虚拟现实(VR)已经成为一种强大的医学工具,它超越了娱乐,进入了高摄取的临床和工程环境。 通过创造浸润的三维数字环境,VR可以让外科医生和装置工程师以以前不可能的方式与准确的解剖模型和装置原型相互作用。 这一技术现在对于手术前规划(在其中可以提高手术精度和降低风险 ) , 以及医疗设备测试(在其中可以加速发展和增强安全 ) , 并且可以探索VR在这两个关键领域的机制、好处和未来潜力。

技术基金会:VR如何创建医学-学分模拟

医学用VR的核心是将患者特有的成像数据转换成交互式的三维模型,如CT、核磁共振和超声扫描。 这个过程被称为医学图像分解,它涉及将骨骼、血管、肿瘤和器官等解剖结构从周围组织中分离出来。 先进的算法和深层学习工具现在可以使大部分工作自动化,在几分钟内产生患者解剖学的详细数字双胞胎。 这些模型然后被导入VR引擎,可以在那里通过耳机或投影系统来观察,并被操纵和附加说明。

设备测试时,工程师使用计算机辅助设计软件构建虚拟原型,并将它们导入到同样的VR环境中。 用户 — — 无论是外科医生、生物医学工程师还是监管专家 — — 几乎都能接应、检查和操作设备。 Haptic反馈系统甚至可以模拟操纵组织或部署静态的触觉感,为模拟增加一层现实主义。

虚拟现实的预操作规划

手术前规划一直依赖于2D成像和精神重建。 VR用直接的浸润性探索取代猜测。 使用VR的外科医生几乎可以“飞过”患者的血管系统,检查骨折角度,或者规划肿瘤切除的最佳切口路径。 这种方法已经跨入多个手术专业,包括心脏手术、神经外科、矫形手术和肝外科。

案例研究:神经外科

在神经外科中,VR计划允许外科医生在肿瘤周围探索大脑复杂的解剖学。 他们可以叠加功能性核磁共振数据,以识别必须保存的雄辩皮质区。 通过在VR中重新排练方法,外科医生团队可以将临界结构受损的风险降到最低,缩短麻醉所需的时间。 研究表明,VR援助计划可以减少手术错误,改善复杂的颅骨手术结果。

案例研究:矫形外科

对于联合替换和脊椎手术,VR可以精确的测距和放置植入物. 外科医生可以测试不同的植入配置,实际上,调整对齐,不需要物理模型. 这对非典型解剖学的患者来说特别有价值,比如严重畸形或以前的硬件. JMIR Medical Information 中发表的2023年系统审查发现,VR协助的手术前规划将某些整形程序的平均时间缩短了20%.

行动前规划中的自愿康复的好处

  • 复杂结构的增强可视化 – 3D模型显示2D切片无法传递的深度和空间关系.
  • 改进外科精度[ – VR中的排练有助于确定最佳的切入点和轨迹,减少手术内调整.
  • 减少并发症的风险 ——预见困难角度或脆弱船只等挑战,可以采取主动积极的策略.
  • 更好的病人交流 – 外科医生可以向病人展示他们计划外科的视觉走行部,改善知情同意和信任.

使用虚拟现实进行医疗设备测试

开发新的医疗设备——从导管和刺刀到手术机器人和可移植传感器——传统上涉及迭代物理原型和肉身或动物测试。 VR会增加或取代其中一些步骤,提供更快、更便宜和更合乎道德的替代方案。 工程师可以将设备设计导入人体解剖模拟的VR中,并实时观察其功能。

设计缺陷的早期发现

VR模拟可以先测试设备的对齐性,灵活性,以及与组织的互动,然后再投资昂贵的工具。 比如,开发新血管结晶的公司可以模拟在患者特定主动脉拱形模型中的部署。 如果结晶在临界点无法与曲率或动脉相匹配,则可以修改设计,从而节省数周的机械和实验室测试。

人类因素和体能测试

设备可用性是FDA清除的一个主要因素。 VR可以模拟手术室的物理环境,并配以手动、视线和时间压力。 开发者可以与具有代表性的用户(外科医生、护士)进行虚拟可用性测试,以评估抓住、按键放置和整体人造工程。 这有助于在临床试验开始前及早发现问题。

加快监管审批.

类似FDA这样的监管机构已经承认VR是收集支持设备应用的证据的有效工具。 在某些情况下,虚拟测试可以取代长凳或动物测试,以获取特定参数。 FDA的医疗设备创新联合会在硅化试验中强调,这是一个优先领域,以减少安全设备上市的时间和成本。

设备测试中的 VR 优点

  • 低效原型评价 – 消除早期物理模型的物质成本.
  • 较快的迭代周期 – 设计变化可以在小时而不是天数内进行测试.
  • 改进的装置人造工程学和功能 – 模拟临床条件下的性能得到更彻底的评估.
  • 通过虚拟模拟增强安全[ – 罕见或有风险的故障模式可以在没有病人伤害的情况下探索.

将VR与其他数字技术相结合

VR并不是孤立的。最有效的执行结合了人工智能(AI),机器学习,以及3D打印。AI可以自动化分解,并建议最佳设备布置。机器学习算法可以基于VR排练数据预测手术结果。从VR设计中打印物理模型的3D可以进行混合测试 — — 数字透视在有形原型上验证。这些趋同将医学VR超越新颖性推向标准实践。

另一个新兴趋势是实际手术中使用增强现实(AR)的叠加,这些叠加在手术前的VR规划基础上提供了实时指导。 在这个工作流程中,VR计划成为AR显示的参考,让外科医生能够看到通过患者身体突出的关键结构。 这种规划和手术内导航的结合代表了图像引导外科的下一个演变。

挑战和限制

尽管人们承诺,在医疗领域采用VR仍然面临障碍。 硬件和软件的初始投资可能相当大。 高可靠性医疗VR需要强大的计算和高分辨率耳机,在较小的医院或发展中国家可能无法使用。 此外,建立针对患者的模型需要专门人员 — — 通常是专门的生物医学工程师 — — 能够处理成像数据和进行模拟。

用户舒适是另一个问题:少数个人在延长的VR课中会经历运动病症或眼疲劳。虽然这与现代耳机和优化帧率不太常见,但仍对广泛采用构成障碍。 标准化也滞后:医学VR模型没有通用的文件格式或质量衡量标准,因此难以比较研究或共享跨机构的模型。

最后,基于VR的规划和测试的监管路径仍在发展之中。 尽管FDA发布了关于将计算模型作为医疗设备的指南,但许多用于规划的VR工具本身被归类为医疗设备,需要经过审核,这增加了开发的时间和成本。

未来方向

展望未来,医疗领域的VR预计将变得更加个性化、协作和智能化。 云基VR平台将允许来自不同设施的手术团队一起实时规划一个程序。 先进的运动跟踪和眼跟踪将为可用性测试提供更丰富的数据。 随着基因AI的改进,可能很快不仅模拟静态解剖过程,而且模拟动态过程 — — 类似血液流动、组织反应或设备随时间推移而退化。

使用甚高频仪器测试可能会扩大为虚拟临床试验[,在代表数千个解剖变体的虚拟人群中测试一个仪器的性能。 这种试验可以减少传统临床研究的需求,加快新技术的获取。 公司和研究团体已经在“]”医疗器械开发工具计划等举措的支持下探索这一方法。

结论

虚拟现实正在改变外科医生如何准备复杂的程序和医疗器械如何测试。 通过对病人解剖和器械功能的浸润和互动探索,VR为医疗决策带来了前所未有的清晰度和信心。技术减少了手术风险、缩短了程序时间、加快了设备开发,改善了病人的沟通。 尽管挑战依然存在 — — 包括成本、标准化和监管清晰度 — — 轨迹是明确的。 随着VR硬件变得更为负担得起,软件也变得更为智能,它在手术前规划和医疗器械测试中的作用只会增加,导致更安全的手术、更有效的器械和更好的病人结果。 对于任何从事手术创新或医疗器械设计的组织来说,投资于VR能力已不再是可选的 — 这一点已变得至关重要。