用虚拟手段挽救真实生命：数字仿真模拟技术进入医学领域

    今年2月21日，美国“每日科学”网站刊载了这样一条消息：世界第一个虚拟现实青蛙解剖软件研制成功。并称该解剖蛙是真正意义上的实体仿真，只需点击鼠标，就可“拿起手术刀”，剖开青蛙的皮肤看到其内部器官，并可随时通过内窥镜观察青蛙的消化道，或深入细致地研究其神经和血管。

    其实，随着计算机技术的不断发展，虚拟现实（数字仿真模拟）技术及其研究早已开始进入医疗领域。它集计算机图形学、人机交互技术、多媒体技术、传感技术、人工智能等于一体，在医学上主要应用于虚拟内窥镜、计算机辅助手术治疗、手术仿真训练、药物检验及评估、医学教学、医学康复治疗等诸多方面。

    奇妙幻境的营造大师

    此前，美国与日本医学研究人员就已开始研究和利用虚拟现实技术缓解患者的病痛。

    日本癌症研究中心医院通过采用虚拟现实技术，营造“绿色环境”来抚慰患者的心灵。患者接受治疗时，会如临其境地感到清风拂面，鸟声啾啾，落叶沙沙，看到满眼浓绿，树木森森，青草茸茸，从而有效缓解癌症患者在进行化疗时产生的反胃恶心，以及手术前后的身体痛楚等不适症状。

    美国研究人员则利用虚拟现实技术营造冰雪幻境，来缓解烧/烫伤患者的肢体疼痛。病人戴上虚拟技术头盔后，会产生幻觉，感觉自己翱翔在冰川峡谷上空，同时还可以朝虚拟冰雪世界里的雪人、小屋、机器人以及企鹅等扔雪球，如同玩电子游戏，从而在清凉幻觉中有效减轻痛楚。

    研究人员表示，用虚拟现实技术缓解疼痛非常有效，今后将针对各种疼痛，开发一系列虚拟实境治疗软件。

    让乏味锻炼激情洋溢

    虚拟现实技术的另一大用途是帮助病患正确有效地进行身体机能恢复训练。

    美国麻省理工学院为脑中风患者设计了一种虚拟现实锻炼系统。借助这套系统，患者只要连通互联网，就能严格遵照医嘱进行康复训练，以逐步恢复业已丧失的肢体机能。通过绑缚在肢体上的传感器，患者能照着网络中的虚拟手臂所演示的训练动作，尽可能活动自己的上肢，锻炼系统还能计算出病人的模仿效果，将有关数据传给主治医生。

    纽约一家公司则生产出一种互动式康复虚拟现实系统，并已用于临床。这种康复系统能让从事训练的患者，虽然只是在虚拟地比划动作，却能在大型电视屏幕上，看见自己“真”的在从事滑雪、跳伞等令人刺激的运动。

    疾病研究的科技替身

    让人宛如拿起手术刀，实体解剖青蛙的虚拟仿真技术固然令人叹服，但加拿大科学家研发出的世界第一个计算机4－D数字仿真人体模型———CAVEman则更让人惊叹。

    CAVEman于2007年5月23日在加拿大卡尔加里大学网站正式亮相，是卡尔加里大学科学家耗时6年的科研成果，也是迄今为止，最复杂、最精细的虚拟人体模型。除了长、宽、高这三个通用的三维尺度外，还加上了时间尺度变化，成为可以移动的“四维”立体影像。科学家和医生可以通过输入医学数据和图像，生成仿真人体模型，由表及里，详尽研究人体内部结构，准确诊治病情，或向患者展示他们体内的病灶细部。

    CAVEman人体仿真模型项目于2001年启动，卡尔加里大学汇集计算机专家、生物学家、数学家和绘图艺术家成立了攻关小组，目标是建立完整的，比现有计算机仿真人体模型清晰度高10倍的仿真人体模型。

    研究人员借助解剖学知识和人体器官样本，以及现有的技术手段制作了这个虚拟人体模型。它可以把人体的有关部位，包括每个器官、骨骼、神经和生理系统用详尽的立体三维图像形象地展示出来，并可借助放映装置在自动虚拟环境里将仿真病患进行立体投影显示，其立体影像既可形成整体，也能形成局部，或某个器官，总共可以形成3000多个人体部分。并可能根据需要把整体或每个局部放大10倍。

    CAVEman的名称由产生和展示它的“家”———CAVE，意即自动虚拟环境洞穴，和人类的英语单词———man组合而成，也有译者依照字面原意，把它形象地译成“洞穴人”。

    事实也的确如此。CAVEman必须“居住”在专用的“洞穴”里———一个四四方方、黑洞洞的虚拟现实空间，由计算机控制的放映装置从三堵墙壁和下方的地板投射影像，最终合成能够漂浮在半空的立体人体模型。研究人员可以通过计算机键盘操纵这个虚拟模型，并聚焦放大特定部位。

    CAVEman最早是作为人体按摩训练工具来开发的，但研究人员很快发现它的用途远不只此。它使科学家可以在做动物实验以及临床实验之前，通过虚拟病患先行检验药效，帮助外科医生设计手术方案。加拿大科学家现在已经能够依据普通患者的实际情况，输入每个病患的人体数据、核磁共振成像扫描图像，活体检查及X光检查结果，以及其他有关病情资料，为患者量身定做仿真病患，详细解析患者的身体状况。

    研究小组负责人克里斯朵夫·森森博士称，CAVEman是医学信息学和人体系统生物学的重大突破，不仅可以用来研究疾病、还可用来探索新的医疗手术途径。有助于医学研究人员研究癌症、糖尿病、肌肉硬化症和早老性痴呆症等疾病的遗传学成因，寻找进行靶向定向治疗的新途径。比如，卡尔加里大学细胞生物学及解剖学专家已在使用CAVEman研究基因突变如何导致唇裂。他们认为，随着CAVEman的不断完善，它将可以用于研究各种正在增长和发展的医学研究。卡尔加里大学科学家下一步准备添加触觉反馈感应器，使CAVEman能够模仿人体的动力学过程，比如肺部的呼吸过程和血液的流动过程，从而使医生能够利用病人自己的虚拟仿真病患为其进行诊治，从这个意义上来说，4D虚拟病人可以挽救真实病人的生命。

    未来的虚拟病患“家族”

    在美国，科学家也在从事“虚拟病患”研究。

    2007年，美国国立卫生研究院为伦斯勒理工学院提供了200万美元的研发经费，用于研发虚拟病患呼吸模型，它是在3－D人体模型基础上，加上时间变量获取的4－D模型，即使在脱机状态下，也可以看到这种模型的肺部可以像真实肺部那样起伏呼吸，其研究应用将能明显改善肺癌和肝癌放疗的精确度和效果。

    这项研究由伦斯勒理工学院生物医学工程和核医学教授乔治·许领导，他正在与同事，以及位于得州圣安东尼市的癌症治疗研究中心的医学家进行多学科合作，研发4D可视人体模型（4－DVIP－Man），以便今后可以进行精确放疗。这种虚拟模型是许教授正在进行的3－DVIP－Man计划（一种先进的电脑模型，能用3－D技术模拟射线如何影响人体器官和人体组织）的延伸项目。

    许教授可称得上是“虚拟病患”的先行者之一。从1997年以来，他一直致力于应用先前的可视人体工程计划（VisibleHumanProject），来研究3－DVIP－Man，研究经费来源于美国国立卫生研究院和美国国家科学基金会。

    现在，许的研究小组正集中精力研究呼吸功能。虽然目前应用计算机技术有可能模拟肺的运动模式，但无法做到实时模拟。主要难度在于如何研发相应的运算法则，从而依照人体组织真实的生物力学性质，实时模拟肺及临近组织的运动。许教授对自己的研究项目充满信心，认为基于物理学的4－DVIP－Man将在生物医学领域广泛用作解剖模型，帮助治疗有呼吸道疾病和心脏病的患者。他甚至希望通过与全世界的研究者合作，继续研究3－DVIP－Man，创造虚拟病患“家族”。

    我们完全有理由相信，随着虚拟现实技术的不断进展，医学知识的不断进步，虚拟病患的家族将会日益扩大和日益细化，人类研究与攻克各种顽症的胜算也将因之水涨船高。通过用虚拟的挽救真实的，高科技医疗技术将走近每个家庭、造福每个百姓。