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不是玩玩而已:VR + 醫療的野望

2016 年 08 月 02 日

作者 / 黃宇軒,台大眼科兼任主治醫師,民生承安專任主治醫師,台大資訊工程博士。

幾年前選修虛擬實境(VR)課程時,「什麼樣的應用必須使用虛擬實境技術?」是教授課堂上最喜歡分組討論的問題之一。嗶!時間到,你的答案想好了嗎?

在 VR 漸漸走入日常生活的 2016 年,隨意便可舉出好幾種應用,如果再深入分析,你是否察覺它們具有一些共通的性質呢?歸納後會發現,它們大部份是「危險的」、「貴的」或是「罕見的」體驗,只要具備這三者任一種特質,VR 技術派得上用場。可是若是問我有沒有辦法三個願望一次滿足(又危險又貴又罕見)?我會說,歡迎來到醫療的世界!

沒有重來的機會

醫療與其他領域最大的差異,在於對「錯誤」的容忍度極低。舉例來說,每個人都遇過電腦當機,雖然不一定是工程師,但你一定會知道最簡單的方法:重開機!。電腦可以重開機,程式有臭蟲(bug)可以花上幾天甚至幾週的時間慢慢除蟲(debug),然而面對來勢洶洶的病情變化,或是步步驚險的手術戰場,醫師可沒有「上一步」或「重開機」的選項,幾秒內就得做出正確的決定。病患也沒有「從上一次的儲存點繼續」的機會,這就如走鋼索般,一個不小心就「掰掰」了!

你或許會想到「一萬個小時定律」,透過反覆的練習是否能讓醫師熟能生巧?這麼說只對了一半,一位醫師的養成需要十年以上,肯定有超過一萬個小時的基礎訓練,但需要使用特殊設備的檢查或技術則不容易達到。一來醫療設備的價格動輒百萬到上億(如達文西手術機器人),很難另外準備一套作為練習使用,所以只能在常規工作外的空檔時間,在特定的空間如檢查室或開刀房裡練習;另一方面,每次使用還得搭配高價的一次性耗材,讓練習的次數也受到限制。如此昂貴高價的門檻,成為醫療訓練中一個亟待克服的問題。

模擬訓練的用處

飛行員使用的飛行模擬器,同樣昂貴、稀有、不能重來,這樣的概念是否也能應用於醫療領域中呢?醫師與機師的相同處在於,他們都肩負著許多人的性命安全,不容得一絲閃失。但也有相異處,例如同型號的飛機有著相同的結構與操作方式,但兩個病患的組織與病情卻不會完全相同。現在有許多先進的檢查設備如電腦斷層、核磁共振等,能在手術前提供病灶的影像評估,在手術進行中協助定位,但真實的狀況還是得在醫師下刀後才能驗證。例如組織的韌度彈性、血管的走向變異或是腫瘤的沾黏及範圍等,都不易事前預測。此外,有一些疾病或手術的狀況較為罕見,在傳統的醫學訓練過程中很難遇到,若能透過模擬的方式,將個體差異與罕見病例事前演練,確實能協助醫師更快進入狀況。

圖片來源:Medical Realities
圖片來源:Medical Realities

透過以上的說明,希望能讓各位對於醫療領域的三大性質:「危險」、「昂貴」及「罕見」有初步的了解,接下來將透過深入的分析,來說明 VR 於醫療領域的應用方向與技術需求。根據醫療行為上的差異,VR 應用可大致可分成非侵入性治療、非侵入性檢查、侵入性治療以及手術四大類。以下針對此四大類分別說明:

非侵入性治療

利用 VR 沉浸式的效果,讓病患在安全的前提下,置身於特殊安排的場景中,藉由漸進式調節刺激的強度,來達到治療懼高症或對特定物體(如蜘蛛)恐懼症的效果。若在沉浸式環境裡,再加入互動性高的小遊戲(例如丟雪球),則可將使用者的注意力有效轉移,進而抑制大腦的疼痛訊號。國外的研究透過功能性核磁共振掃描腦部的變化,已證實 VR 沉浸式遊戲能有效緩解燒燙傷病患於換藥過程中的疼痛感,而同樣的技術也能運用在其他需要疼痛控制的病人身上。

非侵入性檢查

超音波是一種廣泛應用於醫療的非侵入性檢查技術,只要將探頭放在想檢查的部位上,就能穿過層層組織,看到人體內部結構與即時動態。例如健康檢查常見的心臟超音波、腹腔超音波,孕婦產檢時的胎兒超音波等,甚至眼睛內部的狀況也可以透過超音波來立即掌握。超音波的優點是手持即可操作,探頭可以移動旋轉,從不同角度來快速檢查同一個病灶。不過在探頭移動的過程中,操作者一方面要根據經驗決定下一個掃描點,同時得在腦中馬上將看到的 2D 畫面重組成一個立體的結構,學習的難度相當高。更大的挑戰是,被檢查的器官如果沒有接受手術探查,便不知道實際的狀況是否與檢查時的判斷相符,而無法透過反饋來改善操作者的能力。若能透過 VR 技術來模擬超音波的檢查過程,醫師不但能對各種罕見的病例反覆練習,最大的優勢是能直接看到完整的 3D 模型,進而找到最佳的掃描位置及角度,並可立即核對判讀結果的正確性,是此類非侵入性檢查非常好的訓練工具。

侵入性治療

不幸發生失誤時,非侵入性的醫療行為一般不會對病患直接造成傷害,但侵入性治療則可能造成不同程度的損傷,甚至有生命危險。例如使用大腸鏡切除大腸息肉、透過膀胱鏡進行攝護腺切除,或是經心導管放置心臟冠狀動脈支架等,這些都屬於侵入性治療。此類型的技術有一個特點,操作者通常無法直接看到要進行治療的部位,而是由影像裝置捕捉的間接畫面來引導操作過程,像是各種內視鏡前端的攝影鏡頭,或是做心導管時需要的即時 X 光透視畫面。

膀胱鏡模擬

心導管模擬

所以醫師首先要能繞過人體內各種曲折的障礙,將內視鏡或導管送入正確的位置,清楚地看到目標,接著再同時操作特殊的器械如電刀或支架來完成處置。運用 VR 技術,可以讓醫師在人體模型上操作仿真的器械,取得動作資訊後,再透過電腦即時運算出逼真的互動畫面。如此一來,不論是切割、穿刺、抓取或電燒等技巧,都可以在系統中反覆練習,還能比較同一病例以不同方式處理的結果,因此操作技術與治療策略的學習效率都能有效提升,特殊病例也能利用事前演練來增加實際操作時的安全性。

手術

外科手術的困難度大家不難想像,如果能運用 VR 技術模擬可能發生的狀況,並在事前多次演練手術計畫,對醫師與病人來說都是多一份保障。但目前的 VR 技術是否真的能建構出真實手術的樣貌呢?在討論這個問題前,我們應該先將手術分類,筆者認為「手術視野」(術野)是一個在醫療領域與 VR 技術上都具有代表性的分類依據。術野直覺上會連結到模擬的範圍,這當然與建模、渲染等技術相關。另一方面,術野大小與位置的差異,會限制適用的器械種類及數量,這些與輸入動作的捕捉技術還有互動運算需要的物理模擬有關,是目前主要的技術瓶頸。根據術野的不同,可將手術分成使用內視鏡在體腔內操作的微創手術,顯微鏡下進行的顯微手術,以及「開膛剖肚」的標準手術三大類。

圖片來自:Pixabay
圖片來自:Pixabay

微創手術

微創手術的做法與上一段談到的侵入性治療有點類似,但伸入體內的器械從一支增加至 3~4 支,活動範圍從狹長的管道中擴大到整個體腔,並且需要 2~3 人協同合作才能完成。要做到同時多器械的動作追蹤,技術上得克服的是「識別」(哪一支在動作)與互相「遮擋」的問題,好在這些動作都是在一個獨立的空間(假體腔)中進行,並且不會有手的干擾,因此可以靠操縱手把上的感測器配合光學追蹤技術來達成。與其他兩類手術相比,在現實中因醫師動作受限而不容易學習的微創手術,反而得利於其較低的自由度,成為比較容易模擬的類型,市面上的產品亦多屬此類(腹腔鏡手術)。

顯微鏡下進行的顯微手術

在模擬顯微手術時,還會遇到兩種挑戰:顯微鏡的視覺模擬,以及精細動作的準確追蹤。談到 VR,通常會聯想到頭戴式顯示器,以及戴上後看到的較為廣闊的視野。增加視野範圍通常能提供沉浸式的視覺感受,但這卻與觀察顯微鏡時的體驗恰好相反。如果對顯微鏡比較陌生的讀者,可以回想一下使用望遠鏡時,是不是會看到兩個比一般視野狹窄的圓形畫面呢?同樣的,透過顯微鏡看到的也是視野窄但解析度高的畫面,如果想要模擬,便需要專門設計的硬體才能辦到。再者,顯微鏡下進行的都是像細小血管接合這類精密的手術,器械移動的幅度通常只在幾毫米之間。

除了非常昂貴的電磁追蹤技術外,目前市售的動作捕捉產品都無法提供這麼高的空間解析度,同樣也是要仰賴專門設計的硬體,如微型的機器手臂(神經外科手術)或特殊的紅外線攝影機(眼科手術)等,才能獲得足夠的準確性。因此,使用 VR 來模擬顯微手術的技術門檻較高,市場上能看到的產品也相對的少。

標準手術

再來是大家比較熟悉的標準手術,也就是先創造一個大型的開口,將目標區域完整地暴露出來後,再使用外科醫師的雙手搭配器械直接對器官組織進行操作。這種手術因為術野大而且清楚,可讓主刀醫師與學習中的助手醫師一起觀看不受阻擋,加上手部敏感的觸覺能接受組織的力量回饋,醫師便能獲得大量的資訊來協助判斷。相較於其他類型的手術,標準手術反而比較容易在實際過程中進行教學訓練,如果想用 VR 技術來模擬,有沒有可能辦到呢?

以輸入端來分析,多了雙手的參與是跟其他種類手術最大的差異。人類的雙手非常靈巧,一隻手便具有 27 個自由度,遠超過單一器械的 6 或 7 個自由度,因此如何完美地捕捉手部的動作,直到今日仍是學術界中一個相當困難的題目。以視覺模擬所需的技術來分析,比較大的視野,意味著電腦需要同時處理更多的碰撞偵測,更多的物理性質(如流體或可形變的軟性組織)模擬,運算複雜度肯定會大幅增加,在 VR 體驗中最棘手的延遲 (Latency) 現象也會更加嚴重。因此就筆者所知,目前市面上還沒有能完整模擬整個標準手術過程的產品,然而從今年開始 VR 產業的蓬勃發展,加快了硬體進步的速度,或許再幾年後,這樣的產品便能問市。

VR 不是一個新興的觀念或技術,但從去年起因硬體漸趨成熟,開發門檻下降後,全球有大量的開發者投入,也讓更多領域因導入這樣的技術產生新的進步與突破,醫療正是其中一個項目。醫療本身具有「危險」、「昂貴」及「罕見」三種特質,適合使用 VR 技術來進行技術訓練、手術前的規劃及特殊病例的模擬。不過因為醫療應用的開發必須要與醫師深度合作,並具備軟硬體整合的技術,投入研發的廠商相對不多。透過本文的介紹,希望有讓大家對於 VR 技術在醫療中能扮演的角色及重要性更加清楚,也期待能有更多有志之士投入此領域的研發,用 VR 的技術讓醫療的未來有更多可能性!

 

更多應用資料可參考:

http://www.slideshare.net/yushhuang/vrar-vr-ar-technologies-in-medical-applications-62698281

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圖片來自:Pixabay

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