动，也给了研究该疾病的医生更多的研究材料。

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4.心理疾病治疗

利用 VR 技术可以治疗心理疾病。

阿根廷裔心理学家费尔南多·塔诺戈尔开发了一个叫做 Phobos 的软件平台，用来治疗各种恐惧症状。例如蜘蛛恐惧症，通过模拟症状触发情景来引导患者克服恐惧，这样的疗法与创伤后应激障碍差不多，但是低成本也比较安全。

5.视力矫正
James Blaha成立了 See Vididly 公司，并开发了一款叫做Vivid Vision 的软件，为那些患有斜视或弱视的患者提供 VR 视力治疗。
这个疗法往往针对七岁以下儿童，但是 VR 的治疗方法有希望成为治疗成人弱视的新手段。

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6.疼痛管理
在美国Cedars Sinai医疗中心，病人用VR来逃脱所谓的“身体－心理－社会牢狱”。在由Applied VR开发的应用的帮助下，医院使用VR头显来帮助多个病人减轻病痛。

在一项小型对照研究中，VR技术能够将患者平均自我报告的疼痛评分从5．4降至4．1。 对照组的2D体验仅将该分数降至4．8。 还有一些证据表明，该技术还可用于帮助确定疼痛究竟是身体上的原因，或纯粹是心理上的结果。

7.其他方面
VR可以给使用者提供特别的环境来矫正习惯，所以还可以用于戒烟治疗， 转换性障碍治疗，和理疗复健等。

VR医疗器械

1.VR眼镜+传感器（手套等）：

• 解剖上的用处：前文中我们提到了，20世纪90年代欧洲的汉堡大学的医学专业生戴上眼镜和传感器可以自由地在三维人体空间进行各种操作。
  （可以用于手术培训，护理培训和有关教学的应用中）

2.VR眼镜+传感器＋5G技术

• 临床用处：用户通常是专家医生，因为VR技术可以提供给用户一个可以连续观察的三维世界，讲手术室的情况用VR眼镜即使分享给各位专家，就相当于有一个专家团驻扎在手术第一线。
  
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  （可以用于专家线上会诊）

3.4Sight
4Sight是一款VR工具，由药物研发公司C4XD开发，能帮助化学家将复杂分子的结构可视化，用以研发与癌症等疾病相关的新药。
这项技术让科研人员在药物研究中对微观世界进行宏观化模拟，清楚直观的观察药物配方的药理分析和不同条件下发生的化学反应，有效的管理药物研发的全过程。

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“VR使分子结构逼真的呈现在眼前，仿佛它们是你身边的物体一样。”——Nowak

研发者甚至给分子建模过程添加了音效，让研究过程更加轻松可爱。

3.VR医疗的未来发展趋势和当前瓶颈：

发展趋势：

VR在医学领域的发展参与度越来越高。
VR用于美国Pubmed生命科学领域数据库中，2004到2014年这十年间，有关VR医疗的文献从204篇增长至720篇。有很多技术公司将这些研究转化为实际的VR应用。
但是，总的来说，VR医疗仍然处在初级阶段，仅能与5G结合解决带宽问题，与传感器结合结合解决沉浸感问题。在未来，VR有希望和人工智能、大数据、新的传感器，生物反馈、增强现实等技术融合，让VR医疗更加成熟和丰富。
同时，VR技术也和更多社会学，心理学知识融合，在心理疾病、疼痛控制、康复理疗等领域发挥作用。
案例：
1.与深度学习的结合：

Google研究团队亦研发结合AR和深度学习神经网络的工具，协助病理学家在显微镜找到癌细胞，这套工具称为扩增实境显微镜（ARM），包含可调光显微镜，可实时分析影像和呈现机器学习演算结果。

2.与新的传感器的结合：

伦敦帝国学院（Imperial College London）科学团队透过微软（Microsoft）HoloLens头戴式装置，把扩增实境（AR）应用于下肢重建手术，将计算机断层影像投射于病患腿部。

3.减轻医患障碍，让病人不需要医学知识就看到医生检查出的症结：

波士顿儿童医院（Boston Children’s Hospital）正与Klick Health合作，建立HealthVoyager医疗教育和病患体验平台，透过VR跟病患解释医疗发现。

这或许对医患关系紧张的我国有很大帮助。

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当前瓶颈：

任何事物的发展都有其限制点，VR医疗在应用时主要遇到以下问题：

- VR医疗行业门槛很高。

VR医疗比起VR旅游，VR游戏，VR电影，需要更严格的门槛限制和行业要求。
首先，要建立在临床医疗的基础上，考虑VR的实际临床效果和安全性。比如，尽管一个相关理念是有前瞻性和可行性的，是否会因为当前硬件、软件的限制，增加心血管病人（仅作举例）的风险？
其次，医学是一门实验科学，需要大量的实验数据来评判一项新的设备是否可以投入使用。这也增大了VR技术在医学领域应用的门槛。

- VR医疗变现困难。

VR医疗日前还没有很多案例可以采纳，尤其是在国内，全国做VR医疗的团队、公司、科研机构、医疗机构加起来不超过20个。
但即使在这样看起来并不激烈的环境下，几乎没有一家可以实现盈利。
如果不能找到有效的变现方法，就找不到付费方支持发展，这是VR技术第二大瓶颈所在.

4.总结：

VR技术是一项新兴的多媒体技术，在很多领域这项技术都有可观的预期，这项前沿技术也像许多前沿技术一样面临着变现困难，门槛太高的问题。

VR技术与其他技术的融合并非是灵感和巧合，而且科研人员不断尝试前沿技术与传统产业结合的结果，这是一个充满未知的大陆，有兴趣的同学可以从事这方面的进一步学习。同时，我们在学习种也好，科研种也好，也要明白对绝大多数人而言，发现和突破是大量的试验后的“必然“结果，而不是高枕倦怠状态下的乐透彩票。

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