كاربرد واقعيت مجازي در پزشكي

كاربرد واقعيت مجازي در پزشكي

 

واقعيت ‌مجازي يك واسطه انسان-كامپيوتر است كه محيط هاي واقعي را شبيه سازي كرده و امكان رويارويي با آن را براي كاربر فراهم مي‌‌سازد. چنين سيستمي  مانند بررسي تصاوير سه بعدي  بر روي صفحه نمايش دوبعدي كامپيوتر، مشابه نگريستن از وراي كف شيشه‌اي يك قايق به درون آب است. در واقع مانند اين است كه با پوشيدن يك دست لباس غواصي و فرو رفتن در آب، بدون خيس شدن، محيط اطراف را بازبيني كرد.

اين سيستم از نظر امور آموزشي و بهداشتي كاربردهاي فراواني در امور آموزش از راه دور و نـيــز تـلــه مــديـسيـن دارد. بـه عنـوان مثـال جهـت آموزش جراحان قبل از عمل جراحي مي توان با فراهم آوردن يك محيط مجازي، امكان انجام عمل جراحي بر روي يك بيمار مجازي را براي پزشك فراهم كرد. 
به دليل افزايش بي رويه سايت هاي اينترنتي در جهان، روز به روز رقابت سايت ها در جذب كاربران بيشتر مي شود. در اين ميان سايت هايي كه علاوه بر ظاهري زيبا، تعامل بيشتري با كاربر داشته اند موفق تر بوده اند. بررسي ۱۰۰ سايت نخست اينترنت نشان داده است كه بيشتر اين سايت ها از تبليغات، انيميشن دو بعدي و سه بعدي استفاده كرده اند. 
شـبـكـه را بـه عنوان مكاني تصور كنيد كه از طريق آن مي توانيد در فضاهاي سه بعدي گام برداشته، اجسام را برداريد، آن ها را تماشا كنيد و با عبور از فضاها به مكان هاي ديگر برويد.

اين فضاها در محيط شبكه مبتني بر واقعيت مجازي عرضه خواهند شد .در اين محيط شما قـادر خـواهـيـد بـود گـالـري هـاي هـنـري زيـبـا را سيـاحت كنيد، يا درون مغز انسان را ببينيد، به كتابخانه سري بزنيد و به راحتي كتاب دلخواه را بـرداشتـه و در يـك فضـاي جـالب آن را مطالعه كرده، وارد فضاي داستان شده و با شخصيت ها و حوادث همراه شويد كه در حقيقت اين همان وعده واقعيت مجازي در شبكه است.  ‌شخص معمـولا از يـك صفحـه نمـايش كه بر روي سر نصب مي شودHead Mounted Display ()HMD استفاده مي كند كه داراي سنسوري براي تعقيب حركات و موقعيت شخص است. سنسورها  در واقع داده هاي مربوط به موقعيت و حركات شخص را به كامپيوتر مي فرستند تا تصوير مجازي را به روز   Updateكنند. بدين وسيله ، شخص كاملا خود در اين محيط مجازي سه بعدي شناور احساس مي كند. با پيشرفت هاي اخير در زمينه پردازنده هاي پر سرعت و گرافيك هاي كامپيوتري، در حال حاضر كامپيوتر هاي شخصي هم قادر به توليد چنين محيط هاي مجازي واقعي هستند. 
امروزه از VR )Reality Virtual( در زمينه هاي گوناگون نظير طراحي ساختمان ها و دكوراسيون داخلي توسط معماران ، كنترل از راه دور روبات ها ( سازمان ناسا ) آموزش و تمرين جراحي هاي مشكل توسط جراحان استفاده مي شود . 

ساختار يك سيستم  virtual reality
 ‌پـنـج حـس بينايي شنوايي بويايي چشايي و لامـســه دربــاره دنـيــاي واقـعــي، دربــاره شـكــل، وضعيت، رنگ بافت و اينكه از چه نوع موادي ســاخـتــه شـده انـد، اطـلاعـاتـي بـه مـا مـي دهـنـد. دستگاهي را تصور كنيد كه براي فرد اطلاعاتي ارسال كند اما نه اطلاعاتي درباره دنياي اطراف، بلكـه اطـلاعـات سـاختگـي بفـرستـد. اطـلاعاتي درباره جهاني خيالي به طوري كه فرد تصور كند واقعي است و فريب بخورد و اين به طور مجازي واقعيت پيدا مي كند. اين دنياي واقعي جهاني است كه به كمك كامپيوتر خلق مي شود، واقعي بـه نظـر مـي رسـد، واقعي حس مي شود گرچه واقعي نيست و گاهي بعضي چيزها يي كه در آن اسـت در جهـان واقعـي محال به نظر مي رسد. گاهي شما نمي توانيد بدون كمك يك دستگاه واقـعـيــت مـجــازي را بـبـيـنـيــد. گــرچـه همـه ايـن سـيـسـتـم‌هـا بـراي كـاربـردهـاي مـخـتـلـف خـيلي متفاوت به نظر مي رسند، اما همه آن ها به يك روش كار مي كنند. محيط مصنوعي به وسيله نرم‌افزار سخت افزار كامپيوتر ايجاد مي شود و به كاربر ارائه مي شود به روشي كه كاربر احساس مي كند شبيه يك محيط واقعي است. براي ورود به اين محيط برخي ابزارهاي ورودي ( از جمله دستكش اطلاعات و …..) نياز است كه به كمك مـانيتـور حـداقـل سـه حـس ( بينـايي ، شنوايي و لامسه )  را كنترل  مي كنند.
در شكل۲ بلوك دياگرام كامل يك سيستم VR را مـشــاهــده مــي كنيـد . در ايـن تصـويـر بـرنـامـه مدل‌سازي (Modeling Program) جداگانه جهت ايـجـاد اشـيـاء مـنـفـرد در مـحـيـط مـجـازي بـه كار مـــي‌رود. Application – Specific Programming بـراي شبيـه سـازي حـركـت دينـاميكي اشياء در دنياي واقعي مطابق با قوانين فيزيكي نظير جاذبه يا اينرسي به كار مي رود .  Dynamics Generators سيستمي  براي تعقيب موقعيت و حركت كاربر با استفاده از داده هاي وسايل ورودي نظير Data Glove و   Head tracker و … است . Renders يا( ارائه گرها ) جهت نمايش تصاوير يا اصوات سه بعدي به صورت زمان  حقيقي )Real- time  ( براي كاربر هستند . 
هـر سيستم واقعيت مجازي در كل از ۴ جز تشكيل مي شود : 

 ۱. داده ها
بـراي دنيـاي مجـازي كليـه اطـلاعـاتـي كه آن جهان را تعريف مي كند. چيزهايي مثل شكل، رنگ اشيا و نحوه حركت ، صدا و ازاين قبيل . داده‌ها در پزشكي مي تواند كاملا ساختگي يا تصاوير به دست آمده از   X-ray ، PET ، MRI باشند. 

۲. كامپيوتر گرافيكي پر قدرت و با سرعت بسيار بالا
در مــركـز هـر دستگـاه واقعيـت مجـازي يـك كـامپيوتر قدرتمند قرار دارد. داده هايي درباره دنــيــاي مـجــازي ذخـيــره مــي كـنــد و نــرم افــزار كـاربـردي را هـدايـت مي كند تا آنچه در جهان مـجـازي اتـفـاق مي افتد را كنترل كند همچنين اطلاعات را از سخت افزار مي گيرد و تصاوير و صـداهـايـي را تـولـيـد و ارسـال مي كند. معمولا كامپيوتر به منزله مولد واقعيت است. 

۳. نرم افزار كاربردي  
نرم افزاري براي دنياي مجازي سه بعدي كه واقعيت مجازي را به راه مي اندازد و تصاوير، صداها و فضاها را توليد مي كند و آن ها را نمايش مي دهد استفاده مي شود. دنياهاي مجازي با استفاده از زبان مدل سازي واقعيت مجازي ياVRML ايجاد مي شود. اين زبان شامل دستورالعمل هايي براي ساخت اشياء هندسي سه بعدي است. برنامه نويسان و هنرمندان در اين زبان براي ساخت فضاهاي پيچيده از اشكال هندسي استفاده مي كنند. VRML كه به صورت V-R-M-L يا Vermil تلفظ مي شود، كلمه اي اختصاري براي  Virtual Reality Modeling Language يا زبان مدل سازي واقعيت مجازي است. اين زبان كه توسعه واقعيت مجازي و فناوري هاي مدل سازي سه بعدي است در مي ۱۹۹۴ توسط مارك بسكي، تن پاريسي و گاوين بل نوشته شد. آن‌ها در انجمن حرفه اي گرافيك كامپيوتري نسبت به ايجاد يك برنامه جلوه خاص ويژه براي دنياي انيميشن سه بعدي تعاملي در روي وب اقدام كردند كه موتور محرك اين كار زبان VRMLبود.

۴. ابزارهاي ورودي و خروجي     
اين ابزارها واسط ميان كاربر و كامپيوترهستند از جمله : 

لف – نمايش گر مخصوص سر  (HMD)
با گوشي استريو جهان مجازي را مي بينيد و مي شنويد. متداول ترين نمايشگرهاي تصويري براي نمايش تصاوير مجازي است كه از دو نمايشگر مجرا براي هر دو چشم تشكيل شده است كه بر سر كاربر نصب مي شود. اين نمايشگرها داراي كيفيت زاويه ديد متفاوت هستند. ‌شكل ۳ اجزاي اصلي يك HMD را نشان مي دهد.
سه كار اصلي يك سيستم HMD عبارتند از:
۱-نمايش محيط مجازي ( تاثير بينايي)
۲-صداي محيط مجازي( تاثير شنوايي)
۳-اندازه گيري زاويه سر جهت محاسبه و تصحيح زاويه ديد توسط كامپيوتر جزئي از سيستم (tracking system)

ب – دستكش اطلاعات (Data Glove)
 ‌با گرفتن آن به دنياي مجازي مي رويد و در آن جا حركت مي كنيد. با وجود اينكه صفحه كليد وسيله خوبي براي برقراري ارتباط با كامپيوتر است اما خيلي زود مشخص شد كه براي ارتباط با محيط مجازي نقش محدود كننده اي دارد. بنابراين دستكش اطلاعات توسط توماس زيمرمان (فردي كه تلاش كرد گيتار مجازي را خلق كند) توليد شد كه به وسيله آن تماس با دنياي مجازي طبيعي تر مي شد.

بيشترين كاربردهاي واقعيت مجازي 
در يكي از اين سه مقوله جا مي گيرد:
شبيه سازي،‌تجسم،واقع گريزي.

  شبيه سازي 
شبيه سازي به معناي وانمود كردن، حل كردن يــــا تــقـلـيـــد چـيـــزي اســـت. دنـيـــاهـــاي مـجـــازي برگردان‌هاي دنياي واقعي اند، مانند شبيه سازي پـرواز يـا رانـنـدگي در محيط هاي مختلف مثل محيط فيزيكي فضايي و…

  تجسم  
تجسم به معناي مجسم كردن، قابل مشاهده ساختن به خصوص در ذهن دنياهاي مجازي كه با نشان دادن اطلاعات به صورت تصاوير سه بعدي آسان تر فهميده شوند. مثل تجسم هاي مـجــازي از فـعــالـيــت هـاي پـزشـكـي، نـظـامـي و آموزشي

 واقع گريزي
واقـع گريزي به معناي تمايل به خلاصي از واقـعـيــت دنـيــاهــاي مـجـازي كـه بـا تخيـل خلـق مـــي‌شـــونـــد، شــبــيـــه بــازي هــاي مــاجــرايــي. از مـشـخـصـه‌هـاي اسـاسـي واقعيت مجازي حس حضور واقعي در مكان شبيه سازي شده و كنترل روي آن محيط شبيه سازي شده است كه بيشتر با اسـتـفـاده از ابزار هاي مختلف بر اساس هدف كاربران و پيچيدگي فني محيط آن ها است.
مهمترين كاربرد واقعيت مجازي در آموزش – تـجـارت اكترونيكي – پژوهش هاي تجربي ، عملي و آزمايشگاهي- معماري توليد صنعتي و موارد زير است :
 فروشگاه هاي مجازي براي استفاده بهتر از تجارت الكترونيكي
 دانـشـگــاه هـاي مـجـازي كـه كـلاس هـا و آزمايشگاه هاي آن همه مجازي است و شاگردان آن در نقاط مختلف دنيا قرار دارد.
 شبيه سازي حركت وسائل نقليه و آموزش رانندگي، خلباني شبيه سازي انواع ورزش و…
 جراحي از راه دور
 كتابخانه و مراكز اطلاعاتي
 بــازي هــاي واقـعـيــت مـجــازي چنـد نفـره و ابزار‌هاي سرگرمي مجازي

تكنيك هاي پياده سازي VR در پزشكي
با بياني ساده ، واقعيت مجازي در پزشكي در واقع مشاهده داده ها (Datas) كه عموما تصاوير پـزشكـي و آنـاتـوميـك هستنـد ، بـه صـورت سه بعدي و در بعضي موارد ايجاد تعامل با محيط سه بعـدي شبيـه سـازي شده است. در اين قسمت ســعـــــي مــــي شــــود بــــه طــــور خــــلاصــــه انــــواع تكنولوژي هاي پياده سازي VR در پزشكي را نام برده و به اختصار شرح داده شود.

بدن و اعضاي مجازي 
در برنامه ريزي هاي جراحي ، جراحان در واقع با مدلي شبيه سازي شده از اطلاعات بيمار سر و كار دارند. در آموزش جراحي، براي يك شبيه سازي دقيق و واقعي نياز به  dataهاي بسيار دقيق و با جزئيات است . اطلاعات بيمار كه در VR استفاده مي شود ، از منابع گوناگوني ممكن است جمع آوري شده باشند  از جمله :
‌توموگرافي كامپيوتري  CT-Scan
‌تصويربرداري با روش تشديد مغناطيسي MRI
‌اولتراسوند 
 (PET (physiological Imaging  
‌و …
بعد از جمع آوري تصاوير و اطلاعات با تكنيك هاي گرافيك كامپيوتري ، مدل سازي  و  Rendering تبديل به تصاوير سه بعدي شبيه سازي شده بدن انسان مي شوند.

 

حـقـيـقــت مـجــازي يــا  virtual reality يكـي از زمـيـنـه‌هـاي تـحـقـيـق بـسـيـار گـسـتـرده در حـوزه مهندسي پزشكي است. در آينده اي نه چندان دور پزشكي بدون به كارگيري واقعيت مجازي و كاربردهاي آن امري محال خواهد بود.
سـيـسـتـم واقعيـت مجـازي محصـول نگـرش سايبرنتيك است كه محيط واقعي را در تعامل با مـحـيـط سـاخـتـه دسـت بـشـر بـا محوريت كاربر انـسـانـي قـرار مـي دهد و بدين ترتيب افق هاي ناپيدايي را پيش روي انسان قرن حاضر گشوده است .

 

منبع  clinicalmedicine