醫學虛擬現實

@臨床醫療邱鵬山東中醫藥大學理工學院2012年11月醫學虛擬現實

@臨床醫療邱鵬一、概述

二、生物醫學工程研究的主要內容

三、醫院中的生物醫學工程——臨床工程

四、醫學虛擬現實2一、概述

二、生物醫學工程研究的主要內容

三、醫院中的生物醫一、概述定義內涵特點3一、概述定義3什么叫生物醫學工程

生物醫學工程（BiomedicalEngineering,BME）是運用自然科學和工程技術的原理和方法，研究人的生理、病理過程，揭示人體的生命現象，并從工程角度解決防病治病問題的一門綜合性學科。一、概述4什么叫生物醫學工程一、概述4美國國立衛生研究院有關名詞命名專家組的定義：

生物醫學工程學是結合物理學、化學、數學和計算機科學與工程學原理，從事生物學、醫學、行為學或衛生學的研究：①提出基本概念，產生從分子水平到器官水平的知識；②開發創新的生物學制品、材料、加工方法、植入物、器械和信息學方法；③用于疾病預防、診斷和治療，病人康復，改善衛生狀況等目的。一、概述5美國國立衛生研究院有關名詞命名專家組的定義：一、概述5早期的生物醫學工程也稱為醫學工程學(MedicalEngineering)：綜合運用數理科學原理和現代工程技術研究和解決基礎醫學和臨床醫學中問題的分支學科。

臨床工程學（或臨床醫學工程學）(ClinicalEngineering)：綜合運用數理科學原理和現代工程技術的理論和方法研究、解決臨床醫學實際問題的分支學科。一、概述6早期的生物醫學工程也稱為醫學工程學(MedicalEngi生物醫學工程是工程學與生物醫學結合的產物理念上是綜合與分析的結合結果上是工程技術或產品為生物醫學服務一、概述7生物醫學工程是工程學與生物醫學結合的產物一、概述7工程學（綜合）生物醫學工程學科的內涵工程學（綜合）信息反饋市場產品生物醫學（分析）醫學檢驗裝置開發理論想法8工程學（綜合）生物醫學工程學科的內涵工程學（綜合）信息反饋市生物醫學工程學科的特點生物醫學工程學工程學電子學計算機科學力學材料科學機械制造學-----------生物醫學生物學神經科學內科學外科學矯形科學

--------綜合分析9生物醫學工程學科的特點工程學生物醫學綜合分析9二、生物醫學工程

主要研究內容10二、生物醫學工程

主要研究內容10醫學道德與倫理解剖與生理生物力學康復工程與輔助技術生物材料學組織工程學生物醫學儀器生物醫學傳感器生物信號處理生物電現象生物醫學工程主要研究內容生物系統建模與仿真基因組學和生物信息學計算生物學與復雜性理論放射成像醫學成像光學和激光在生物醫學中的應用數字化醫療設備和技術微型診療系統…………11醫學道德與倫理生物醫學工程主要研究內容生物系統建模與仿真11生物材料的應用例12生物材料的應用例12模型及仿真的實例心臟模型的計算機仿真膝關節模型的計算機仿真例13模型及仿真的實例心臟模型的計算機仿真膝關節模型的計算機仿真例電學模型計算機模型教學模型力學模型心臟例14電學模型計算機模型教學模型力學模型心臟例14微型診療系統

－－消化道檢測膠囊美國SmartPillDiagnositics,Inc.研制的SmartpillTM

智能藥丸，用于監測胃腸道壓力和腸道運轉時間。美國Medtronic公司的BravoTM藥丸可吸附在食道上實時監測PH值，已進入臨床。例15微型診療系統

－－消化道檢測膠囊美國SmartPillDi消化道微型手術機器人韓國膠囊式內窺鏡機器人（Endoscopicmicrocapsule），在多關節式藥丸系統中，集成了微型攝像頭、微型泵、組織活檢鉗、PH值傳感器等微型設備，系統具有主動運動與姿態控制功能，可以完成局部藥物釋放、圖像采集、PH值測定、組織活檢、治療等多種功能。例16消化道微型手術機器人韓國膠囊式內窺鏡機器人（Endoscop三、醫院中的生物醫學工程

——臨床工程17三、醫院中的生物醫學工程

——臨床工程17臨床工程的定義與內涵醫療儀器設備工程醫院信息工程醫療影像信息工程遠程醫療工程臨床診斷醫療工程臨床工程的學科建設臨床工程18臨床工程的定義與內涵臨床工程18臨床工程學臨床工程醫療儀器設備工程醫院信息工程醫療影像工程遠程醫療診斷醫療工程臨床工程學

(ClinicalEngineering)：

綜合運用數理科學原理和現代工程技術的理論和方法研究、解決臨床醫學實際問題的分支學科。19臨床工程學臨床工程醫療儀器醫院醫療遠程醫療診斷醫療臨床工程學國家教委已在2004年明確我國生物醫學工程專業教育的方向和目標，從生物醫學工程與儀器、生物材料與組織工程、生物醫學信息、臨床工程四個方向向國際先進水平靠近。國家衛生部醫院管理研究所和中華醫學會醫學工程學會也于2005年開始了“臨床工程師資格認證”工作。盡管還沒有相應的法律、法規支持和納入規范化，但這一大步的前進仍具有可喜可賀的里程碑意義。BME專業教育和人才培養20國家教委已在2004年明確我國生物醫學工程專業教育的方向和目臨床診斷醫療工程臨床診斷醫療工程計算機輔助外科手術放射治療系統虛擬現實技術在醫學中的應用理療影像診斷21臨床診斷醫療工程臨床診斷醫療工程計算機輔助外科手術放射治（一）、定義利用數字影像、計算機及空間定位技術制定合理的手術方案并進行手術模擬。CAS基于計算機，對大量數據信息高速處理及控制更安全、更準確。它可以對圖像進行三維重建和融合，術前充分評估患者的情況，規劃手術路徑、方案，模擬手術。術中追蹤手術器械，引導手術。確定手術范圍，從而使外科手術更加精確、安全和微創化。

計算機輔助外科手術

(computeraidedsurgery，CAS)22（一）、定義計算機輔助外科手術

(computeraid醫學圖像CTMRIPETDSADRI外科醫生結合圖像立體定位系統光學定位機械定位超聲定位電磁定位患者手術器械配合配準跟蹤三維顯示（二）、組成23醫學圖像外科醫生結合圖像立體定位系統患者手術配合配準跟蹤三維1、光學定位法2、機械手定位法3、超聲波定位法4、電磁定位法5、混合定位系統（三）、立體定位系統241、光學定位法（三）、立體定位系統24（四）、配準用計算機圖像處理技術將各種影像模式投影在一個坐標系下，融合成新的醫學模式。按操作分為:基于外部特征基于內部特征25（四）、配準25（五）、應用神經外科術血管畸形手術脊椎手術內鏡手術關節置換手術耳鼻喉科手術骨科手術教學26（五）、應用神經外科術血管畸形手術脊椎手術內鏡手術關節置四、醫學虛擬現實計算機和電子技術創造的新世界看似真實的模擬世界27四、醫學虛擬現實計算機和電子技術創造的新世界27虛擬現實（VirtualReality，VR）：一種基于可計算信息的沉浸式交互環境。采用以計算機技術為核心的現代高科技生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環境，用戶借助必要的設備以自然的方式與虛擬環境中的對象進行交互、相互影響，從而產生等同親臨真實環境的感受和體驗。虛擬現實28虛擬現實（VirtualReality，VR）：一種基于可虛擬現實_范疇虛擬現實是高度發展的計算機技術在各種領域的應用過程中的結晶和反映。圖形學圖像處理模式識別網絡技術并行處理人工智能……數學物理通信氣象地理美學心理學社會學……29虛擬現實_范疇虛擬現實是高度發展的計算機技術在各種領域的應用虛擬現實_關鍵技術實物虛化：現實世界空間向多維信息化空間的一種映射，主要包括基本模型構建、空間跟蹤、聲音定位、視覺跟蹤和視點感應等。虛物實化：確保用戶從虛擬環境中獲取同真實環境中一樣或相似的視覺、聽覺、力覺和觸覺等感官認知。高性能計算處理技術：主要包括數據轉換和數據預處理技術；實時、逼真圖像生成與顯示技術；多種聲音的合成與聲音空間化技術等。30虛擬現實_關鍵技術實物虛化：現實世界空間向多維信息化空間的一虛擬現實_特點沉浸感(Immersive):用戶將感覺不到身體所處的外部環境而“融合”到虛擬世界中去;交互性(Interactive):用戶可通過三維交互設備直接控制虛擬世界中的對象并獲得反饋;虛擬環境中人的參與與反饋人機交互的有效性人機交互的實時性31虛擬現實_特點沉浸感(Immersive):用戶將感覺不虛擬現實_特點多感知性(Multi-Sensory):VR系統具有感知視、聽、觸、嗅、味等多種信息的能力;構想性（Imagination）：VR應具有廣闊的可想像空間，可拓寬人類認知范圍，不僅可再現真實存在的環境，也可以隨意構想客觀不存在的甚至是不可能發生的環境。32虛擬現實_特點多感知性(Multi-Sensory):V沉浸式虛擬現實系統（ImmersiveVR）增強式虛擬現實系統（AugmentedVR）桌面式虛擬現實系統（DesktopVR）分布式虛擬現實系統（DistributedVR）33虛擬現實系統分類沉浸式虛擬現實系統（ImmersiveVR）33虛擬現實系沉浸式虛擬現實系統是一種高級的、較理想的虛擬現實系統，它提供一個完全沉浸的體驗，使用戶有一種仿佛置身于真實世界之中的感覺。沉浸式ＶＲ系統

（ImmersiveVR）34沉浸式虛擬現實系統是一種高級的、較理想的虛擬現實系統，它提供沉浸式虛擬現實系統的特點具有高度實時性能。具有高度的沉浸感。具有良好的系統集成度與整合性能。具有良好的開放性。能同時支持多種輸入與輸出設備并行工作。

35沉浸式虛擬現實系統的特點具有高度實時性能。35桌面式虛擬現實系統也稱窗口虛擬現實，是利用個人計算機或初級圖形工作站等設備，以計算機屏幕作為用戶觀察虛擬世界的一個窗口，采用立體圖形、自然交互等技術，產生三維立體空間的交互場景，通過包括鍵盤、鼠標和力矩球等各種輸入設備操縱虛擬世界，實現與虛擬世界的交互。桌面式ＶＲ系統(DesktopVR)36桌面式虛擬現實系統也稱窗口虛擬現實，是利用個人計算機或初級圖桌面式虛擬現實系統的特點用戶處于不完全沉浸的環境，缺少完全沉浸、身臨其境的感覺，即使戴上立體眼鏡，仍然會受到周圍現實世界的干擾。對硬件設備要求低，有時甚至只需要計算機，或是增加數據手套、空間跟蹤設置等。由于其實現成本相對較低，所以應用相對普遍，而且它也具備了沉浸性虛擬現實系統的一些技術要求。37桌面式虛擬現實系統的特點用戶處于不完全沉浸的環境，缺少完全沉增強式VR系統(AugmentedVR)增強式虛擬現實系統既可以允許用戶看到真實世界，同時也可以看到疊加在真實世界上的虛擬對象，它是把真實環境和虛擬環境組合在一起的一種系統。終極目標：用戶感覺不到現實世界中的真實物體與用于增強視覺信息的虛擬物體之間的差別38增強式VR系統(AugmentedVR)增強式虛擬現實系統平視顯示器即抬頭顯示器（HeadUpDisplay），戰機飛行員的平視顯示器，它可以將儀表讀數和武器瞄準數據投射到安裝在飛行員面前的穿透式屏幕上，可以使飛行員不必低頭讀座艙中儀表的數據，從而可集中精力盯著敵人的飛機或導航偏差。39平視顯示器即抬頭顯示器（HeadUpDisplay），戰增強式虛擬現實系統的特點真實世界和虛擬世界融為一體。具有實時人機交互功能。真實世界和虛擬世界是在三維空間中整合的。40增強式虛擬現實系統的特點真實世界和虛擬世界融為一體。40分布式虛擬現實系統

（DistributedVR） 虛擬現實系統運行在分布式系統下有兩方面的原因：充分利用分布式計算機系統提供的強大計算能力；有些應用本身具有分布特性，如多人通過網絡進行游戲和虛擬戰爭模擬等。

41分布式虛擬現實系統

（DistributedVR）41各用戶具有共享的虛擬工作空間。偽實體的行為真實感。支持實時交互，共享時鐘。多個用戶可以各自不同的方式相互通信。資源信息共享以及允許用戶自然操縱虛擬世界中的對象。分布式虛擬現實系統的特點42各用戶具有共享的虛擬工作空間。分布式虛擬現實系統的特點42虛擬人_數字人美國主導和醞釀的幾個具有國際影響的研究計劃：人類基因組計劃(HumanGenomeProject,HGP)可視人計劃(VisibleHumanProject,VHP)虛擬人計劃(VirtualHumanProject,VHP)人類腦計劃(HumanBrainProject,HBP)等雖然有各自的研究目標，但在人體模型、人體信息的數字化研究上有著一定的內在聯系。為此，美國科學家聯盟(FAS)于2001年又將上述計劃概括為數字人計劃(DigitalHumanProject,DHP)。醫學應用43虛擬人_數字人美國主導和醞釀的幾個具有國際影響的研究計劃：醫虛擬人_數字人數字人計劃目標：實現人體從基因到分子、細胞、組織、器官、系統和整體的精確模擬。經歷4個發展階段“虛擬可視人”“虛擬物理人”“虛擬生理人”“虛擬智能人”44虛擬人_數字人數字人計劃44虛擬人外國虛擬人研究1989年美國國立醫學圖書館開始醞釀為“可視化人體計劃”。科羅拉多大學健康科學中心承擔數據獲取工作，第一套男性(斷面距離為1.0mm)、女性(斷面距離為0.33mm)VHP數據集分別于1994年、1995年完成并向世界公布。45虛擬人外國虛擬人研究45美國虛擬人1號46美國虛擬人1號46中國虛擬人研究2001年北京174次香山科學會議“中國數字化虛擬人體科技問題”啟動中國數字化虛擬人體的研究。第一軍醫大(南方醫科大學)中國虛擬人I號(男)，0.2mm；中國虛擬人II號(女)，0.1mm。47中國虛擬人研究2001年北京174次香山科學會議47虛擬現實技術在

中醫領域的應用經絡可視化顯示的研究虛擬針灸遠程脈診系統中醫四診教學系統48虛擬現實技術在

中醫領域的應用經絡可視化顯示的研究48經絡可視化顯示的研究例49經絡可視化顯示的研究例49基于虛擬現實技術的中醫針灸虛擬現實技術在

中醫領域的應用例50基于虛擬現實技術的中醫針灸虛擬現實技術在

中醫領域的應用例5515152525353遠程脈診系統虛擬現實技術在

中醫領域的應用例54遠程脈診系統虛擬現實技術在

中醫領域的應用例54虛擬現實技術

在西醫領域的應用藥物分子設計數字化虛擬人體試驗。解決以往必須先通過動物實驗、小樣本臨床驗證才能用于臨床實驗的時間跨度。55新藥研制苯乙烯分子球棍模型虛擬現實技術

在西醫領域的應用藥物分子設計55新藥研制苯乙烯醫學教育虛擬人體骨骼通過虛擬現實技術建立起人體結構模型，可以使學生通過人機交互對人體模型進行瀏覽，在模型內部“漫游”，能讓學生非常直觀、輕松學習解剖結構，發揮學習的主動性。虛擬現實技術

在西醫領域的應用56醫學教育通過虛擬現實技術建立起人體結構模型，可以使學生通過人醫學解剖57醫學解剖57虛擬解剖58虛擬解剖58標本的數字資料完整，提供完整的資源直觀的為學生創建人體器官的空間結構可重復對標本進行解剖操作，節省大量的資源教學時間和場所可靈活設置，實現自主開放性教學整合了大體、斷層、局部、系統解剖學課程，將獨立的課程有機的集合起來虛擬人體解剖的優勢59標本的數字資料完整，提供完整的資源虛擬人體解剖的優勢59培訓外科大夫以往培訓一位合格的外科醫生，要在上級醫生帶領下，長期在病人身上積累手術經驗。這種“練手藝”的過程，代價高、風險在、不具備重復性。虛擬現實技術

在西醫領域的應用60培訓外科大夫虛擬現實技術

在西醫領域的應用60運用虛擬現實技術可以使醫務工作者沉浸于虛擬的場景內，體驗并學習如何應付各種臨床手術的實際情況，通過視、聽、觸覺感知等多種感官了解和學習各種手術實際操作，對于年輕醫生可以經過在計算機上進行多次的手術仿真訓練，再上真正的手術臺，可極大的節約培訓醫務人員的費用和時間，依據專家的經驗創建出的手術專家系統還可以在訓練中進行必要的提示和指導。虛擬手術仿真訓練系統具有低代價、零風險、多重復性、自動指導的優點。虛擬患者可隨時“原地滿血”復活。虛擬現實技術

在西醫領域的應用61運用虛擬現實技術可以使醫務工作者沉浸于虛擬的場景內，體驗并學在虛擬手術中，醫生戴著數據手套，拿著虛擬手術刀，數據手套上配備位置跟蹤定位裝置，這樣虛擬現實系統便可以精確的跟蹤醫生的運動和位置，模擬產生醫生和虛擬病人之間的手術操作交互。一些類似手術儀器、而且可以提供力反饋的設備正在研制當中，他們可以提供手術刀或其他器械通過虛擬肌肉時的真實阻力。虛擬手術虛擬現實技術

在西醫領域的應用例62在虛擬手術中，醫生戴著數據手套，拿著虛擬手術刀，數據手套上配德國卡爾斯魯厄大學的虛擬腹腔鏡手術63德國卡爾斯魯厄大學的虛擬腹腔鏡手術63腰椎穿刺虛擬訓練系統64腰椎穿刺虛擬訓練系統64虛擬醫學手術仿真訓練是一種技術難度較大的應用。與其它虛擬現實應用相比，它的特點是：1、虛擬場景復雜，需要產生多層次、多種形態、相聯關系復雜的三維虛擬人體組織；2、人機交互性強，要求定位和反饋精確度高。虛擬手術虛擬現實技術

在西醫領域的應用65虛擬醫學手術仿真訓練是一種技術難度較大的應用。與其它虛擬現實技術難點：

1、仿真的逼真性較低，主要原因是不同虛擬人體組織（尤其是軟組織）的精確解剖結構和幾何模型細節層次的建立以及三維實時顯示算法仍有待進一步的改進和優化；

2、虛擬組織的各種行為模型（即真實動態物理模型，如在受到外力時的組織實時形變等）的建立還不夠完善和真實；虛擬手術虛擬現實技術

在西醫領域的應用66技術難點：虛擬手術虛擬現實技術

在西醫領域的應用663、多通道感覺的缺乏，目前研究大多集中于視覺效果的虛擬，對其他感覺通道如聽覺、觸覺等力反饋的表現較為缺乏，而在醫學手術中力的反饋是非常重要的；4、多種不同來源的三維醫學影像數據的融合和復雜模型的LOD模型優化等技術尚有待發展；由于人體數據的復雜程度高、量大，采用現有數據組合生成最終虛擬手術使用的人體模型數據集的建模方法還有待研究；5、由于西方人種與黃色人種在生理結構上有一定的差異，國外人體模型和研究產品并不能完全適應我國的需要。虛擬手術虛擬現實技術

在西醫領域的應用673、多通道感覺的缺乏，目前研究大多集中于視覺效果的虛擬，對其虛擬醫學手術仿真訓練的技術實現主要分為以下三個部分：1、醫學圖像的三維重建2、虛擬人體組織器官的物理建模3、虛擬手術器械與虛擬人體的碰撞檢測和力反饋虛擬手術虛擬現實技術

在西醫領域的應用68虛擬醫學手術仿真訓練的技術實現主要分為以下三個部分：虛擬手術

虛擬手術：逐步形成之中相關研究方向主要有：醫學可視化（MedicalVisualization）醫學增強現實（MedicalaugmentedReality）醫用機器人，手術模擬（SurgerySimulation）圖象引導手術（ImageGuidedSurgery）計算機輔助手術（ComputerAidedSurgery，ComputerAssistedSurgery）等69虛擬手術：69虛擬手術優點：手術方案能夠利用圖像數據，幫助醫生合理、定量地制定手術方案，對于選擇最佳手術路徑、減小手術損傷、減少對臨近組織損害、提高腫瘤定位精度、執行復雜外科手術和提高手術成功率等具有十分重要的意義。手術教學訓練80%的手術失誤是人為因素引起的，所以手術訓練極其重要。70虛擬手術優點：70虛擬手術其他優勢：保護醫生降低手術費用改善病人的預后建造定制的修復擬合模型遠程干預71虛擬手術其他優勢：71遠程外科手術是技術在醫學上的一個重要應用,其最初目的是能夠讓醫師在一個地球基站中對太空中的某個宇航員進行手術。斯坦福國際研究院已研制了一套遠程手術實驗系統。內布拉斯加州大學研究人員研制出的一種機器人機器人裝著輪子，高為7.5厘米。手術師通過電腦控制它們就可以在異地實施手術。機器人裝有攝像頭和照明燈可以將手術的畫面傳送給手術師。還裝有能夠進行遠程控制的手術器械。遠程外科手術虛擬現實技術在

西醫領域的應用72遠程外科手術是技術在醫學上的一個重要應用,其最初目的是能夠虛擬內窺鏡虛擬現實技術在

西醫領域的應用例73虛擬內窺鏡虛擬現實技術在

西醫領域的應用例73醫學圖像醫學圖象分割三維重建超聲圖像與虛擬現實相結合虛擬現實技術在

西醫領域的應用74醫學圖像虛擬現實技術在

西醫領域的應用74虛擬現實技術在

西醫領域的應用康復醫療美國加州的洛瑪琳達大學研制的“神經康復工作站”是一個應用壓力傳感器、生物傳感器及具有數據手套和視線跟蹤系統的可視化工作站,可用于診斷因嚴重事故或先天性疾病引起的身體缺陷,并針對患者缺乏運動的現象,讓其沉浸在與真實世界的物理規律不盡相同的虛擬現實之中,從而有助于恢復患者的感覺或運動障礙。75虛擬現實技術在

西醫領域的應用康復醫療75哈工大多功能手臂康復訓練機器人虛擬現實技術在

西醫領域的應用76哈工大多功能手臂康復訓練機器人虛擬現實技術在

西醫領域的應用治療恐懼癥的三維虛擬現實眼鏡

____以色列“無畏”診所原理：眼鏡的樣子很像普通的風鏡，治療時研究人員先讓患者放松，然后戴上三維虛擬現實眼鏡，通過計算機和傳感器讓使患者感到恐懼的虛擬物體或環境逐漸在病患面前呈現出來；傳感器數量越多，模擬的準確率越高，虛擬環境與現實就越接近。經過反復多次治療，患者對所見物體的恐懼感就會逐漸消除。效果：研究人員對4名恐飛癥患者進行了試驗性治療。開始時，患者通過傳感器可以感到飛機由靜止轉入滑行，重復幾次后，當患者對此的恐懼感明顯減小后，再模擬飛機飛行中的狀態。經過8個療程后，研究人員讓患者乘飛機進行了半個小時的實際飛行，結果這4名患者對飛行的恐懼感明顯好轉。恐飛癥77治療恐懼癥的三維虛擬現實眼鏡

____以色列“無原力與你同在謝謝大家！78原力與你同在謝謝大家！78醫學虛擬現實

@臨床醫療邱鵬山東中醫藥大學理工學院2012年11月醫學虛擬現實

@臨床醫療邱鵬一、概述

二、生物醫學工程研究的主要內容

三、醫院中的生物醫學工程——臨床工程

四、醫學虛擬現實80一、概述

二、生物醫學工程研究的主要內容

三、醫院中的生物醫一、概述定義內涵特點81一、概述定義3什么叫生物醫學工程

生物醫學工程（BiomedicalEngineering,BME）是運用自然科學和工程技術的原理和方法，研究人的生理、病理過程，揭示人體的生命現象，并從工程角度解決防病治病問題的一門綜合性學科。一、概述82什么叫生物醫學工程一、概述4美國國立衛生研究院有關名詞命名專家組的定義：

生物醫學工程學是結合物理學、化學、數學和計算機科學與工程學原理，從事生物學、醫學、行為學或衛生學的研究：①提出基本概念，產生從分子水平到器官水平的知識；②開發創新的生物學制品、材料、加工方法、植入物、器械和信息學方法；③用于疾病預防、診斷和治療，病人康復，改善衛生狀況等目的。一、概述83美國國立衛生研究院有關名詞命名專家組的定義：一、概述5早期的生物醫學工程也稱為醫學工程學(MedicalEngineering)：綜合運用數理科學原理和現代工程技術研究和解決基礎醫學和臨床醫學中問題的分支學科。

臨床工程學（或臨床醫學工程學）(ClinicalEngineering)：綜合運用數理科學原理和現代工程技術的理論和方法研究、解決臨床醫學實際問題的分支學科。一、概述84早期的生物醫學工程也稱為醫學工程學(MedicalEngi生物醫學工程是工程學與生物醫學結合的產物理念上是綜合與分析的結合結果上是工程技術或產品為生物醫學服務一、概述85生物醫學工程是工程學與生物醫學結合的產物一、概述7工程學（綜合）生物醫學工程學科的內涵工程學（綜合）信息反饋市場產品生物醫學（分析）醫學檢驗裝置開發理論想法86工程學（綜合）生物醫學工程學科的內涵工程學（綜合）信息反饋市生物醫學工程學科的特點生物醫學工程學工程學電子學計算機科學力學材料科學機械制造學-----------生物醫學生物學神經科學內科學外科學矯形科學

--------綜合分析87生物醫學工程學科的特點工程學生物醫學綜合分析9二、生物醫學工程

主要研究內容88二、生物醫學工程

主要研究內容10醫學道德與倫理解剖與生理生物力學康復工程與輔助技術生物材料學組織工程學生物醫學儀器生物醫學傳感器生物信號處理生物電現象生物醫學工程主要研究內容生物系統建模與仿真基因組學和生物信息學計算生物學與復雜性理論放射成像醫學成像光學和激光在生物醫學中的應用數字化醫療設備和技術微型診療系統…………89醫學道德與倫理生物醫學工程主要研究內容生物系統建模與仿真11生物材料的應用例90生物材料的應用例12模型及仿真的實例心臟模型的計算機仿真膝關節模型的計算機仿真例91模型及仿真的實例心臟模型的計算機仿真膝關節模型的計算機仿真例電學模型計算機模型教學模型力學模型心臟例92電學模型計算機模型教學模型力學模型心臟例14微型診療系統

－－消化道檢測膠囊美國SmartPillDiagnositics,Inc.研制的SmartpillTM

智能藥丸，用于監測胃腸道壓力和腸道運轉時間。美國Medtronic公司的BravoTM藥丸可吸附在食道上實時監測PH值，已進入臨床。例93微型診療系統

－－消化道檢測膠囊美國SmartPillDi消化道微型手術機器人韓國膠囊式內窺鏡機器人（Endoscopicmicrocapsule），在多關節式藥丸系統中，集成了微型攝像頭、微型泵、組織活檢鉗、PH值傳感器等微型設備，系統具有主動運動與姿態控制功能，可以完成局部藥物釋放、圖像采集、PH值測定、組織活檢、治療等多種功能。例94消化道微型手術機器人韓國膠囊式內窺鏡機器人（Endoscop三、醫院中的生物醫學工程

——臨床工程95三、醫院中的生物醫學工程

——臨床工程17臨床工程的定義與內涵醫療儀器設備工程醫院信息工程醫療影像信息工程遠程醫療工程臨床診斷醫療工程臨床工程的學科建設臨床工程96臨床工程的定義與內涵臨床工程18臨床工程學臨床工程醫療儀器設備工程醫院信息工程醫療影像工程遠程醫療診斷醫療工程臨床工程學

(ClinicalEngineering)：

綜合運用數理科學原理和現代工程技術的理論和方法研究、解決臨床醫學實際問題的分支學科。97臨床工程學臨床工程醫療儀器醫院醫療遠程醫療診斷醫療臨床工程學國家教委已在2004年明確我國生物醫學工程專業教育的方向和目標，從生物醫學工程與儀器、生物材料與組織工程、生物醫學信息、臨床工程四個方向向國際先進水平靠近。國家衛生部醫院管理研究所和中華醫學會醫學工程學會也于2005年開始了“臨床工程師資格認證”工作。盡管還沒有相應的法律、法規支持和納入規范化，但這一大步的前進仍具有可喜可賀的里程碑意義。BME專業教育和人才培養98國家教委已在2004年明確我國生物醫學工程專業教育的方向和目臨床診斷醫療工程臨床診斷醫療工程計算機輔助外科手術放射治療系統虛擬現實技術在醫學中的應用理療影像診斷99臨床診斷醫療工程臨床診斷醫療工程計算機輔助外科手術放射治（一）、定義利用數字影像、計算機及空間定位技術制定合理的手術方案并進行手術模擬。CAS基于計算機，對大量數據信息高速處理及控制更安全、更準確。它可以對圖像進行三維重建和融合，術前充分評估患者的情況，規劃手術路徑、方案，模擬手術。術中追蹤手術器械，引導手術。確定手術范圍，從而使外科手術更加精確、安全和微創化。

計算機輔助外科手術

(computeraidedsurgery，CAS)100（一）、定義計算機輔助外科手術

(computeraid醫學圖像CTMRIPETDSADRI外科醫生結合圖像立體定位系統光學定位機械定位超聲定位電磁定位患者手術器械配合配準跟蹤三維顯示（二）、組成101醫學圖像外科醫生結合圖像立體定位系統患者手術配合配準跟蹤三維1、光學定位法2、機械手定位法3、超聲波定位法4、電磁定位法5、混合定位系統（三）、立體定位系統1021、光學定位法（三）、立體定位系統24（四）、配準用計算機圖像處理技術將各種影像模式投影在一個坐標系下，融合成新的醫學模式。按操作分為:基于外部特征基于內部特征103（四）、配準25（五）、應用神經外科術血管畸形手術脊椎手術內鏡手術關節置換手術耳鼻喉科手術骨科手術教學104（五）、應用神經外科術血管畸形手術脊椎手術內鏡手術關節置四、醫學虛擬現實計算機和電子技術創造的新世界看似真實的模擬世界105四、醫學虛擬現實計算機和電子技術創造的新世界27虛擬現實（VirtualReality，VR）：一種基于可計算信息的沉浸式交互環境。采用以計算機技術為核心的現代高科技生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環境，用戶借助必要的設備以自然的方式與虛擬環境中的對象進行交互、相互影響，從而產生等同親臨真實環境的感受和體驗。虛擬現實106虛擬現實（VirtualReality，VR）：一種基于可虛擬現實_范疇虛擬現實是高度發展的計算機技術在各種領域的應用過程中的結晶和反映。圖形學圖像處理模式識別網絡技術并行處理人工智能……數學物理通信氣象地理美學心理學社會學……107虛擬現實_范疇虛擬現實是高度發展的計算機技術在各種領域的應用虛擬現實_關鍵技術實物虛化：現實世界空間向多維信息化空間的一種映射，主要包括基本模型構建、空間跟蹤、聲音定位、視覺跟蹤和視點感應等。虛物實化：確保用戶從虛擬環境中獲取同真實環境中一樣或相似的視覺、聽覺、力覺和觸覺等感官認知。高性能計算處理技術：主要包括數據轉換和數據預處理技術；實時、逼真圖像生成與顯示技術；多種聲音的合成與聲音空間化技術等。108虛擬現實_關鍵技術實物虛化：現實世界空間向多維信息化空間的一虛擬現實_特點沉浸感(Immersive):用戶將感覺不到身體所處的外部環境而“融合”到虛擬世界中去;交互性(Interactive):用戶可通過三維交互設備直接控制虛擬世界中的對象并獲得反饋;虛擬環境中人的參與與反饋人機交互的有效性人機交互的實時性109虛擬現實_特點沉浸感(Immersive):用戶將感覺不虛擬現實_特點多感知性(Multi-Sensory):VR系統具有感知視、聽、觸、嗅、味等多種信息的能力;構想性（Imagination）：VR應具有廣闊的可想像空間，可拓寬人類認知范圍，不僅可再現真實存在的環境，也可以隨意構想客觀不存在的甚至是不可能發生的環境。110虛擬現實_特點多感知性(Multi-Sensory):V沉浸式虛擬現實系統（ImmersiveVR）增強式虛擬現實系統（AugmentedVR）桌面式虛擬現實系統（DesktopVR）分布式虛擬現實系統（DistributedVR）111虛擬現實系統分類沉浸式虛擬現實系統（ImmersiveVR）33虛擬現實系沉浸式虛擬現實系統是一種高級的、較理想的虛擬現實系統，它提供一個完全沉浸的體驗，使用戶有一種仿佛置身于真實世界之中的感覺。沉浸式ＶＲ系統

（ImmersiveVR）112沉浸式虛擬現實系統是一種高級的、較理想的虛擬現實系統，它提供沉浸式虛擬現實系統的特點具有高度實時性能。具有高度的沉浸感。具有良好的系統集成度與整合性能。具有良好的開放性。能同時支持多種輸入與輸出設備并行工作。

113沉浸式虛擬現實系統的特點具有高度實時性能。35桌面式虛擬現實系統也稱窗口虛擬現實，是利用個人計算機或初級圖形工作站等設備，以計算機屏幕作為用戶觀察虛擬世界的一個窗口，采用立體圖形、自然交互等技術，產生三維立體空間的交互場景，通過包括鍵盤、鼠標和力矩球等各種輸入設備操縱虛擬世界，實現與虛擬世界的交互。桌面式ＶＲ系統(DesktopVR)114桌面式虛擬現實系統也稱窗口虛擬現實，是利用個人計算機或初級圖桌面式虛擬現實系統的特點用戶處于不完全沉浸的環境，缺少完全沉浸、身臨其境的感覺，即使戴上立體眼鏡，仍然會受到周圍現實世界的干擾。對硬件設備要求低，有時甚至只需要計算機，或是增加數據手套、空間跟蹤設置等。由于其實現成本相對較低，所以應用相對普遍，而且它也具備了沉浸性虛擬現實系統的一些技術要求。115桌面式虛擬現實系統的特點用戶處于不完全沉浸的環境，缺少完全沉增強式VR系統(AugmentedVR)增強式虛擬現實系統既可以允許用戶看到真實世界，同時也可以看到疊加在真實世界上的虛擬對象，它是把真實環境和虛擬環境組合在一起的一種系統。終極目標：用戶感覺不到現實世界中的真實物體與用于增強視覺信息的虛擬物體之間的差別116增強式VR系統(AugmentedVR)增強式虛擬現實系統平視顯示器即抬頭顯示器（HeadUpDisplay），戰機飛行員的平視顯示器，它可以將儀表讀數和武器瞄準數據投射到安裝在飛行員面前的穿透式屏幕上，可以使飛行員不必低頭讀座艙中儀表的數據，從而可集中精力盯著敵人的飛機或導航偏差。117平視顯示器即抬頭顯示器（HeadUpDisplay），戰增強式虛擬現實系統的特點真實世界和虛擬世界融為一體。具有實時人機交互功能。真實世界和虛擬世界是在三維空間中整合的。118增強式虛擬現實系統的特點真實世界和虛擬世界融為一體。40分布式虛擬現實系統

（DistributedVR） 虛擬現實系統運行在分布式系統下有兩方面的原因：充分利用分布式計算機系統提供的強大計算能力；有些應用本身具有分布特性，如多人通過網絡進行游戲和虛擬戰爭模擬等。

119分布式虛擬現實系統

（DistributedVR）41各用戶具有共享的虛擬工作空間。偽實體的行為真實感。支持實時交互，共享時鐘。多個用戶可以各自不同的方式相互通信。資源信息共享以及允許用戶自然操縱虛擬世界中的對象。分布式虛擬現實系統的特點120各用戶具有共享的虛擬工作空間。分布式虛擬現實系統的特點42虛擬人_數字人美國主導和醞釀的幾個具有國際影響的研究計劃：人類基因組計劃(HumanGenomeProject,HGP)可視人計劃(VisibleHumanProject,VHP)虛擬人計劃(VirtualHumanProject,VHP)人類腦計劃(HumanBrainProject,HBP)等雖然有各自的研究目標，但在人體模型、人體信息的數字化研究上有著一定的內在聯系。為此，美國科學家聯盟(FAS)于2001年又將上述計劃概括為數字人計劃(DigitalHumanProject,DHP)。醫學應用121虛擬人_數字人美國主導和醞釀的幾個具有國際影響的研究計劃：醫虛擬人_數字人數字人計劃目標：實現人體從基因到分子、細胞、組織、器官、系統和整體的精確模擬。經歷4個發展階段“虛擬可視人”“虛擬物理人”“虛擬生理人”“虛擬智能人”122虛擬人_數字人數字人計劃44虛擬人外國虛擬人研究1989年美國國立醫學圖書館開始醞釀為“可視化人體計劃”。科羅拉多大學健康科學中心承擔數據獲取工作，第一套男性(斷面距離為1.0mm)、女性(斷面距離為0.33mm)VHP數據集分別于1994年、1995年完成并向世界公布。123虛擬人外國虛擬人研究45美國虛擬人1號124美國虛擬人1號46中國虛擬人研究2001年北京174次香山科學會議“中國數字化虛擬人體科技問題”啟動中國數字化虛擬人體的研究。第一軍醫大(南方醫科大學)中國虛擬人I號(男)，0.2mm；中國虛擬人II號(女)，0.1mm。125中國虛擬人研究2001年北京174次香山科學會議47虛擬現實技術在

中醫領域的應用經絡可視化顯示的研究虛擬針灸遠程脈診系統中醫四診教學系統126虛擬現實技術在

中醫領域的應用經絡可視化顯示的研究48經絡可視化顯示的研究例127經絡可視化顯示的研究例49基于虛擬現實技術的中醫針灸虛擬現實技術在

中醫領域的應用例128基于虛擬現實技術的中醫針灸虛擬現實技術在

中醫領域的應用例5129511305213153遠程脈診系統虛擬現實技術在

中醫領域的應用例132遠程脈診系統虛擬現實技術在

中醫領域的應用例54虛擬現實技術

在西醫領域的應用藥物分子設計數字化虛擬人體試驗。解決以往必須先通過動物實驗、小樣本臨床驗證才能用于臨床實驗的時間跨度。133新藥研制苯乙烯分子球棍模型虛擬現實技術

在西醫領域的應用藥物分子設計55新藥研制苯乙烯醫學教育虛擬人體骨骼通過虛擬現實技術建立起人體結構模型，可以使學生通過人機交互對人體模型進行瀏覽，在模型內部“漫游”，能讓學生非常直觀、輕松學習解剖結構，發揮學習的主動性。虛擬現實技術

在西醫領域的應用134醫學教育通過虛擬現實技術建立起人體結構模型，可以使學生通過人醫學解剖135醫學解剖57虛擬解剖136虛擬解剖58標本的數字資料完整，提供完整的資源直觀的為學生創建人體器官的空間結構可重復對標本進行解剖操作，節省大量的資源教學時間和場所可靈活設置，實現自主開放性教學整合了大體、斷層、局部、系統解剖學課程，將獨立的課程有機的集合起來虛擬人體解剖的優勢137標本的數字資料完整，提供完整的資源虛擬人體解剖的優勢59培訓外科大夫以往培訓一位合格的外科醫生，要在上級醫生帶領下，長期在病人身上積累手術經驗。這種“練手藝”的過程，代價高、風險在、不具備重復性。虛擬現實技術

在西醫領域的應用138培訓外科大夫虛擬現實技術

在西醫領域的應用60運用虛擬現實技術可以使醫務工作者沉浸于虛擬的場景內，體驗并學習如何應付各種臨床手術的實際情況，通過視、聽、觸覺感知等多種感官了解和學習各種手術實際操作，對于年輕醫生可以經過在計算機上進行多次的手術仿真訓練，再上真正的手術臺，可極大的節約培訓醫務人員的費用和時間，依據專家的經驗創建出的手術專家系統還可以在訓練中進行必要的提示和指導。虛擬手術仿真訓練系統具有低代價、零風險、多重復性、自動指導的優點。虛擬患者可隨時“原地滿血”復活。虛擬現實技術

在西醫領域的應用139運用虛擬現實技術可以使醫務工作者沉浸于虛擬的場景內，體驗并學在虛擬手術中，醫生戴著數據手套，拿著虛擬手術刀，數據手套上配備位置跟蹤定位裝置，這樣虛擬現實系統便可以精確的跟蹤醫生的運動和位置，模擬產生醫生和虛擬病人之間的手術操作交互。一些類似手術儀器、而且可以提供力反饋的設備正在研制當中，他們可以提供手術刀或其他器械通過虛擬肌肉時的真實阻力。虛擬手術虛擬現實技術

在西醫領域的應用例140在虛擬手術中，醫生戴著數據手套，拿著虛擬手術刀，數據手套上配德國卡爾斯魯厄大學的虛擬腹腔鏡手術141德國卡爾斯魯厄大學的虛擬腹腔鏡手術63腰椎穿刺虛擬訓練系統142腰椎穿刺虛擬訓練系統64虛擬醫學手術仿真訓練是一種技術難度較大的應用。與其它虛擬現實應用相比，它的特點是：1、虛擬場景復雜，需要產生多層次、多種形態、相聯關系復雜的三維虛擬人體組織；2、人機交互性強，要求定位和反饋精確度高。虛擬手術虛擬現實技術

在西醫領域的應用143虛擬醫學手術仿真訓練是一種技術難度較大的應用。與其它虛擬現實技術難點：

1、仿真的逼真性較低，主要原因是不同虛擬人體組織（尤其是軟組織）的精確解剖結構和幾何模型細節層次的建立以及三維實時顯示算法仍有待進一步的改進和優化；

2、虛擬組織的各種行為模型（即真實動態物理模型，如在受到外力時的組織實時形變等）的建立還