• Виртуальная реальность
  • Шлем виртуальной реальности
  • Комната виртуальной реальности
  • Прототип автомобиля в виртуальной реальности
  • Виртуальная реальность, визуализация данных
  • Виртуальная реальность в автомобилестроении
  • Человек в виртуальной реальности
  • Комната виртуальной реальности
  • virtual reality aviation

Виртуальная реальность в медицине. Лед тронулся, господа!

Г. Майская

В 1994 году главный хирург Медицинского центра Уолтера Рида Армии США полковник Ричард Сатава смело прогнозировал будущее медицины, заявив: “Сегодня мы в середине этапа фундаментального преобразования медицинской практики, ставшего возможным благодаря информационной революции”. И из множества понятий новой информационной эпохи он отметил виртуальную реальность (ВР) как самое многообещающее. Он считал близким день, когда хирурги смогут оттачивать свое мастерство на ВР-моделях, а студенты – обучаться на виртуальных трупах, неотличимых от настоящих. Прошло шесть лет, и, по большому счету, полковник ошибся. По-прежнему не покидающие больницы невыспавшиеся врачи приобретают опыт, пользуя любых больных, поступающих к ним по скорой помощи. А пациенты по-прежнему подвергаются болезненным операциям, после которых долго не могут восстановить силы. Виртуальную реальность Вы скорее найдете в ординаторской, чем в операционной. Но процесс пошел, и сегодня ВР-модели в медицине начинают играть ту же роль, что и тренажеры в авиации 50 лет назад.

Согласно отчету Института медицины США “Человеку свойственно ошибаться: построение безвредной системы здравоохранения”, ежегодно в результате ошибок врачей только в США погибает 10 тыс. пациентов. Сторонники использования средств виртуальной реальности в медицине убеждены, что новая технология позволит улучшить эту зловещую статистику. Настало время объединить средства формирования цифрового изображения, электронные базы данных, сетевые решения и методики проведения хирургических операций. При этом для получения “реального” виртуального мира нужны графические устройства с высоким разрешением. Необходимо воспроизводить свойства органов (их деформацию при развитии или кинематику суставов) и их реакцию на вмешательство (кровотечение артерий или появление желчи при операциях на желчном пузыре), а также взаимодействие между объектами (например, хирургическим инструментом и оперируемым органом). И наконец, нужна обратная связь, характеризующая тактильные ощущения и развиваемые усилия.

В 1989 году методами виртуальной реальности была проведена первая лапароскопическая операция на желчном пузыре. Операция заключается в вводе через небольшой разрез в теле миниатюрной камеры для воспроизведения на мониторе больного органа и последующего хирургического вмешательства с помощью инструментов, подаваемых через небольшие разреза в теле. Но пока ВР в основном используется для обучения и повышения квалификации врачей. Опытные образцы обучающих систем ВР появились в начале 90-х годов, а сегодня на рынке уже представлены и коммерческие устройства. Тем не менее в США только 1% будущих врачей могут воспользоваться достоинствами такого обучения.

Типичная ВР-система обучения содержит моно- или стереоскопический дисплей (пока это обычный монитор на базе ЭЛТ, в будущем возможно применение нашлемного индикатора, видеоочков, голограмм), ПК или более мощный компьютер и интерфейс для взаимодействия с моделью. И хотя основная цель всех систем обучения едина, существует множество их разновидностей. Сегодня медики горячо спорят о том, насколько точно нужно имитировать картину и ощущения, возникающие при реальной операции. Современная технология позволяет имитировать ощущения врача при виртуальном касании пациента и издаваемые им звуки, а также воспроизводить “живые” изображения. Но чем выше “реализм” такой имитации, тем дороже система. Поэтому ряд компаний использует простое графическое моделирование на базе ПК младших моделей.

Для успешного взаимодействия пользователя с графическим изображением ВР нужно знать местоположение виртуального инструмента и зафиксировать момент его соприкосновения с телом или органом. А это требует моделирования реакций различных тканей на разрезы, уколы, пункции и т.п. Чтобы исключить мерцание графического изображения, следует детектировать соприкосновение и деформацию ткани с частотой не менее 30 Гц. Для моделирования ткани человеческого тела, будь то зубная эмаль, кожа или кровеносный сосуд, необходимы образцы этой ткани и крови. Из результатов исследований с помощью магнитного резонанса, видеозаписей или на основе компьютерной модели, разработанной Национальной медицинской лабораторией, можно получить анатомическое изображение пациента и отобразить его в цифровом виде на многоугольной сетке. Зачастую ткань можно отобразить в виде многоугольной сетки, реагирующей на возмущение подобно матрице масс, объединенных пружинами и амортизаторами. Параметры моделей подбираются соответственно реальным ощущениям хирурга. Сейчас в отделении НИОКР фирмы General Electric разрабатывается система отображения трехмерной модели на основе данных магниторезонансного формирования изображения и компьютерной томографии, дающих послойный вид органа или ткани. Система может воспроизводить трехмерное изображение объекта, который должен видеть хирург с той или иной точки зрения. Появляется возможность показывать все, что “видит” эндоскопический зонд на своем пути. Это значительно повысит эффективность обучения с помощью ВР.

А пока самая популярная система подготовки хирургов – установка модели MIST VR фирмы MUSE Technologies, которой оснащены около 70 медицинских учебных заведений США. Предназначена она для обучения приемам проведения лапароскопии. Эта методика существенно снизила стоимость и болезненные ощущения некоторых операций. Но работа с ней требует большого мастерства. Установка MIST (система хирургического обучения с минимальным вмешательством) не похожа на хирургический аппарат. Цветной монитор воспроизводит простые геометрические тела, а не органы человека. Ручки интерфейса, подключенного к компьютеру, подобны реальному инструменту для лапароскопии желчного пузыря или яичников. Но система не предназначена для имитации действий при проведении операции. Ее цель – развитие психомоторных навыков. Она позволяет студенту улучшить координацию своих действий в соответствии с изображением на экране монитора при выполнении шести основных задач – от захвата виртуального шарика и переноса его в коробку до вырезания одной рукой трех частей из шарика, который держат другой. Компьютер регистрирует не только выполнение задания, но и оценивает (с высокой точностью, в отличие от человека) эффективность действий, затрачиваемое время и серьезность ошибок. ПК системы MIST выполнен на базе 700-МГц микропроцессора Pentium III. Стоимость MIST, включая ПК, монитор, пользовательский интерфейс, программное обеспечение и вспомогательные средства, – 20 тыс. долларов.

Но врачу важно не только видеть исследуемую ткань, но и ощущать взаимодействие с ней. Поэтому сегодня особое внимание привлекают средства моделирования тактильных ощущений. Для формирования таких моделей необходимо обновлять сигналы осязания с частотой не менее нескольких килогерц, причем чем тверже объект соприкосновения, тем выше должна быть частота. Но и моделирование соприкосновения с мягкими или упругими тканями не простая задача, поскольку точек взаимодействия между виртуальными мягким телом и инструментом значительно больше, чем между виртуальными инструментом и твердой тканью. Задача усложняется при соприкосновении двух гибких объектов, например толстой кишки и длинного гибкого зонда, предназначенного для ее обследования. Механика таких соприкосновений очень сложна, и при этом возможна деформация одного объекта другим. Следует отметить также, что прикосновение не существующего в действительности предмета производит на человека неожиданно сильный психологический эффект.

Эти проблемы рассматривались на проведенной в начале 2000 года Институтом инженеров электротехники и радиоэлектроники конференции и выставке по виртуальной реальности. Были представлены некоторые образцы ВР-устройств, уже выпущенных на рынок, в том числе и поставляемый фирмой SensAble Technologies тактильный интерфейс Phantom. Это устройство размером с настольную лампу напоминает руку робота, выполняющую функции датчика с шестью степенями свободы или обеспечивающую силовую обратную связь с тремя степенями свободы. К руке может крепиться любой медицинский инструмент. Пакет программ, названный Ghost (призрак), преобразует такие характеристики, как эластичность или шероховатость в команды для Phantom’а, и на выходе исполнительного механизма с частотой около 1 кГц синтезируется усилие, соответствующее моделируемой виртуальной среде (см. рис.).

Интерфейс Phantom, созданный в лаборатории осязания Массачусетского технологического института, применяется в различных системах ВР. В том же институте создана система моделирования на основе двух интерфейсов Phantom, обеспечивающих тактильную обратную связь при работе с лапароскопическими инструментами. Система предназначена для приобретения навыков ввода катетера при операции удаления желчного пузыря без повреждения близлежащих мягких тканей, например печени.

Шведская фирма ReachIn Technologies для повышения эффективности Phantom’а объединила интерфейс со своей вычислительной средой и создала систему трехмерного моделирования взаимодействия и возникающих при этом тактильных ощущений и звука. На выставке фирма демонстрировала комплекс, позволяющий проецировать на рабочую панель изображение объекта, воспроизводимое наклоняемым компьютерным монитором. Специальные очки дают пользователю возможность видеть объемный виртуальный объект, а интерфейс Phantom – “чувствовать” его при манипуляции рабочим инструментом. В аппаратные средства комплекса встроены и стереодинамики, воссоздающие характерные для взаимодействия звуки (например, бормашины).

Весьма перспективно применение тактильных устройств в ВР-системах обучения зубных врачей. Обучающую стоматологическую ВР-систему (Virtual Reality Dental Training System – VRDTS) намерены создать фирма Teneo Computing, специализирующаяся в области трехмерной ВР, и стоматологическая школа при Гарвардском университете – признанный в мире эксперт в области зубоврачебной практики, исследований и обучения. Teneo Computing впервые объединила трехмерные тактильные интерфейсы со стереоизображением и получила реальные трехмерные модели взаимодействия. Используя вместо мыши рабочий инструмент тактильного прибора (это может быть сверло или четыре других зубоврачебных инструмента), будущий стоматолог может не только найти виртуальный объект, но и “почувствовать” его. Система способна моделировать зубы с различными свойствами эмали, мягкой пульпой и даже с повреждениями. С помощью такой системы студенты смогут неоднократно сверлить один и тот же зуб и даже, увеличив изображение, увидеть и оценить результаты своей работы. Возможно, в новой системе обучения трехмерное тактильное устройство 3D TouchTM будет работать с рабочими станциями компании Sun Microsystems. О намерении объединить тактильный интерфейс, реализованный на базе программных средств Ghost, с рабочей станцией Solaris фирмы объявили в июле 2000 года.

Таким образом, тактильные системы дают хорошую аппроксимацию ощущений при прикосновении к предмету. Но современные алгоритмы большинства систем моделируют точечные взаимодействия. А это может привести к воспроизведению нереальных ситуаций. Например, рассмотрение взаимодействия виртуального инструмента только в одной точке может окончиться тем, что край инструмента “проткнет” объект, на который он должен лишь давить. Чтобы исключить такие оплошности, специалисты Touch Lab разработали алгоритмы моделирования виртуальных инструментов в виде линий и расчета усилий, возникающих при всех соприкосновениях с ними. Результирующие усилия и крутящие моменты передаются пользователю с помощью двух интерфейсов Phantom. Конечная цель этой работы – представить виртуальный инструмент в виде трехмерного объекта, что приведет к экспоненциальному увеличению объема вычислений. К счастью, устройства ВР могут легко обмануть пользователя путем установления “правильного” соотношения между тем, что он воспринимает с помощью тактильной системы, и тем, что он в это время видит. В сознании человека визуальные признаки, способствующие восприятию объекта, иногда могут преобладать над тактильными, и тогда ему кажется, что предмет тверже или мягче, чем сообщает тактильное устройство. Это явление позволит разработчикам систем ВР облегчить расчеты тактильных ощущений.

Пока оптимальные ощущения (удовлетворяющие или не удовлетворяющие большинство врачей) устанавливаются эмпирически. И здесь может помочь система аттестации “лучших приемов”, выработанных с помощью ВР, – Benchmark VRTM. Созданная фирмой HT Medical Systems – ведущим разработчиком технологии медицинской ВР система предназначена для оптимизации лучших методик лечения путем аттестации деятельности ведущих медиков, а также выработки стандартов обучения и оценки его эффективности с помощью устройств моделирования. В системе Benchmark VRTM запатентованные HT Medical компьютерные имитационные средства, программы визуализации и робототехнические устройства с тактильной обратной связью объединены с достаточно дешевым, но мощным компьютером. База данных моделирующего устройства позволяет сопоставлять работу всех пользователей с контрольными данными. Первоначально система предназначалась для оценки качества проведения внутривенных инъекций, которые в американских больницах ежегодно назначаются более 2 млн. человек. И при этом ежегодно 850 тыс. из них катетером вносятся инфекции, что повышает стоимость ухода за больным в среднем на 6 тыс. долл., или в целом по стране на 5,1 млрд. долл. На проведение этой разработки фирма HT Medical Systems получила грант Администрации финансирования здравоохранения США.

Сегодня фирма HT Medical помимо системы обучения методике проведения внутривенных процедур на основе устройства Benchmark VRTM выпускает оборудование моделирования эндоскопических и сосудистых исследований семейства PreOPTM. С помощью графических устройств реального времени, позволяющих получать анатомические модели на основе данных пациента, и робототехнического интерфейса системы семейства передают тактильные ощущения, испытываемые при проведении реальной процедуры. Программные средства моделирования предупреждают пользователя о неминуемом нанесении телесного повреждения “пациенту”. Системы также оценивают качество выполнения процедуры. В семейство PreOPTM входят устройства моделирования процедур бронхоскопии, сигмоидоскопии и уретоскопии.

Таким образом, пока ВР-системы предназначены в основном для обучения конкретным приемам: сшиванию сосудов, установки катетеров и т.п. Они менее эффективны при имитации таких приемов, как выполнение разрезов, удаление опухолей, не говоря о полной имитации хирургического вмешательства – от подготовки пациента к операции до выполнения трансплантации или действий на больном органе и наложении швов. Для создания таких систем моделирования необходимо лучше понимать механические реакции оперируемых тканей и органов человека. Уравнения для решения такой сложной задачи известны. Так, в лаборатории осязания Массачусетского технологического института разработаны алгоритмы воссоздания механических ощущений, возникающих при разрезе мягких тканей. Но при этом быстродействие компьютера должно быть сопоставимо со скоростями обновления воспроизводимого изображения – 30 Гц и данных тактильного интерфейса – 500–100 Гц. Для моделирования открытых хирургических операций, например трансплантации органов, когда друг с другом взаимодействуют разнообразные “упругие” органы и твердые хирургические инструменты, также необходима боўльшая вычислительная мощность, чем при моделировании эндоскопических процедур, осуществляемом современными ПК. Решение этих задач требует моделирования тканей человеческого тела, а для этого, в свою очередь, нужны образцы живых тканей. Желающих стать донорами и пойти под нож только для того, чтобы хирург мог понять, какое нужно усилие, чтобы проткнуть поджелудочную железу, мало. Некоторые исследователи пытаются убыстрить расчеты сложных моделей тканей человеческого тела, используя параллельные методы, например проекционно-разностный. Предпринимались попытки строить модели на базе пружин и ограничителей или упростить проекционно-разностные расчеты так, чтобы получить достаточно точное соответствие модели без сложных вычислений.

Что же дальше? Методы ВР могут оказаться весьма полезными при проведении операций робототехническими средствами, когда хирург дистанционно управляет действиями робототехнических инструментов на и в теле пациента, чувствуя при этом его реакцию. Серьезное влияние на развитие медицинских моделей окажет и Интернет, облегчающий совместное пользование машинными моделями, формирование централизованной библиотеки обучающих средств ВР и обучение медицинского сообщества новой улучшенной практике с помощью ВР. Со временем удастся оценивать навыки студентов и по единому мировому стандарту. Работы в этом направлении ведутся Европейским Союзом, финансирующим недавно начатую двухлетнюю программу создания такой системы.

Продвижению средств ВР в медицину в значительной степени способствовал 40-летний опыт тренировки летчиков ВВС США. И сегодня работы Министерства обороны США, по-видимому, могут принести пользу медицинским исследованиям. В числе этих работ – проводимая Массачусетским технологическим институтом по контракту с DARPA (Управление перспективных разработок МО США) программа создания новых тактильных интерфейсов на основе микроэлектромехначеских систем (MEMS). Используемые в программе MEMS стимуляторы и преобразователи для будущих интерфейсов поставляются Университетом Карнеги Меллона. В рамках программы с помощью созданной в Институте аппаратуры динамического тестирования кожи будет измерено и охарактеризовано сопротивление различных участков человеческого тела механическому воздействию. Аппаратура на основе автоматизированной двухрежимной системы позволит непрерывно определять положение и усилие, развиваемое зондом диаметром 0,5 мм при нажатии и последующем снятии усилия. Программа также предусматривает изучение разрешающей способности восприятия при воздействии различных средств стимулирования тактильных вибрационных ощущений.

Помимо обучения и обеспечения возможности имитации хирургических операций существуют и другие области использования виртуальной реальности в медицине. Весьма перспективна ВР для визуализации громадных баз медицинских данных. Так, трехмерное представление в виде кластеров точек полученных во время вьетнамской войны ранений и затронутых при этом органов, а также регистрация летальных исходов позволили проиллюстрировать и выявить соотношения, которые иным способом обнаружить нельзя. Рассмотрение трехмерного представления с разных точек зрения дает различные данные и, следовательно, интерпретации их также различны. Пока такое перспективное применение ВР не нашло широкого распространения.

Все чаще ВР используется для реабилитации больных и расширения возможностей инвалидов. Например, виртуальная среда позволяет воссоздавать условия пользования инвалидным креслом. А с помощью устройства слежения за направлением взгляда парализованный ребенок смог развить свое взаимодействие с внешним миром.

Весьма перспективен виртуальный подход при формировании фундамента медицинской инфраструктуры, например для проектирования архитектуры операционной будущего с учетом необходимости создания совершенно новой среды, способной поддерживать изменения, вносимые в современную медицину виртуальной реальностью.

Эпоха традиционной медицины заканчивается. Нужно готовиться к новым, неожиданным решениям.

IEEE Spectrum, 2000, v.37, N7.

www.teneocomp.com

www.ht.com/webpr