ابزاری جدید برای آموزش:تشخیص و درمان ، واقعیت افزوده:مشاهده باطن

برخلاف واقعیت مجازی كه كاربر را كاملا در محیط مجازی، غرق می‌سازد، كاربر در حالت واقعیت افزوده، به صورت آزادانه با محیط در تعامل است و اشیاء مجازی، مسایلی كه از حواس كاربر پنهان است را به او می‌نمایاند. به صورتی كه دنیای حقیقی و مجازی به صورت ساده جمع نمی‌گردند بلكه كاملا در تعامل است. خصوصیات سیستم و محیط واقعیت افزوده را می‌توان تعامل دنیای مجازی و واقعی، سه بعدی بودن و زمان-واقع۱ بودن.‏دانست.
● تفاوت با واقعیت مجازی
"پل میلگرام۲" در ۱۹۹۴، تعاریف جالبی از مفاهیم فوق‌الذكر ارائه نموده است. وی معتقد است كه در مصورسازی۳، گستره دنیای واقعی تا فضای مجازی، مسیر پیوسته‌ای دارد كه می‌توان عناصر مجازی را وارد دنیای واقعی كرد یا عناصر واقعی را به درون محیط مجازی آورد.
همانطور كه در شكل هم برآن تاكید شده است، آنچه به عنوان محیط در واقعیت مجازی در نظر گرفته می‌شود مدلی از محیط واقعی و نه خود آن است. برای رسیدن به هدف واقعیت افزوده لازم است تا از نوع خاصی از ‏HMD۴ كه به كاربر اجازه دیدن محیط را می‌دهد، استفاده شود. این نوع ‏HMDها به ‏See-through‏ موسومند و در دو نوع نوری۵ و دوربین‌دار۶ یافت می‌شود. مشكل نوع دوربین تاخیر آن است كه باید حتما در محاسبات سیستم در نظر گرفته شود تا به زمان-واقع بودن سیستم، خدشه‌ای وارد نشود. نوع نوری نیز بعضی از طول موج‌های نور مرئی را جذب می‌نماید و در نتیجه رنگ مشاهده شده، واقعی نخواهد بود. بسته به نوع كاربرد نوع ‏HMD‏ جهت تطابق با نیاز كاربر انتخاب می‌شود
● مزایای واقعیت افزوده
تعامل كاربر با محیط را آسان می‌سازد و اشیاء مجازی اطلاعاتی در اختیار كاربر قرار می‌دهد كه بر حواس وی پوشیده است.‏
كاربر همان طوری‌كه از دنیای واقعی، تاثیر گذارده و تاثیر می‌پذیرد، با دنیای مجازی نیز در تعامل است. ورودی‌های سیستم واقعیت افزوده، هر چیزی كه برای سنسورهای موجود، قابل حس كردن باشد و خروجی آن، عمل‌كننده بر تمام حواس انسانی است.
● انواع تعاملات كاربر و سیستم واقعیت افزوده
توسط صدا، توسط اشاره، توسط نور، توسط لمس، توسط وسایل مسیریابی، انواع ‏HMD‏ دستكش داده و حلقه انگشت اشاره.‏
روند افزودن شامل موارد زیر است:‏
افزودن اشیاء مجازی به دنیای واقعی، حذف كردن یا مخفی كردن اشیاء از جهان واقعی و تصمیم‌سازی درست.
در این راستای افزودن نكات زیر باید در نظر گرفته شود:
▪ لازم است مشخص شود كه چه اطلاعاتی مد نظر است،
▪ داده‌ها به شیوه‌ای مناسب نمایش داده شود و
▪ تعامل مناسبی بین كاربر و سیستم واقعیت افزوده برقرار گردد.‏
و تمام موارد فوق بسته به كاربرد، تعیین می‌گردد.
● كاربردهای واقعیت افزوده:
پزشكی (آموزش جراحی، تشخیص به كمك كامپیوتر، برنامه‌ریزی جراحی و ایجاد دید باز برای جراح)‏
اگر مهم‌ترین كاربرد واقعیت افزوده را استفاده از آن در امر تشخیص و درمان بیان شود، سخنی به گزاف نیست چرا كه اثرات آن غیر قابل باور است. زمانی را تصور كنید كه سیستم‌های تصویربرداری وجود نداشت، پزشكان و متخصصان در آن زمان، بدن را سیستم بسته‌ای می‌انگاشتند كه ورودی‌های محدودی دارد و تنها راه نفوذ و آگاهی از داخل این سیستم بسته، همان ورودی‌هاست. مثلا از گوش و دهان به داخل بدن بیمار نگاه می‌كردند یا درجه حرارت بدن را اندازه‌گیری می‌نمودند. كشف اشعه ‏X‏ توسط رونتگن در سال‌های پایانی قرن نوزدهم، نقطه عطفی برای دانش تصویربرداری پزشكی بود، به‌گونه‌ای كه تا سال‌ها بعد، همچنان از این روش جهت مشاهده اندام‌های داخل بدن استفاده می‌شد.
حدود ۷۰ سال بعد، هانسفیلد سیستم سی‌تی‌اسكن را بر مبنای نظریات ریاضیاتی بسیار قدیمی همچون تبدیل فوریه، تبدیل رادون و.. طراحی كرد. البته تا آن سال‌ها، كامپیوتر یا سخت‌افزار خاصی وجود نداشت كه قابلیت انجام محاسبات پیچیده این فرآیند را داشته باشد، در نتیجه امكان پیاده‌سازی سیستم مورد نظر، فراهم نشده بود اما تیم هانسفیلد، نخستین گروهی بود كه توانست این كار را انجام دهد. در این فرآیند، دریافت داده‌های سی‌تی‌اسكن حدود چند ساعت و محاسبات لازم جهت بازسازی تصاویر نیز چند روز به‌طول می‌انجامید. البته با توجه به اینكه در مدت تصویربرداری، قطعا بیمار حركت كرده و جابجا شده و تنفس كرده بود، تصاویر كیفیت مناسبی نداشت ولی با این وجود، در آن زمان تنها تصاویری بود كه اطلاعات مفیدی پیرامون استخوان‌ها به پزشكان ارائه می‌نمود.
گفتنی است تحقیقات در شاخه‌های دیگر تصویر‌برداری همچون التراسوند، از سال‌های پیش از آن آغاز شده بود. یكی از مهم‌ترین دلایل پیشرفت در شاخه التراسوند، غرق شدن كشتی تایتانیك بود كه در زمان خود، جنجال‌های بسیار آفرید و دانشمندان را وادار كرد تا چاره‌ای برای آگاهی كشتی‌ها از وجود مانع در پیش روی آنها بیاندیشند. این امر تا جنگ‌های جهانی اول و دوم نیز ادامه یافت تا اینكه در سال ۶۰ میلادی، "یان دونالد" و همكارانش از التراسوند برای مشاهده جنین استفاده كردند و این نقطه آغاز بهره‌برداری پزشكی و بالینی از التراسوند بود. البته صحبت پیرامون تصویربرداری پزشكی، از حوصله این بحث خارج است.
آنچه مسلم است، این اطلاعات بالینی هر روز زیاد و زیادتر می‌شود اما همه تیم‌های تحقیقاتی به این نتیجه رسیده‌اند كه لازم است سیستم‌هایی طراحی شوند كه بیشترین و بهینه‌ترین اطلاعات را به پزشكان منتقل نماید. این امر به‌ویژه در تیم‌های جراحی كه عملیات بسیار حساسی را دنبال می‌كنند، اهمیت خاصی دارد.
همان‌طور كه در تصویر فوق مشاهده می‌شود، جراح به هنگام استفاده از آندوسكوپی، ملزم است سرش را بچرخاند و به مانیتوری كه در در كنار وی قرار گرفته است، نگاه كند؛ تنها به این دلیل كه مهندسان نصب و سرویس شركت مربوطه، آن مانینور را بدون مشورت با جراح، در جایی كه مناسب بوده است، نصب نكرده‌اند. بدین ترتیب تمام زحمت و فعالیت یك عمل جراحی بر عهده جراح قرار می‌گیرد، زیرا وی مجبور است سرش را به سمت دیگری بچرخاند و به صورت ذهنی، اطلاعات چند مانیتوری را كه در اتاق عمل قرار گرفته است را با هم تركیب نماید و با قدرت رویاپردازی خود، مشاهدات خود را از خارج بدن بیمار با داخل بدن وی منطبق نماید. این مشكل را می‌توان بدین‌گونه حل نمود كه تمام اطلاعات به‌دست آمده از بیمار را به یك سیستم منتقل كرد تا این سیستم، بیشترین بهره اطلاعاتی را برای پزشك و جراح به‌همراه داشته باشد.
● آموزش جراحی
با استفاده از سیستم آموزش جراحی هزاران بار می‌توان روی بیمار عمل جراحی انجام داد تا مهارت جراح به بالاترین حد ممكن برسد. در این سیستم، سعی شده است تا با شبیه‌سازی محیط جراحی، امكان تكرار هزاران عمل جراحی در طی ساعت‌های متوالی و طولانی، فراهم آید. به دلیل استفاده از مفهوم واقعیت افزوده به جای واقعیت مجازی در این سیستم، حتی‌المقدور سعی شده است تا اجزای بیشتری از فرآیند جراحی به صورت واقعی قرار داده شود و تنها اجزایی از عمل را كه مخاطره‌آمیز است و لزوما جراح باید در آن حیطه، مهارت خود را افزایش دهد، به صورت مجازی، شبیه‌سازی شود. مثلا جراح می‌تواند بر روی حیوانات یا فانتوم‌های هوشمند جراحی كند تا واقعا احساس انجام عمل را داشته باشد، در غیر این صورت اگر همه اجزای اتاق عمل و فرآیند جراحی، مجازی باشد، نمی‌تواند عكس‌العمل‌های لازم را از خود بروز دهد.
● تشخیص به كمك كامپیوتر ‏‎(۷CAD)
‎امروزه فناوری ‏RP۸ كاربردهای گسترده‌ای در صنایع مختلف از جمله پزشكی، خودروسازی، هوا ‌و ‌فضا و... پیدا كرده‌است. این فن‌آوری در زمینه پزشكی موجب ارائه خدماتی همچون نمایش سه بعدی آناتومی بیمار، برنامه‌ریزی جراحی طراحی ایمپلنت و تولید پروتز شده است. این روش با دقت مناسب در زمان بهینه، امكان حذف اشتباهات جراح را ارائه می‌نماید.● برنامه‌ریزی جراحی
معمولا در جراحی‌های با حداقل آسیب۹، به صورت دستی یا با روبات‌های خاصی همچنین داوینچی صورت می‌گیرد. نخست دریچه‌هایی توسط جراح ایجاد می‌شود و ابزار جراحی یا دوربین به داخل بدن بیمار فرستاده می‌شود. وقتی این دریچه‌ها باز می‌شود، دیگر نمی‌توان مكان آنها را تغییر داد، چرا كه در غیر این صورت تفاوتی با روش جراحی باز نخواهد داشت. پس در عین حال كه انتخاب این دریچه‌ها بسیار مهم است، دسترسی مناسب به تومور و امكان خارج ساختن آنها نیز به دریچه‌ها بستگی دارد.
این رویه تاكنون به صورت حسی بوده است و پزشك با مشاهده نتایج سی‌تی‌اسكن بیمار تشخیص می‌داده كه سوراخ را در كجا ایجاد نماید. با توجه به اینكه آناتومی افراد مختلف با یكدیگر متفاوت است و یك قانون و قاعده كلی برای همگی آنها نمی‌توان یافت، روشی ابداع شده است كه به صورت مجازی به پزشك نشان دهد اگر از یك سوراخ فرضی وارد بدن بیمار شود، چه چیزهایی را خواهد دید. به عبارت دیگر، جراح به صورت واقعی دست خود را به همراه ابزار مربوطه بر روی بدن بیمار و حول نقطه‌ای كه می‌خواهد سوراخ كند، تكان می‌دهد و به صورت مجازی و بر مبنای اطلاعات حاصل از سی‌تی‌اسكن، به وی نشان داده می‌شود كه سوراخ كردن این نقطه، چه اندام‌هایی از بدن بیمار را در دسترس وی قرار می‌دهد.
روش‌های قبلی به دو دلیل برای پزشكان جالب نبود: متناسب با زاویه‌ای كه سیستم تصویربرداری نقاط مورد نظر را لمس می‌كند، دقت تصاویر تغییر می‌كند و حركت با روباتی همانند داوینچی بسیار مشكل است و نیاز است كه جراح دیگری این روبات را كنترل كند. در روشی كه بر پایه واقعیت افزوده استوار است، نشانگرهایی بر‌روی بدن بیمار نصب می‌شود كه موقعیت این نشانگرها در تصاویر در تصاویر سی‌تی‌اسكن قابل مشاهده است. حال به‌جای اینكه جراح، این نشانگرها را با روبات لمس كند، با دوربین خود و خارج از بدن بیمار، حركت می‌كند و حركت و موقعیت دوربین با استفاده از اصول بینایی كامپیوتر۱۰ محاسبه كرده و فضای سه‌بعدی داخل بدن بیمار از زاویه دید این دوربین بازسازی می‌شود. سپس این فضای بازسازی شده با تصاویر سی‌تی‌اسكنی كه در دسترس است تطبیق داده می‌شود تا به صورت مجازی به پزشك نشان داده شود كه از هركجایی كه وارد بدن بیمار شود، چه چیزهایی را خواهد دید. این روش دو مزیت دارد: نخست اینكه جهت تعیین ‏Port Placementها بسیار مناسب است. در عین حال، با توجه به اینكه روبات‌هایی همچون داوینچی به هنگام برگشت از مسیر سوراخ شده، در صورت سهل‌انگاری می‌تواند به اندام‌های مجاور آسیب برسانند (چرا كه امكان مشاهده اندام‌های مجاور وجود ندارد)، این مشكل به هنگام استفاده از روش ذكر شده، حل شده است البته توجه به این نكته ضروری است كه در تمامی این روش‌ها فرض بر این بوده است كه بیمار جا‌به‌جا نشده و ثابت است.
● رجیستر۱۱ تصاویر مختلف پزشكی
بخش اصلی فعالیت در حوزه جراحی، شامل رجیستر یا تركیب و انطباق داده‌هایی است كه به‌دست آمده است. این اطلاعات می تواند مربوط به زمان‌های قبل از عمل، در حین عمل و پس از انجام آن باشد. به عنوان مثال بیماری را در نظر بگیرید كه در پس از انجام سی‌تی‌اسكن از وی مشخص شده است كه یك تومور دارد. در اتاق عمل نیز از وی تصاویر رادیوگرافی گرفته شده است و هدف این است كه زاویه‌ای كه این تصاویر نسبت به تصاویر سی‌تی‌اسكن دارند، به دو دلیل محاسبه شود: نخست اینكه زاویه دریافت تصاویر به‌دست آید و دوم اینكه اگر بر اساس تصاویر سی‌تی‌اسكن، برنامه‌ای جهت دسترسی به آن تومور طراحی شود.
با انطباق این دو روش تصویربرداری، می‌توان تومور را خارج نمود به بیان دیگر، لازم است كه همه اطلاعات به یك فضای مشترك برده شود تا پس از انطباق تمام تصاویر بر‌روی‌هم، بتوان چاقوی جراحی را در حین عمل جراحی، ردیابی نمود. سخت‌ترین بخش این عملیات، به‌دست آوردن توابع نگاشت تصاویر اولیه بر روی آن فضای مشترك است. در برخی موارد لازم است كه این تابع نگاشت متناسب با اندام مورد نظر جهت تصویربرداری، سخت۱۲ یا غیر‌سخت۱۳ باشد. در جراحی‌های عصبی و ارتوپدی همواره فرض بر آن است كه توابع تبدیل، سخت است، لذا تنها امكان حركت و چرخش مختصاتی اندام مورد نظر وجود دارد. اما در جراحی‌های كبد، طحال، قلب و سایر اندام‌های متحرك بدن، از توابع غیر‌سخت استفاده می‌شود؛ چرا كه شكل این اندام‌ها در حین تصویربرداری و جراحی تغییر می‌كند و لازم است شكل و آناتومی آنها بخش‌بندی و استخراج شود، نه مختصات آنها.
مهم‌ترین نكته‌ای كه در پیاده‌سازی این روش باید در‌نظر داشت، این نكته است كه این اطلاعات چگونه باید در تعامل قرار گیرد تا بیشترین و بهینه‌ترین اطلاعات به پزشك كه معمولا پزشك است، انتقال داده شود و كاربر با حجم عظیمی از داده‌ها با آنتروپی بالا روبرو نگردد و در بخش مصورسازی تنها اطلاعات مفید، یعنی هرآنچه لازم است، نشان داده شود.
دیگر كاربردهای واقعیت افزوده را می‌توان به صورت زیر فهرست نمود:
▪ تصمیم‌گیری در مورد مسیر حركت روبات
▪ یادداشت‌گذاری
▪ جهت‌یابی
▪ طراحی و ساخت و ساز ‌و ‌تعمیر
▪ صنعت سینما و كاربرهای نظامی.‏
▪ محدودیت‌های سیستم واقعیت افزوده
▪ حوزه دید محدود و نبود سایه‌،
▪ محدودیت مربوط به سنسورها،
▪ محدودیت مربوط به مدل و
▪ مشكلات خاص ثبت و تركیب واقعیت و مجاز.‏
● انواع خطاهای سیستم واقعیت افزوده‏
خطاهای استاتیك كه ناشی از محدودیت‌های ذكر شده است و خطاهای دینامیك كه عمده خطاهای دینامیك ایجاد شده در اثر حركت سر فرد و در نتیجه جابجا شدن ‏HMD‏ است كه به این ترتیب تصویر در اثر حركت، كشیده می‌شود۱۴.
● بحث
سیستم واقعیت افزوده محصول نگرشی سایبرنتیكی است كه محیط واقعی را در تعامل با محیط ساخته دست بشر با محوریت كاربر انسانی قرار می‌دهد و بدین ترتیب افق‌های ناپیدایی را پیش روی انسان قرن حاضر گشوده است.
در حوزه مهندسی پزشكی و پزشكی، مهندسان پزشكی باید در تعامل كامل با پزشكان باشند. لازم است كه مهندس پزشك بتواند گردش كار پزشكان (خصوصا جراحان در بحث واقعیت افزوده) را بررسی و مدلسازی كند. به عبارت دیگر، فناوری‌های روز دنیا را این نیاز كاربران (پزشكان) منطبق و بهینه نماید.

نویسنده: مهسا محق-دکتر محمد رضا هاشمی گلپایگانی
پست الکترونیکی: [e-mail]
مراجع:
‏‎[۱] Augmented Reality in Medicine - A view to the patient&#۰۳۹;s inside
Dr.-Ing. Michael Schnaider, Bernd Schwald
‎[۲] A Survey of Augmented Reality
Ronald T. Azuma
Hughes Research Laboratories
۳۰۱۱ Malibu Canyon Road, MS RL۹۶
Malibu, CA ۹۰۲۶۵‎
‏‎[۳] Wikipedia Free Encyclopedia, "Augmented Reality"‎
‎[۴] Navigation Methods for an Augmented Reality System, Morten Fjeld, Fred Voorhorst
Martin Bichsel, Helmut Krueger
IHA/IKB
Swiss Federal Institute of Technology
Clausiusstr. ۲۵, CH-۸۰۹۲ Zurich, Switzerland
www.fjeld.ch, [e-mail]
Matthias Rauterberg
IPO
Technical University Eindhoven
Den Dolech ۲, NL-۵۶۱۲ AZ Eindhoven
The Netherlands
[e-mail]
‎[۵] A CONCEPT WORK FOR AUGMENTED REALITY VISUALISATION BASED ON A
MEDICAL APPLICATION IN LIVER SURGERY
Tim Suthau۱ , Marcus Vetter۲, Peter Hassenpflug۲, Hans-Peter Meinzer۲, Olaf Hellwich۱
۱Technical University Berlin, Photogrammetry and Cartography
EB ۹, Stra?e des ۱۷. Juni ۱۳۵, ۱۰۶۲۳ Berlin, Germany
۲Deutsches Krebsforschungszentrum, Div. Medical and Biological Informatics
Im Neuenheimer Feld ۲۸۰, ۶۹۱۲۰ Heidelberg, Germany
‎‎[۶] A High Performance AR System for Medical Applications
Sebastian Vogt۱, Ali Khamene۱, Frank Sauer۱, Andreas Keil۱, and Heinrich Niemann۲
۱ Siemens Corporate Research, Imaging & Visualization Department, Princeton, NJ, USA
۲ Chair for Pattern Recognition, Universit ¨at Erlangen-N¨urnberg, Erlangen, Germany
[e-mail]
‎[۷] wwwnavab.in.tum.de‎
۱‏ ‏Real-Time
۲‏ ‏Paul Milgram
۳‏ ‏Visualization
۴‏ ‏Head Mounted Display
۵‏ ‏Optical HMD
۶‏ ‏Camera HMD
۷‏ ‏Computer Aided Diagnosis
۸‏ ‏Rapid Prototyping
۹‏ ‏Minimally Invasive
۱۰‏ ‏Computer Vision
۱۱‏ ‏Register
۱۲‏ ‏rigid
۱۳‏ ‏non-rigid
۱۴‏ ‏Motion Bluring

منبع : مجله مهندسی پزشکی و تجهیزات آزمایشگاهی