کاربردهای واقعیت مجازی در پزشکی

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.

‌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.

روش های  Virtual reality

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.

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.

روش مبتنی 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.

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.

عوامل و امكانات موثر به منظور داشتن محیط مجازی بهتر 

تاكنون كاستی هایی موجب ناگستردگی سیستم ها در شبكه شده است كه امروزه به سرعت از میان می رود. از جمله عواملی كه رشد صنعت فضای سه بعدی را راحت تر كرده اند و كاهش كاربرد انیمیشن های دو بعدی در وب را به وجود آورده و از عوامل مثبت گرایش به بحث تصاویر سه بعدی محسوب می شوند عبارتند از:

** افزایشcpu ها، شتاب دهنده های گرافیكی كه باعث شده سرعت پردازش بالا رفته وسریع تر شود.

** افت بهای كامپیوتر های سریع و پر قدرت

** پیشرفت زبان های استاندارد وب مانند  VRML,PGML

**  حافظه RAM و ارتقاء آن

**ظرفیت رسانه های ذخیره ای بیشتر شده است.

**ابـــزارهـــای ورودی مـتـنـــوع تــر شــده انــد ( دستكش اطلاعات و HMD)

**نرم افزارهای چند رسانه ای گسترش یافته اند(از جمله برنامه های Flash،Director و... )

**دوربین ،كارت های گرافیكی بالا ، كارت صدای دالبی

** افزایش پهنای باند ، اتصالات اینترنت نیز مشـاهـده تصـاویـر سـه بعدی را راحت تر كرده است.

تكنیك های پیاده سازی VR در پزشكی

با بیانی ساده، واقعیت مجازی در پزشكی در واقع مشاهده داده ها (Datas) كه عموما تصاویر پـزشكی و آنـاتـومیـك هستند، بـه صـورت سه بعدی و در بعضی موارد ایجاد تعامل با محیط سه بعدی شبیه سازی شده است. در این قسمت سعی می شود به طور خلاصه انواع تكنولوژی های پیاده سازی VR در پزشكی را نام برده و به اختصار شرح داده شود.

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

** physiological Imaging‌و ...

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( Volume elements)  از تكنیك‌های مختلف  CT،  MRI ،  MRA ، اولتراسوند یاPET ،SPET ،FMRI  به دست می‌آیند‌.

 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 قـالـب كـانــتـوریـنــگ 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 .

این روش بسیار رایج است چرا كه كاملا با ساختار گرافیك های كامپیوتری سازگار است .

مدل های هیبرید  Hybrid models

ایــن روش كــه بـسـیــار مــورد اسـتـفــاده اسـت تركیبی از مدل های سطح كثیرالاضلاع است كه بافت دو بعدی روی آن ها نگاشت شده است . از آنجا  كه مختصات تصویر شی از زوایای مختلف در  بعضی ارگان ها با یكدیگر متفاوت است ، این روش در واقع تصویر با مشخصات ثابت و دقیق از ارگان به فرد می دهد.

واقعیت افزوده Augumented Reality

در كنار واقعیت مجازی مفهومی وجود دارد بــا عـنـوان واقعیـت افـزوده. بـرای تـوصیـف ایـن مفهوم می توان گفت بر خلاف واقعیت مجازی كــه كــاربــر را كــامــلا در مـحـیــط مـجـازی غـرق می‌سازد . كاربر در حالت واقعیت افزوده ، به صورت آزادانه با محیط در تعامل است و اشیاء مجازی مسائلی را كه از حواس فیزیكی كاربر پنهان است به او می نمایاند  به صورتی كه دنیای حـقـیـقـــی و مـجـــازی بـــه صـــورت ســـاده جـمــع نمی‌شوند بلكه با هم در تعاملند. به صورت كلی سیستم و محیط واقعیت افزوده را می توان تعامل دنـیــای مـجــازی و واقـعـی - سـه بعـدی بـودن و timereal بودن دانست.

پل میلگرام، در 1994 تعریف جالبی از واقعیت افــــزوده ارائــــه داد. وی مــعــتــقـــد اســـت كـــه:

در مصور‌سازی گستره دنیای واقعی تا فضای مجازی مسیر پیوسته ای دارد كه می توان عناصر مجازی را وارد دنیای واقعی كرد یا عناصر واقعی را به درون محیط مجازی آورد .

برای رسیدن به هدف واقعیت افزوده از نوع خاصی HMD كه به كاربر اجازه دیدن محیط را می دهد استفاده می شود . این نوع  HMD ها در دو نوع نوری و دوربین دار یافت می شوند . مشكل نوع دوربـیـــن تـــاخـیـــر آن اســت كــه بــایــد حـتـمــا در محاسبات سیستم در نظر گرفته شود. نوع نوری نیز بعضی از طول موج های نور مرئی را جذب مــی كـنــد، در نـتـیـجــه نــور مشـاهـد شـده واقعـی نخواهد بود .

چالش های فنی :

‌شبیه سازی حس بویایی

** ‌فید بك صدا  (Sound feedback)

** ‌فیدبك نیرو  (Force feedback)

**‌فیدبك لمسی

**‌جمع آوری و Mix داده ها از منابع مختلف

** ‌تـلـفـیـق دنـیـای واقعی و مجازی و سوئیچ  كردن از یكی به دیگری

** ‌شـبـیـه سـازی دقـیـق رفـتار و خصوصیات بافت نرم (soft tissue )

برگرفته از ماهنامه مهندسی پزشکی، شماره 127