كاربرد واقعیت مجازی در پزشكی

واقعیت ‌مجازی یك واسطه انسان-كامپیوتر است كه محیط های واقعی را شبیه سازی كرده و امكان رویارویی با آن را برای كاربر فراهم می‌‌سازد. چنین سیستمی  مانند بررسی تصاویر سه بعدی  بر روی صفحه نمایش دوبعدی كامپیوتر، مشابه نگریستن از ورای كف شیشه‌ای یك قایق به درون آب است. در واقع مانند این است كه با پوشیدن یك دست لباس غواصی و فرو رفتن در آب، بدون خیس شدن، محیط اطراف را بازبینی كرد.

این سیستم از نظر امور آموزشی و بهداشتی كاربردهای فراوانی در امور آموزش از راه دور و نـیــز تـلــه مــدیـسیـن دارد. بـه عنـوان مثـال جهـت آموزش جراحان قبل از عمل جراحی می توان با فراهم آوردن یك محیط مجازی، امكان انجام عمل جراحی بر روی یك بیمار مجازی را برای پزشك فراهم كرد.

به دلیل افزایش بی رویه سایت های اینترنتی در جهان، روز به روز رقابت سایت ها در جذب كاربران بیشتر می شود. در این میان سایت هایی كه علاوه بر ظاهری زیبا، تعامل بیشتری با كاربر داشته اند موفق تر بوده اند. بررسی 100 سایت نخست اینترنت نشان داده است كه بیشتر این سایت ها از تبلیغات، انیمیشن دو بعدی و سه بعدی استفاده كرده اند.

شـبـكـه را بـه عنوان مكانی تصور كنید كه از طریق آن می توانید در فضاهای سه بعدی گام برداشته، اجسام را بردارید، آن ها را تماشا كنید و با عبور از فضاها به مكان های دیگر بروید.

 ‌این فضاها در محیط شبكه مبتنی بر واقعیت مجازی عرضه خواهند شد .در این محیط شما قـادر خـواهـیـد بـود گـالـری هـای هـنـری زیـبـا را سیـاحت كنید، یا درون مغز انسان را ببینید، به كتابخانه سری بزنید و به راحتی كتاب دلخواه را بـرداشتـه و در یـك فضـای جـالب آن را مطالعه كرده، وارد فضای داستان شده و با شخصیت ها و حوادث همراه شوید كه در حقیقت این همان وعده واقعیت مجازی در شبكه است.  ‌شخص معمـولا از یـك صفحـه نمـایش كه بر روی سر نصب می شودHead Mounted Display ()HMD استفاده می كند كه دارای سنسوری برای تعقیب حركات و موقعیت شخص است. سنسورها  در واقع داده های مربوط به موقعیت و حركات شخص را به كامپیوتر می فرستند تا تصویر مجازی را به روز   Updateكنند. بدین وسیله ، شخص كاملا خود در این محیط مجازی سه بعدی شناور احساس می كند. با پیشرفت های اخیر در زمینه پردازنده های پر سرعت و گرافیك های كامپیوتری، در حال حاضر كامپیوتر های شخصی هم قادر به تولید چنین محیط های مجازی واقعی هستند.

امروزه از (VR )Reality Virtual در زمینه های گوناگون نظیر طراحی ساختمان ها و دكوراسیون داخلی توسط معماران ، كنترل از راه دور روبات ها ( سازمان ناسا ) آموزش و تمرین جراحی های مشكل توسط جراحان استفاده می شود .

 

واقعیت مجازی

مـحـیــط الـكـتــرونـیـكــی كـه بـا استفـاده از جلـوه هـای بصـری سـه بعـدی واقعیـت را مشابه‌سازی می كند اما فاقد مادیت فیزیكی هستند. واقعیت مجازی با اختصار  VR تولید نرم افزاری - رایانه ای از یك پنداره یا محیط كه برای حواس ( بیشتر بصری ) معادل واقعیت، وانمود شود و به فضای سه بعدی كه توسط كامپیوتر ایجاد می شود، اطلاق می شود.در حقیقت واقعیت مجازی استفاده از فناوری پیشرفته از جمله كامپیوتر و لوازم جانبی آن و ابزارهای چند رسانه ای مختلف برای ایجاد یك محیط مجازی ( شبیه سازی شده) است. در این محیط كاربر اشیاء، حوادث و رخداد های مجازی قابل مقایسه با دنیای واقعی را با استفاده از مبدل های طراحی شده و حسگر های خاص به طور تعاملی در دست می گیرد و تصاویر نمایشی و حركتی را مشاهده می كند طوری كه فرد گمان كند در محیط واقعی قرار گرفته است. در شكل 1 شماتیك  بلوك دیاگرام مربوط به واقعیت مجازی نشان داده شده است .

دنیـاهـای مجـازی بـا استفـاده از زبـان مـدل سـازی واقعیـت مجازی یا VRML ایجاد می‌شود. این زبان شامل دستورالعمل هایی برای ساخت اشیاء هندسی سه بعدی است‌.  برنامه نویسان و هنرمندان در این زبان برای ساخت فضاهای پیچیده از اشكال هندسی استفاده می كنند. در وب سه بعدی می توان با كنترل های بصری مرورگر ( فلش ها ) یا به وسیله موشواره یا صفحه كلید یا دستكش اطلاعات یا اهرم كنترل حركت كرد.

 

 ‌ساختار یك سیستم  virtual reality

 ‌پـنـج حـس بینایی شنوایی بویایی چشایی و لامـســه دربــاره دنـیــای واقـعــی، دربــاره شـكــل، وضعیت، رنگ بافت و اینكه از چه نوع موادی ســاخـتــه شـده انـد، اطـلاعـاتـی بـه مـا مـی دهـنـد. دستگاهی را تصور كنید كه برای فرد اطلاعاتی ارسال كند اما نه اطلاعاتی درباره دنیای اطراف، بلكـه اطـلاعـات سـاختگـی بفـرستـد. اطـلاعاتی درباره جهانی خیالی به طوری كه فرد تصور كند واقعی است و فریب بخورد و این به طور مجازی واقعیت پیدا می كند. این دنیای واقعی جهانی است كه به كمك كامپیوتر خلق می شود، واقعی بـه نظـر مـی رسـد، واقعی حس می شود گرچه واقعی نیست و گاهی بعضی چیزها یی كه در آن اسـت در جهـان واقعـی محال به نظر می رسد. گاهی شما نمی توانید بدون كمك یك دستگاه واقـعـیــت مـجــازی را بـبـیـنـیــد. گــرچـه همـه ایـن سـیـسـتـم‌هـا بـرای كـاربـردهـای مـخـتـلـف خـیلی متفاوت به نظر می رسند، اما همه آن ها به یك روش كار می كنند. محیط مصنوعی به وسیله نرم‌افزار سخت افزار كامپیوتر ایجاد می شود و به كاربر ارائه می شود به روشی كه كاربر احساس می كند شبیه یك محیط واقعی است. برای ورود به این محیط برخی ابزارهای ورودی ( از جمله دستكش اطلاعات و .....) نیاز است كه به كمك مـانیتـور حـداقـل سـه حـس ( بینـایی ، شنوایی و لامسه )  را كنترل  می كنند.

در شكل2 بلوك دیاگرام كامل یك سیستم VR را مـشــاهــده مــی كنیـد . در ایـن تصـویـر بـرنـامـه مدل‌سازی (Modeling Program) جداگانه جهت ایـجـاد اشـیـاء مـنـفـرد در مـحـیـط مـجـازی بـه كار مـــی‌رود. Application - Specific Programming بـرای شبیـه سـازی حـركـت دینـامیكی اشیاء در دنیای واقعی مطابق با قوانین فیزیكی نظیر جاذبه یا اینرسی به كار می رود .  Dynamics Generators سیستمی  برای تعقیب موقعیت و حركت كاربر با استفاده از داده های وسایل ورودی نظیر Data Glove و   Head tracker و ... است . Renders یا( ارائه گرها ) جهت نمایش تصاویر یا اصوات سه بعدی به صورت زمان  حقیقی Real- time   برای كاربر هستند .

 

هـر سیستم واقعیت مجازی در كل از 4 جز تشكیل می شود :

 1. داده ها

بـرای دنیـای مجـازی كلیـه اطـلاعـاتـی كه آن جهان را تعریف می كند. چیزهایی مثل شكل، رنگ اشیا و نحوه حركت ، صدا و ازاین قبیل . داده‌ها در پزشكی می تواند كاملا ساختگی یا تصاویر به دست آمده از   X-ray ، PET ، MRI باشند.

 

2. كامپیوتر گرافیكی پر قدرت و با سرعت بسیار بالا

در مــركـز هـر دستگـاه واقعیـت مجـازی یـك كـامپیوتر قدرتمند قرار دارد. داده هایی درباره دنــیــای مـجــازی ذخـیــره مــی كـنــد و نــرم افــزار كـاربـردی را هـدایـت می كند تا آنچه در جهان مـجـازی اتـفـاق می افتد را كنترل كند همچنین اطلاعات را از سخت افزار می گیرد و تصاویر و صـداهـایـی را تـولـیـد و ارسـال می كند. معمولا كامپیوتر به منزله مولد واقعیت است.

 

3. نرم افزار كاربردی

نرم افزاری برای دنیای مجازی سه بعدی كه واقعیت مجازی را به راه می اندازد و تصاویر، صداها و فضاها را تولید می كند و آن ها را نمایش می دهد استفاده می شود. دنیاهای مجازی با استفاده از زبان مدل سازی واقعیت مجازی یاVRML ایجاد می شود. این زبان شامل دستورالعمل هایی برای ساخت اشیاء هندسی سه بعدی است. برنامه نویسان و هنرمندان در این زبان برای ساخت فضاهای پیچیده از اشكال هندسی استفاده می كنند. VRML كه به صورت V-R-M-L یا Vermil تلفظ می شود، كلمه ای اختصاری برای  Virtual Reality Modeling Language یا زبان مدل سازی واقعیت مجازی است. این زبان كه توسعه واقعیت مجازی و فناوری های مدل سازی سه بعدی است در می 1994 توسط مارك بسكی، تن پاریسی و گاوین بل نوشته شد. آن‌ها در انجمن حرفه ای گرافیك كامپیوتری نسبت به ایجاد یك برنامه جلوه خاص ویژه برای دنیای انیمیشن سه بعدی تعاملی در روی وب اقدام كردند كه موتور محرك این كار زبان VRMLبود.

 

4. ابزارهای ورودی و خروجی    

این ابزارها واسط میان كاربر و كامپیوترهستند از جمله :

الف - نمایش گر مخصوص سر  (HMD)

با گوشی استریو جهان مجازی را می بینید و می شنوید. متداول ترین نمایشگرهای تصویری برای نمایش تصاویر مجازی است كه از دو نمایشگر مجرا برای هر دو چشم تشكیل شده است كه بر سر كاربر نصب می شود. این نمایشگرها دارای كیفیت زاویه دید متفاوت هستند. ‌شكل 3 اجزای اصلی یك HMD را نشان می دهد.

سه كار اصلی یك سیستم HMD عبارتند از:

1-نمایش محیط مجازی ( تاثیر بینایی)

2-صدای محیط مجازی( تاثیر شنوایی)

3-اندازه گیری زاویه سر جهت محاسبه و تصحیح زاویه دید توسط كامپیوتر جزئی از سیستم (tracking system)

 

ب - دستكش اطلاعات (Data Glove)

 ‌با گرفتن آن به دنیای مجازی می روید و در آن جا حركت می كنید. با وجود اینكه صفحه كلید وسیله خوبی برای برقراری ارتباط با كامپیوتر است اما خیلی زود مشخص شد كه برای ارتباط با محیط مجازی نقش محدود كننده ای دارد. بنابراین دستكش اطلاعات توسط توماس زیمرمان (فردی كه تلاش كرد گیتار مجازی را خلق كند) تولید شد كه به وسیله آن تماس با دنیای مجازی طبیعی تر می شد.بیشترین كاربردهای واقعیت مجازی، در یكی از این سه مقوله جا می گیرد:شبیه سازی،‌تجسم،واقع گریزی.

 

  شبیه سازی

شبیه سازی به معنای وانمود كردن، حل كردن یــــا تــقـلـیـــد چـیـــزی اســـت. دنـیـــاهـــای مـجـــازی برگردان‌های دنیای واقعی اند، مانند شبیه سازی پـرواز یـا رانـنـدگی در محیط های مختلف مثل محیط فیزیكی فضایی و...

 

  تجسم

تجسم به معنای مجسم كردن، قابل مشاهده ساختن به خصوص در ذهن دنیاهای مجازی كه با نشان دادن اطلاعات به صورت تصاویر سه بعدی آسان تر فهمیده شوند. مثل تجسم های مـجــازی از فـعــالـیــت هـای پـزشـكـی، نـظـامـی و آموزشی

 

 واقع گریزی

واقـع گریزی به معنای تمایل به خلاصی از واقـعـیــت دنـیــاهــای مـجـازی كـه بـا تخیـل خلـق مـــی‌شـــونـــد، شــبــیـــه بــازی هــای مــاجــرایــی. از مـشـخـصـه‌هـای اسـاسـی واقعیت مجازی حس حضور واقعی در مكان شبیه سازی شده و كنترل روی آن محیط شبیه سازی شده است كه بیشتر با اسـتـفـاده از ابزار های مختلف بر اساس هدف كاربران و پیچیدگی فنی محیط آن ها است.

مهمترین كاربرد واقعیت مجازی در آموزش - تـجـارت اكترونیكی - پژوهش های تجربی ، عملی و آزمایشگاهی- معماری تولید صنعتی و موارد زیر است :

 فروشگاه های مجازی برای استفاده بهتر از تجارت الكترونیكی

 دانـشـگــاه هـای مـجـازی كـه كـلاس هـا و آزمایشگاه های آن همه مجازی است و شاگردان آن در نقاط مختلف دنیا قرار دارد.

 شبیه سازی حركت وسائل نقلیه و آموزش رانندگی، خلبانی شبیه سازی انواع ورزش و...

 جراحی از راه دور

 كتابخانه و مراكز اطلاعاتی

 بــازی هــای واقـعـیــت مـجــازی چنـد نفـره و ابزار‌های سرگرمی مجازی(شكل1.)

 ‌در بحث آموزش مجازی، طی 20 سال گذشته استاندارد آموزشی از كتاب محوری و معلم محوری به دانش آموز محوری تبدیل شده است و روش های تدریس به سوی تفكر انتقادی سوق داده می شوند. در نتیجه فضا به كلاس درس محدود نمی شود و به طور مجازی اطلاعات آموزشی می تواند به گروهی در مكان های مختلف انتقال داده شود. آموزش مجازی تعامل یكسویه بین معلم و دانش آموز را حذف می كند. چون دانش آموزان می توانند هر وقت بخواهند، بپرسند و معلم هم در هر جا پاسخ دهد و هم درس دهد. در موقعیت آموزشی به راحتی با اضافه كردن جنبه رقابتی - سرگرمی، انگیزه دانش آموز را بالا برد.

در آموزش مجازی كلاس به صورت ویدئوكنفرانس تعاملی است كه در یك فضای مجازی همه با هم شركت می كنند و مثل كلاس واقعی با هم تعامل دارند حتی می توانند تصاویر همدیگر را ببینند یا تصویر متحرك گرافیكی از هم داشته باشند. این برای افراد معلول كه می توانند وارد كلاس عادی شوند بسیار موثر است .

 

 ‌مزایای استفاده از محیط مجازی  Virtual environments

‌در این محیط كاربر امنیت بیشتری احساس می كند.

‌در اغلب موارد هزینه طراحی و پیاده سازی كمتری دارد.

‌انعطاف پذیر است و می توان آن را به راحتی براساس شرایط و اهداف تغییر داد.

‌كاربرهای واقعی و توان بالقوه فوق العاده ای دارد به طوری كه كاربران می توانند مدل شبیه زندگی را تجربه كنند یا در محیطی امن قدم زنند و می توانند در عین حال روی آن محیط كنترل داشته باشند در واقعیت ممكن است چنین چیزی محال باشد.

 

روش های  Virtual reality

1) روش مبتنی بر شبیه سازی

روش اول پیاده سازی VR مبتنی بر شبیه سازی است . به طور مثال، ایجاد شرایطی كه راننده فكر كند ماشین او در حال حركت است ( از طریق ورودی های شنیداری ، دیداری و حــركـتــی . ) شـبـیــه ســاز بــه طــور مـعـمــول بــه سـیـستـم هـای بـلادرنـگ بـرای انجـام شبیه سازی های پویا شامل سیستم های حركتی ، شنیداری و دیداری احتیاج دارد. یك سیستم جاده پیمایی واسط بین شبیه ساز و راننده است .یك سیستم جامع مدیریت داده ها و همزمان كردن زیر سیستم ها نیز مورد استفاده است.

 

2)روش مبتنی بر تصویر

با این روش افراد محیط های مجازی را به شكل یك فیلم ویدئویی واقعی می بیند. این سیستم دو گروه كاربر را می تواند مدیریت كند: یكی شركت كننده در محیط های مجازی سه بعدی توزیع شده است كه در آن كاربر نوع حضور خود را با توجه به قابلیت سیستم انتخاب می كند. این روش هم اكنون تعامل محیطی خوبی بین انسان و كامپیوتر ایجـاد كـرده اسـت. در كاربردهای پزشكی VR هم اكثرا از همین تكنولوژی استفاده می شود كه در بخش های بعدی به آن خواهیم پرداخت.

 

3) روشمبتنی بر پروژكتور 

مدل سازی محیط واقعی نقش حیاتی در برنامه های كاربردی واقعی به عهده دارد. مـدلسـازی سـاخـت، شبیه سازی هواپیما ، استفاده از سیستم VR مبتنی بر تصویر در گرافیك كامپیوتری و اجتماعات دیداری كامپیوتر رو به افزایش است و دلیل آن سادگی فرایند مدل سازی است .

 

4) مبتنی بر  DESKTOP

در این روش از گرافیك های سه بعدی تعاملی استفاده می شود . تجربه نشان می دهد كه تصاویر سه بعدی  و گرافیك های تعاملی می تواند كاربر را به دنیای سه بعدی ببرد. بنابراین هدف در واقع ایجاد غوطه ور شدن روانی و احساسی است. یك عیب این روش ، نبود بینایی دستگاه های جانبی در نمایش های رومیزی است . طوری كه كاربر از اطراف مكان مجازی خود آگاه نیست.

 

بدن و اعضای مجازی

در برنامه ریزی های جراحی ، جراحان در واقع با مدلی شبیه سازی شده از اطلاعات بیمار سر و كار دارند. در آموزش جراحی، برای یك شبیه سازی دقیق و واقعی نیاز به  dataهای بسیار دقیق و با جزئیات است . اطلاعات بیمار كه در VR استفاده می شود ، از منابع گوناگونی ممكن است جمع آوری شده باشند  از جمله :

‌توموگرافی كامپیوتری  CT-Scan

‌تصویربرداری با روش تشدید مغناطیسی MRI

‌اولتراسوند

 (PET (physiological Imaging 

‌و ...

بعد از جمع آوری تصاویر و اطلاعات با تكنیك های گرافیك كامپیوتری ، مدل سازی  و  Rendering تبدیل به تصاویر سه بعدی شبیه سازی شده بدن انسان می شوند.

 

تكنولوژی تصاویر حجمی (Volume Imaging Technologies)

در این تكنولوژی مجموعه ای از داده ها شامل  Voxelها از تكنیك‌های مختلف  CT،  MRI ،  MRA ، اولتراسوند یا   PET ،  SPET ،   FMRI به دست می‌آیند‌.

یكی از مهارت هایی كه جراحان به دست می آورند ، تجسم سه بعدی از روی تصاویر دو بعدی است. در واقع این تكنیك كار جراح را در تجسم انجام می دهد و از روی اسلایدهای  CT و ... تجسم سه بعدی ارگان را تهیه می كند. علاوه بر این مزیت، می توان تصاویر مختلف از sourceهای مختلف را با هم تركیب كرد. در نتیجه به طور همزمان می توان اطلاعاتی به عنوان مثال از استخوان ها X-ray و رگ هــای خــونــی، MRI یــك عـضــو بــه دسـت آورد

 

 ‌روش Surface Rendering

 Surface rendering یا  در آوردن سطح،  در واقـع حـجـم هـا را بـه اجـزاء اولـیـه ( مـخـتـصات هندسی ) تبدیل می كند كه در واقع بر پایه نوعی  قـــالـــب كـــانــتـــوریـنــگ   iso contouring اســت . ایزوكانتورینگ بر پایه   thresholding حد آستانه  است كه در آن نیاز به اطلاعات داده ها است . وجود نویز باعث   Blur شدن مرزهای ناحیه ها در تصویر می شود كه این پدیده خود باعث از بین رفتن مقداری از اطلاعات نسبت به داده های اولیه می شود . شكل 5 تصویر به دست آمده از این روش را نشان می دهد.

 

كاربردهای واقعیت مجازی در پزشكی

مصورسازی ،آندوسكوپی مجازی، برونكوسكوپی و كولونوسكوپی تعدادی از كاربردهای واقعیت مجازی‌ در پزشكی  هستند.

برای درك بهتر تفاوت آندوسكوپی كلاسیك و مجازی ابتدا مختصری درباره آندوسكوپی كلاسیك شرح داده می شود. آندوسكوپی كلاسیك عبارت است از ورود یك سیستم optical به داخل ارگان بیمار (كولون، معده، روده، سینوس و ... ) جهت معاینه است.

مزیت: ‌ایجاد تصویر واضح و روشن از سطح بافت جهت تشخیص

معایب :امكان ایجاد جراحت سطح بافت ، semi invasive

 

عدم امكان عبور از دیواره های كولون

ولی در آندوسكوپی مجازی یا  Virtual endoscopy كاملا غیر تهاجمی بوده و آسیبی به بیمار نمی رسد.

 

مراحل آندوسكوپی مجازی:

1) تصویربرداری سه بعدی‌ از ارگان مورد نظر (  CT, MRI و ... )

2) پیش پردازش تصویر )registeration , interpolation (  ‌سه بعدی

3) تقطیع تصویرسه بعدی‌ جهت ایجاد مدل آناتومیك (segmentation)

4) محاسبه مسیر  camera- target سه بعدی‌ جهت انتخاب خودكار یا دستی مسیر مشاهده

5) قراردادن نماهای مكرر در مسیر

6) مشاهده به منظور تولید انیمیشن

مناسب جهت ارگان های بزرگ سایز : مانند سیستم قلبی عروقی ، مفاصل اصلی ، سیستم كلیوی ، نخاع

اولین سیستم VR در مورد كولونوسكوپی  و در سال 1995 استفاده شد.

 

مزایا:

‌عدم وجود محدودیت حركتی برای دستگاه  endoscope

كاملا غیر تهاجمی

بدون نیاز به بستری بیماردر بیمارستان

 

معایب:

‌تكنیك های آندوسكوپی مجازی كنونی امكان بازسازی تصویر ظاهر سطح بافت ارگان را ندارند .

 

آموزش پزشكی

عمده ترین كاربرد واقعیت مجازی در پزشكی ، استفاده از آن جهت آموزش فعال آناتومی و فیزیولوژی به دانشجویان پزشكی است. با استفاده از این سیستم دانشجویان می توانند در یك محیط شبیه سازی شده و سه بعدی به صورت موثر و بهینه یادگیری داشته باشند.

 

آموزش جراحی و سنجش دستیار

با استفاده از سیستم آموزش جراحی، هزاران بار می توان روی بیمار عمل جراحی انجام داد تا مهارت جراح به بالاترین حد برسد. در این سیستم سعی می شود تا با شبیه‌سازی محیط جراحی ، امكان تكرار هزاران عمل جراحی در طی ساعت های متوالی و طولانی فراهم آید . از جمله زمینه های آموزش جراحی كه  VR در آن ها كاربرد زیادی دارد :

 laparoscopic surgery  جراحی لاپاروسكوپی

heart catheterization simulation   كاتتراسیون قلب

open surgery  جراحی باز

 

روانپزشكی

یكی از كاربردهای مهم واقعیت مجازی در حوزه روان پزشكی است. در روانپزشكی، واقعیت مجازی روشی برای درمان اختلالات روانی افراد محسوب می‌شود. یكی از این موارد درمان بیماری هراس (‌فوبیا)‌ است. فوبیا ترس شدید از جسم یا وضعیتی خاص است. بیمار با آن كه می داند این ترس واقعی نیست،

دائما دچار اضطرابی است كه زندگی عادی او را مختل می كند. این ترس می تواند شامل ترس از فضای باز، ارواح، خفگی، خون، ارتفاع، آب یا موارد دیگر باشد. در درمان سنتی، پزشك با صحبت كردن با بیمار او را در وضعیتی كه از آن وحشت دارد قرار می‌دهد.

در درمان جدید، با استفاده از واقعیت مجازی، محیطی كه بیمار از آن وحشت دارد شبیه سازی می شود و بیمار با علم به این موضوع كه این محیط واقعی نیست، با قرار گرفتن در آن سعی می كند خود را با آن وفق دهد و ترس خود را از بین ببرد. علاوه بر درمان ترس، از واقعیت مجازی برای درمان اختلالات روانی دیگر مانند اوتیسم (‌در خود ماندگی)‌ و حتی مواردی از روان گسیختگی (‌اسكیزوفرنی)‌ استفاده شده و نتایج رضایت بخشی هم حاصل شده است. این نكته هم قابل توجه است كه در علم پزشكی به جز بحث درمان، در زمینه های آموزشی و تحقیقاتی مانند شبیه سازی عمل جراحی هم واقعیت مجازی كاربرد دارد.

 

تله مدیسین

بدون شك، واقعیت مجازی (Virtual Reality) را می توان به عنوان یكی از گرانبهاترین دستاورد های حاصل از تكامل سطوح تعامل ارتباطیCommunication Interfaces ‌مورد توجه قرار داد، كه از خصوصیات بارز آن، غوطه وری كامل ابعاد حسی-حركتی انسان، در یك تجربه ارتباطی مجازی است. یك محیط مجازی Virtual Environment ‌نمایشی پویا و پردازش شده بصری است، كه غالبا توسط دیگر محرك های غیر بصری (نظیر شنوائی و لمسی) تقویت شده و بدین طریق احساس تعامل با اجزاء یك محیط غیر واقعی سه بعدی را در زمان حال به فرد متعامل القاء می كند.

برخورداری از این قابلیت منحصر به فرد، واقعیت مجازی را طی سال های اخیر در مقام ابزاری كارامد و ارزشمند در فناوری تله مدیسین مطرح كرده، چرا كه پردازش و انتقال اطلاعات پزشكی، در بطن این فناوری نیز نهفته است. واقعیت مجازی در تله‌مدیسین، به صورت یك سطح ارتباطی پیشرفته، امكان تعامل شهودی با اطلاعات مربوطه را به ارمغان آورده، به موازات آن، در قالب یك محیط مجازی منعطف، احساس حضور فیزیكی را در جریان تعامل به شایستگی تقویت می كند.

از موارد كاربرد واقعیت مجازی در پزشكی می توان به جراحی از راه دور، آماده و شبیه‌سازی مراحل مختلف یك عمل جراحی، آموزش و درمان بیماران از راه دور، توانبخشی  و ارتقاء مهارت ها در افراد مدد جو، و حتی طراحی و معماری اماكن پزشكی و توانبخشی، اشاره كرد. این مقاله نیز ضمن بررسی تحقیقات اخیر در زمینه كاربرد واقعیت مجازی در تله مدیسین، جوانب مثبت و محدودیت ها را پیرامون این موضوع بر خواهد شمرد.

 

برنامه ریزی جراحی

معمولا در جراحی های با حداقل آسیب به صورت دستی یا با روبات های خاصی مانند داوینچی صورت می گیرد. ابتدا دریچه‌هایی توسط جراح ایجاد می شود و ابزار جراحی و دوربین به داخل بدن بیمار فرستاده می شود. وقتی این دریچه ها باز می شود دیگر نمی توان مكان آن ها تغییر داد چرا كه در غیر این صورت تفاوتی با روش جراحی باز نخواهند داشت. پس انتخاب مكان این دریچه ها از لحاظ دسترسی مناسب به تومور و امكان خارج ساختن آن بسیار مهم است .

این رویه تا به حال به صورت حسی بوده است و پزشك با مشاهده نتایج سی تی اسكن بیمار تشخیص می داده كه سوراخ را در كجا ایجاد كند. از آنجا كه آناتومی افراد مختلف با یكدیگر متفاوت است و یك  قانون كلی نمی توان برای آن ساخت، روشی ابداع شده است كه به صورت مجازی به پزشك نشان می دهد كه اگر از یك سوراخ فرضی وارد بدن بیمار شود ، چه چیزهایی را خواهد دید. روش های قبلی به 2 دلیل برای پزشكان جالب نبود : متاسب با زاویه‌ای كه سیستم تصویربرداری نقاط مورد نظر را لمس می كند ، دقت تصاویر تغییر می كند و حركت با روبات بسیار مشكل است . در روش جدید ( واقعیت افزوده ) نشانگرهایی بر روی بدن بیمار نصب می شود كه موقعیت این نشانگرها در تصاویر CT-scan قابل مشاهده است . حال به جای آنكه جراح نشانه ها را با روبات لمس كند با دوربین خود و خارج از بدن بیمار حركت می كند و حركت و موقعیت دوربین با استفاده از اصول بینایی كامپیوتر محاسبه شده و فضای سه بعدی داخل بدن بیمار از زاویه دید این دوربین بازسازی می شود. سپس این فضای بازسازی شده با تصاویر سی‌تی اسكنی كه در دسترس است تطبیق داده می‌شود تا به صورت مجازی به پزشك نشان دهد از هر جا وارد بدن بیمار شود چه چیزهایی خواهد دید. البته در تمامی حالت ها فرض می‌شود بیمار كاملا ثابت بوده است.

با گشایش یك مركز تازه تاسیسات شبه واقعی آموزش و تمرین عمل جراحی مغز در بیمارستان وسترن تورنتو كانادا انتظار می رود كه بیماران عمل جراحی مغز در این كشور از خدمات و مراقبت های بهتری برخوردار شوند.

این مركز جهشی به پیش در آموزش جراحی مغز و مراقبت از بیماران است كه به پزشكان امكان می دهد تا بر روی غده (تومور) های مغزی شبیه سازی شده مجازی عمل های جراحی پیچیده تر و بر اساس نیازهای ویژه هر بیمار را تمرین كنند.

این فناوری راه‌گشا جهش قابل توجهی به پیش در آموزش و تمرین جراحی و نیز مراقبت و ایمنی بیمار به شمار می آید. هدف این است كه خطر پیچیدگی ها و عوارض ناشی از جراحی را كاهش داده، زمان بهبودیابی را كوتاه تر كرده و سرعت استفاده از اتاق عمل حراحی را افزایش داد. 

اولین مركز شبه جراحی اعصاب كانادا در سپتامبر 2010 در موسسه عصب شناسی مونترال و بیمارستان دانشگاه مك گیل گشایش یافت.

 

دندانپزشكی - جراحی فك و صورت

واقعیت مجازی در دندانپزشكی (virtual dentistry) یكی از نمودهای عملی به كارگیری مفاهیم تخصصی دندانپزشكی در كامپیوتر است. مهمترین  اهداف استفاده از واقعیت مجازی و این گونه نرم افزار ها ایجاد محیطی مشابه با تشابهات هر چه بیشتر با محیط واقعی است تا بتوان قبل از رویارویی با واقعیات همه چیز را تجربه كرده و از نزدیك حس كرد. از كاربردهای رایج در دندانپزشكی عبارتند از:

‌تصویربرداری دیجیتال از دندان ها

‌فراهم آوردن یك نقشه ایمپلنت دندانی قبل از انجام جراحی

‌طراحی یك محیط مجازی انجام پروسه‌های جراحی دندان و ...

اصول كار بدین ترتیب است كه بیمار در حالتی خاص بر روی صندلی قرار می گیرد ، به گونه ای كه مانع از حركت دستگاهی موسوم به   Cat Scan نشود. این اسكنر دور تا دور محل قرارگیری بیمار را اسكن كرده و درست مانند X-ray پانورامیك، تصویر دندان های بیمار را با رزولوشن بالا گرفته می شود. این تصاویر اساس كار دندانپزشك در بررسی روند جراحی در محیط مجازی خواهند بود.

در روند انجام پروسه های اندودنتیك در دندانپزشكی استفاده از مدل های حجمی با قابلیت تغیر شكل (Deformation)، ایجاد حفره (Drilling) و برش Cutting مواد در شبیه سازی محیط مجازی آموزشی لازم و ضروری است.

اعمال جراحی فك و صورت نیز به طور مستقیم با آناتومی استخوان های مربوط سر و كار دارد و همان طور كه در ابتدای بحث عنوان شد، اشكال سه بعدی آناتومیك، كمك زیادی به تشخیص بهتر و بررسی مناسب تر خواهند كرد. در نمونه هایی از این محیط‌های مجازی، امكان حس كردن واقعی اجسام و محیط دهان وجود دارد، به علاوه این كه امكان در دست گرفتن پروب ها و هندپیس ها و انجام كار با آن ها فراهم خواهد بود.

 

مزایای ویژه

‌مشاركت بیمار در روند انجام كلیه اقدامات لازم و كمك در تصمیم گیری به ویژه در جراحی های زیبایی

‌سرعت عمل جراح به واسطه تمرین و ممارست قبل از انجام عمل

 

درمان های توانبخشی

شبیه سازی به كمك واقعیت مجازی با سایر شبیه سازی های رایانه ای تفاوت دارد؛ زیرا به ابزار تعاملی ویژه ای نیازمند است كه بینایی، شنوایی و احساس در جهان شبیه‌سازی شده را به كاربر منتقل سازد. این ابزارها صدا و حركت كاربران را ذخیره كرده و به برنامه شبیه سازی می فرستند.

برای دیدن در دنیای مجازی، كاربر یك نمایشگر را بر روی سر خود نصب می كند كه صفحاتی مقابل چشم ها دارد. این نمایشگر یك ردیاب حركت نیز دارد كه محل سر كاربر و جهتی را كه او نگاه می كند، پایش می كند. با استفاده از این اطلاعات، رایانه تصاویر دنیای مجازی را با اندكی تفاوت نسبت به هر چشم محاسبه كرده و روی نمایشگر به نمایش می گذارد.

برای آنكه این تصاویر مكث دار و نامنظم به نظر نرسند، رایانه باید در هر ثانیه دست كم ده تصویر جدید ایجاد كند. صحنه های واقعیت مجازی باید نسبتا ساده باشند تا رایانه بتواند آن ها را به سرعت روزآمد كند. به علت همین سادگی و سایر معایب نمایشگرها، كاربران واقعیت مجازی به راحتی می توانند شبیه سازی را از واقعیت تمایز دهند. كاربر صداهایی را از طریق گوشی در دنیای مجازی می شنود. به وسیله اطلاعاتی كه از طریق ردیاب حركت حاصل می شود نیز می توان برای روزآمد كردن سیگنال های صوتی استفاده كرد.

هنگامی كه یك منبع صوتی در فضای مجازی مستقیما در مقابل یا پشت سر كاربر نیست، رایانه صدا را به گونه یی می فرستد تا به یك گوش زودتر از گوش دیگر برسد؛ به این ترتیب، صدا كمی بلندتر یا آهسته تر به گوش خواهد رسید. اگرچه هنوز چالش های علمی و مهندسی وجود دارد كه باید بر آن ها فایق آمد تا اصوات كاملا طبیعی به نظر برسد.

شبیه سازی لامسه كمترین توسعه را یافته است و چالش برانگیزترین قسمت كار است. در حال حاضر با استفاده از یك دستكش و ردیاب حركت، رایانه محل دست كاربر را مشخص كرده و حركات انگشتان را می سنجد. در دنیای مجازی كاربر می تواند اشیا را حركت دهد، ولی نمی تواند آن ها را احساس كند. تولید احساسی كه در هنگام ضربه زدن به یك سطح سخت، برداشتن یك شیء یا حركت دادن انگشتان بر روی یك بافت به وجود می آید، از لحاظ تكنیكی مشكل است. حس لامسه باید با بینایی و شنوایی كاربر نیز هماهنگ شود.بیشترین كاربرد  VR در توانبخشی درمان انواع فوبیا (ترس) مانند  ترس از ارتفاع ، پرواز ، جانوران و .... است .

روش درمان عبارت است از قراردادن بیمار در موقعیت استرس زا برای او در محیط مجازی و تحت كنترل قراردادن استرس، شروع كار با موقعیت كم استرس زا و اضافه كردن به تدریج موقعیت های بیشتر. مزیت این روش در واقع قابل كنترل بودن شرایط استرس زا است. چیزی كه در واقعیت حقیقی امكان ایجاد آن وجود ندارد .

انواع دیگر كاربرد در توانبخشی عبارتند از :

‌كمك به درمانگر در ناتوانی های جسمی - حركتی - ذهنی ( مانند اوتیسم )

‌سندم های تغذیه

‌سندرم های بعد ار سكته و ....

 

درمان اختلالات روانی در فضای مجازی

تا به امروز سیستم های معدودی بر اساس واقعیت مجازی جهت توانبخشی ناتوانی‌های دیداری، شنوایی، فیزیكی و روانی طراحی و پیاده سازی شده است. از آنجا كه نمایشگرهای دیداری و شنیداری از اجزای اصلی عجین شدن با دنیای مجازی است، سیستم های توانبخشی دیداری و شنیداری چندان معمول نیست، اما به نظر می رسد كه واقعیت مجازی در درمان اختلالات روانی بسیار مفید باشد. این سیستم ها قادر است محدودیت های دنیای واقعی را از پیش رو برداشته، افق های تازه ای به روی این دسته از بیماران نمایان سازد. در این بخش به معرفی چند نمونه از این سیستم ها پرداخته می‌شود.

 

درمان انواع ترس با استفاده از واقعیت مجازی‌

‌بیش از ده درصد افراد در طول ز ندگی خود، نوعی از اختلالات ناشی از اضطراب را تجربه می كنند. جهت درمان این ترس ها، معمولا از روش در معرض قرار دادن استفاده می شود. برای این رسیدن به این هدف دو روش تصویرسازی و در معرض قرار گرفتن فیزیكی اجـرا مـی شـود. روش فیـزیكـی جدای از اینكه واقـعــی اســت، مـمـكــن اسـت بسیـار هـزینـه بـر، شـرم‌آور، خـطـرنـاك یا ناممكن باشد. از سوی دیـگـر، تـصـویرسازی نیز به اندازه كافی واقعی نـیـسـت و كنترل كمی از سوی درمانگر وجود دارد.

واقعیت مجازی، روش درمانی سومی ارائه مـی كـنـد كـه ضـمـن حـفظ بیشتر مزایای هر دو روش، معایب آن ها را نیز ندارد. خصوصا در مورد ترس از پرواز، هزینه های درمانی بسیار كاهش می یابد. اما در عین حال واقعیت مجازی نیز محدودیت های خاص خود را دارد. دانستن این مسأله كه محیط، مجازی است، ممكن است اصلا هیچگونه اضطرابی در كاربر ایجاد نكند كه بـخـواهـد، درمـان شـود. ضمن اینكه یك روش بـسـیار جدید است و هنوز عوارض جانبی آن ناشناخته است.

در ایـن روش درمـانـی مـعمولا از دو Setup یعنی استفاده از HMD یا سیستم ‌1CAVE، استفاده می شود. با استفاده از HMD، تنها دنیای مجازی قـابـل دیـدن خـواهـد بـود و دنیای واقعی به كل حذف می شود.

در سیستم CAVE از دیوارهای یك مكعب به عنوان پروژكتور استفاده می شود و محیط های واقعی و مجازی در داخل این مكعب، در كنار هم قـرار مـی گیرد. هر دو سیستم دارای تأخیر فاز اسـت. تـفـاوت بـیـن حـركت و حركت تصویر، مـمـكـن اسـت بـاعـث ایـجـاد حـالت تهوع شود. می‌توان از صدا یا اشیاء واقعی نیز جهت قوی تر كـردن حـس حـضـور اسـتـفـاده كـرد. اسـتـفاده از دستكش داده نیز امكان ارتباط متقابل با محیط را برای كاربرد فراهم می آورد.

ایده وارد كردن درمانگر به محیط مجازی نیز می تواند سودمند باشد البته در این صورت به دلیل نیاز به وسایل به تعداد دو برابر، هزینه پیاده ســازی سـیـسـتــم بـسـیــار افــزایــش مــی یــابـد. در سیستـم‌هـایـی كـه تـا كنـون تـوسعـه یـافتـه است، درمانگر محیط را كنترل كرده ولی وارد آن نمی شود.

 

نمایش محیط ملاقات مجازی (Virtual Visual Environment Display-VIVED)

VIVED كه توسط مركز تحقیقات فضاییNASA Johnson Space Center (JSC)/Lincom Corporation و با همكاری بخش پزشكی دانشگاه تگزاس  طراحی شده است، امكان دستیابی به تجربیات آموزشی منحصر به فردی را فراهم می سازد. به عنوان مثال از طریق آن می توان به درون جمجمه و قلب انسان از طریق امكانات تعاملی   Multi-media(صوتی - تصویری و غیره ) دست یافت.

 

‌بحث و نتیجه گیری

حـقـیـقــت مـجــازی یــا  virtual reality یكـی از زمـیـنـه‌هـای تـحـقـیـق بـسـیـار گـسـتـرده در حـوزه مهندسی پزشكی است. در آینده ای نه چندان دور پزشكی بدون به كارگیری واقعیت مجازی و كاربردهای آن امری محال خواهد بود.

سـیـسـتـم واقعیـت مجـازی محصـول نگـرش سایبرنتیك است كه محیط واقعی را در تعامل با مـحـیـط سـاخـتـه دسـت بـشـر بـا محوریت كاربر انـسـانـی قـرار مـی دهد و بدین ترتیب افق های ناپیدایی را پیش روی انسان قرن حاضر گشوده است . لازم به نظر می رسد كه مهندسان در تعامل بیشتر با پزشكان( خصوصا جراحان ) باشند  و در زمـیـنـه واقـعـیت مجازی خواسته های آن ها را بررسی و مدلسازی كنند .

زمینه های كه جای كار بیشتر دارد و پیشنهاد مـی شـود روی آن هـا بررسی بیشتری صورت گیرد :

واسـطــه هــای انـســان - كــامـپـیــوتــر مــانـنــد force -feedback یا واسطه های لمسی

تـكـنـیــك هــای مـدل سـازی بـافـت جـهـت شبیه‌سازی ارگان های بدن

تكنیك های نمایش تصویر

امـــكـــــــان ایـــجـــــــاد نـــســــــل جــــــدیــــــدی در تصـویـربـرداری پـزشكی با به كارگیری مفاهیم حقیقت مجازی و ایجاد مشاهدات موثرتر.

 

منبع: clinicalmedicine

 

همچنین بخوانید:

مروری بر مراقبت سلامت از راه دور

معرفی نه استارتاپ در حوزه سلامت روان

علم داده در حوزه سلامت چه کاربردهایی دارد؟

بالا