كاربردهای واقعيت مجازی (Virtual Reality) در پزشكی

كاربردهای واقعيت مجازی (Virtual Reality) در پزشكی

مصورسازي (Visualization) ، آندوسكوپي مجازي ، برونكوسكوپي و كولونوسكوپي تعدادي از كاربردهاي واقعيت مجازي‌ در پزشكي  هستند.

براي درك بهتر تفاوت آندوسكوپي كلاسيك و مجازي ، ابتدا مختصري درباره آندوسكوپي كلاسيك شرح داده مي شود. آندوسكوپي كلاسيك عبارت است از ورود يك سيستم Optical به داخل ارگان بيمار (كولون ، معده ، روده ، سينوس و ...) جهت معاينه است. 

مزيت: 
 ‌ايجاد تصوير واضح و روشن از سطح بافت جهت تشخيص 

معايب:

امكان ايجاد جراحت سطح بافت ، Semi Invasive

عدم امكان عبور از ديواره های كولون 

ولي در آندوسكوپي مجازي يا Virtual Endoscopy كاملا غير تهاجمي بوده و آسيبي به بيمار نمي رسد.

مراحل آندوسكوپی مجازی:

1) تصويربرداري سه بعدي‌ از ارگان مورد نظر (CT, MRI و ...)
2) پيش پردازش تصوير (Registeration , Interpolation) ‌سه بعدي
3) تقطيع تصوير سه بعدي‌ جهت ايجاد مدل آناتوميك Segmentation
4) محاسبه مسير Camera-Target سه بعدي‌ جهت انتخاب خودكار يا دستي مسير مشاهده 
5) قراردادن نماهاي مكرر در مسير 
6) مشاهده به منظور توليد انيميشن

مناسب جهت ارگان هاي بزرگ سايز مانند: سيستم قلبي عروقي ، مفاصل اصلي ، سيستم كليوي ، نخاع 

اولين سيستم Virtual Reality در مورد كولونوسكوپي  و در سال 1995 استفاده شد. 

مزايا:
‌عدم وجود محدوديت حركتي براي دستگاه  Endoscope
كاملا غير تهاجمي 
بدون نياز به بستري بيمار در بيمارستان

معايب:
‌تكنيك هاي آندوسكوپي مجازي كنوني امكان بازسازي تصوير ظاهر سطح بافت ارگان را ندارند. 

آموزش پزشكی 
عمده ترين كاربرد واقعيت مجازي در پزشكي ، استفاده از آن جهت آموزش فعال آناتومي و فيزيولوژي به دانشجويان پزشكي است. با استفاده از اين سيستم دانشجويان مي توانند در يك محيط شبيه سازي شده و سه بعدي به صورت موثر و بهينه يادگيري داشته باشند. 

آموزش جراحی و سنجش دستيار 
با استفاده از سيستم آموزش جراحي ، هزاران بار مي توان روي بيمار عمل جراحي انجام داد تا مهارت جراح به بالاترين حد برسد. در اين سيستم سعي مي شود تا با شبيه‌سازي محيط جراحي ، امكان تكرار هزاران عمل جراحي در طي ساعت هاي متوالي و طولاني فراهم آيد. از جمله زمينه هاي آموزش جراحي كه  Virtual Reality در آن ها كاربرد زيادي دارد ، عبارتند از:

Laparoscopic Surgery  جراحي لاپاروسكوپي 
Heart Catheterization Simulation   كاتتراسيون قلب
Open Surgery  جراحي باز

روانپزشكی
يكي از كاربردهاي مهم واقعيت مجازي در حوزه روان پزشكي است. در روانپزشكي ، واقعيت مجازي روشي براي درمان اختلالات رواني افراد محسوب مي‌شود. يكي از اين موارد درمان بيماري هراس (‌فوبيا)‌ است. فوبيا ترس شديد از جسم يا وضعيتي خاص است. بيمار با آن كه مي داند اين ترس واقعي نيست ، دائماً دچار اضطرابي است كه زندگي عادي او را مختل مي كند. اين ترس مي تواند شامل ترس از فضاي باز ، ارواح ، خفگي ، خون ، ارتفاع ، آب يا موارد ديگر باشد. در درمان سنتي ، پزشك با صحبت كردن با بيمار ، او را در وضعيتي كه از آن وحشت دارد قرار مي‌دهد.
در درمان جديد با استفاده از واقعيت مجازي ، محيطي كه بيمار از آن وحشت دارد شبيه سازي مي شود و بيمار با علم به اين موضوع كه اين محيط واقعي نيست ، با قرار گرفتن در آن سعي مي كند خود را با آن وفق دهد و ترس خود را از بين ببرد. علاوه بر درمان ترس ، از واقعيت مجازي براي درمان اختلالات رواني ديگر مانند اوتيسم (‌درخود ماندگي)‌ و حتي مواردي از روان گسيختگي (‌اسكيزوفرني)‌ استفاده شده و نتايج رضايت بخشي هم حاصل شده است. اين نكته هم قابل توجه است كه در علم پزشكي به جز بحث درمان ، در زمينه هاي آموزشي و تحقيقاتي مانند شبيه سازي عمل جراحي هم واقعيت مجازي كاربرد دارد.

تله مديسين 
بدون شك ، واقعيت مجازي (Virtual Reality) را مي توان به عنوان يكي از گرانبهاترين دستاورد هاي حاصل از تكامل سطوح تعامل ارتباطي (Communication Interfaces) ‌مورد توجه قرار داد كه از خصوصيات بارز آن ، غوطه وري كامل ابعاد حسي-حركتي انسان در يك تجربه ارتباطي مجازي است. يك محيط مجازي (Virtual Environment) ‌نمايشي پويا و پردازش شده بصري است كه غالباً توسط ديگر محرك هاي غير بصري (نظير شنوائي و لمسي) تقويت شده و بدين طريق احساس تعامل با اجزاء يك محيط غير واقعي سه بعدي را در زمان حال به فرد متعامل القاء مي كند.
برخورداري از اين قابليت منحصر به فرد ، واقعيت مجازي را طي سال هاي اخير در مقام ابزاري كارآمد و ارزشمند در فناوري تله مديسين مطرح كرده است ؛ چرا كه پردازش و انتقال اطلاعات پزشكي ، در بطن اين فناوري نيز نهفته است. واقعيت مجازي در تله‌مديسين به صورت يك سطح ارتباطي پيشرفته ، امكان تعامل شهودي با اطلاعات مربوطه را به ارمغان آورده است و به موازات آن در قالب يك محيط مجازي منعطف ، احساس حضور فيزيكي را در جريان تعامل به شايستگي تقويت مي كند.
از موارد كاربرد واقعيت مجازي در پزشكي مي توان به جراحي از راه دور ، آماده و شبيه‌سازي مراحل مختلف يك عمل جراحي ، آموزش و درمان بيماران از راه دور ، توانبخشي  و ارتقاء مهارت ها در افراد مدد جو و حتي طراحي و معماري اماكن پزشكي و توانبخشي اشاره كرد. اين مقاله نيز ضمن بررسي تحقيقات اخير در زمينه كاربرد واقعيت مجازي در تله مديسين ، جوانب مثبت و محدوديت ها را پيرامون اين موضوع بر خواهد شمرد.

برنامه ريزی جراحی 
معمولا در جراحي هاي با حداقل آسيب به صورت دستي يا با روبات هاي خاصي مانند داوينچي صورت مي گيرد. ابتدا دريچه‌هايي توسط جراح ايجاد مي شود و ابزار جراحي و دوربين به داخل بدن بيمار فرستاده مي شود. وقتي اين دريچه ها باز مي شود ، ديگر نمي توان مكان آن ها تغيير داد ؛ چرا كه در غير اين صورت تفاوتي با روش جراحي باز نخواهند داشت. پس انتخاب مكان اين دريچه ها از لحاظ دسترسي مناسب به تومور و امكان خارج ساختن آن بسيار مهم است. 
اين رويه تا به حال به صورت حسي بوده است و پزشك با مشاهده نتايج سي تي اسكن بيمار تشخيص مي داده كه سوراخ را در كجا ايجاد كند. از آنجا كه آناتومي افراد مختلف با يكديگر متفاوت است و يك  قانون كلي نمي توان براي آن ساخت ، روشي ابداع شده است كه به صورت مجازي به پزشك نشان مي دهد كه اگر از يك سوراخ فرضي وارد بدن بيمار شود ، چه چيزهايي را خواهد ديد.

روش هاي قبلي به دو دليل براي پزشكان جالب نبود: متناسب با زاويه‌اي كه سيستم تصويربرداري نقاط مورد نظر را لمس مي كند ، دقت تصاوير تغيير مي كند و حركت با روبات بسيار مشكل است. در روش جديد (واقعيت افزوده) نشانگرهايي بر روي بدن بيمار نصب مي شود كه موقعيت اين نشانگرها در تصاوير CT-Scan قابل مشاهده است. حال به جاي آنكه جراح نشانه ها را با روبات لمس كند ، با دوربين خود و خارج از بدن بيمار حركت مي كند و حركت و موقعيت دوربين با استفاده از اصول بينايي كامپيوتر محاسبه شده و فضاي سه بعدي داخل بدن بيمار از زاويه ديد اين دوربين بازسازي مي شود. سپس اين فضاي بازسازي شده با تصاوير سي‌تي اسكني كه در دسترس است ، تطبيق داده مي‌شود تا به صورت مجازي به پزشك نشان دهد از هر جا وارد بدن بيمار شود چه چيزهايي خواهد ديد. البته در تمامي حالت ها فرض مي‌شود بيمار كاملا ثابت بوده است.
با گشايش يك مركز تازه تأسيسات شبه واقعي آموزش و تمرين عمل جراحي مغز در بيمارستان وسترن تورنتو كانادا ، انتظار مي رود كه بيماران عمل جراحي مغز در اين كشور از خدمات و مراقبت هاي بهتري برخوردار شوند.
اين مركز جهشي به پيش در آموزش جراحي مغز و مراقبت از بيماران است كه به پزشكان امكان مي دهد تا بر روي غده (تومور) هاي مغزي شبيه سازي شده مجازي عمل هاي جراحي پيچيده تر و بر اساس نيازهاي ويژه هر بيمار را تمرين كنند.
اين فناوري راه‌گشا جهش قابل توجهي به پيش در آموزش و تمرين جراحي و نيز مراقبت و ايمني بيمار به شمار مي آيد. هدف اين است كه خطر پيچيدگي ها و عوارض ناشي از جراحي را كاهش داده ، زمان بهبودي را كوتاه تر كرده و سرعت استفاده از اتاق عمل حراحي را افزايش داد.  
اولين مركز شبه جراحي اعصاب كانادا در سپتامبر 2010 در موسسه عصب شناسي مونترال و بيمارستان دانشگاه مك گيل گشايش يافت. 

دندانپزشكی - جراحی فک و صورت 
واقعيت مجازي در دندانپزشكي (Virtual Dentistry) يكي از نمودهاي عملي به كارگيري مفاهيم تخصصي دندانپزشكي در كامپيوتر است. مهمترين  اهداف استفاده از واقعيت مجازي و اين گونه نرم افزار ها ، ايجاد محيطي مشابه با تشابهات هر چه بيشتر با محيط واقعي است تا بتوان قبل از رويارويي با واقعيات همه چيز را تجربه كرده و از نزديك حس كرد. از كاربردهاي رايج در دندانپزشكي عبارتند از:

‌- تصويربرداري ديجيتال از دندان ها 
‌- فراهم آوردن يك نقشه ايمپلنت دنداني قبل از انجام جراحي 
‌- طراحي يك محيط مجازي انجام پروسه‌هاي جراحي دندان و ...

اصول كار بدين ترتيب است كه بيمار در حالتي خاص بر روي صندلي قرار مي گيرد ؛ به گونه اي كه مانع از حركت دستگاهي موسوم به Cat Scan نشود. اين اسكنر دور تا دور محل قرارگيري بيمار را اسكن كرده و درست مانند X-ray پانوراميك ، تصوير دندان هاي بيمار با رزولوشن بالا گرفته مي شود. اين تصاوير اساس كار دندانپزشك در بررسي روند جراحي در محيط مجازي خواهند بود. 
در روند انجام پروسه هاي اندودنتيك در دندانپزشكي ، استفاده از مدل هاي حجمي با قابليت تغيیر شكل (Deformation) ، ايجاد حفره (Drilling) و برش (Cutting) مواد در شبيه سازي محيط مجازي آموزشي لازم و ضروري است. 
اعمال جراحي فك و صورت نيز به طور مستقيم با آناتومي استخوان هاي مربوط سر و كار دارد و همان طور كه در ابتداي بحث عنوان شد ، اشكال سه بعدي آناتوميك كمك زيادي به تشخيص بهتر و بررسي مناسب تر خواهند كرد. در نمونه هايي از اين محيط‌هاي مجازي ، امكان حس كردن واقعي اجسام و محيط دهان وجود دارد ، به علاوه اين كه امكان در دست گرفتن پروب ها و هندپيس ها و انجام كار با آن ها فراهم خواهد بود. 

مزايای ويژه
‌مشاركت بيمار در روند انجام كليه اقدامات لازم و كمك در تصميم گيري به ويژه در جراحي هاي زيبايي

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

درمان های توانبخشی 
شبيه سازي به كمك واقعيت مجازي با ساير شبيه سازي هاي رايانه اي تفاوت دارد. زيرا به ابزار تعاملي ويژه اي نيازمند است كه بينايي ، شنوايي و احساس در جهان شبيه‌سازي شده را به كاربر منتقل سازد. اين ابزارها صدا و حركت كاربران را ذخيره كرده و به برنامه شبيه سازي مي فرستند.
براي ديدن در دنياي مجازي ، كاربر يك نمايشگر را بر روي سر خود نصب مي كند كه صفحاتي مقابل چشم ها دارد. اين نمايشگر يك ردياب حركت نيز دارد كه محل سر كاربر و جهتي را كه او نگاه مي كند را پايش مي كند. با استفاده از اين اطلاعات ، رايانه تصاوير دنياي مجازي را با اندكي تفاوت نسبت به هر چشم محاسبه كرده و روي نمايشگر به نمايش مي گذارد.
براي آنكه اين تصاوير مكث دار و نامنظم به نظر نرسند ، رايانه بايد در هر ثانيه دست كم ده تصوير جديد ايجاد كند. صحنه هاي واقعيت مجازي بايد نسبتاً ساده باشند تا رايانه بتواند آن ها را به سرعت روزآمد كند. به علت همين سادگي و ساير معايب نمايشگرها ، كاربران واقعيت مجازي به راحتي مي توانند شبيه سازي را از واقعيت تمايز دهند. كاربر صداهايي را از طريق گوشي در دنياي مجازي مي شنود. به وسيله اطلاعاتي كه از طريق ردياب حركت حاصل مي شود نيز مي توان براي روزآمد كردن سيگنال هاي صوتي استفاده كرد. 
هنگامي كه يك منبع صوتي در فضاي مجازي مستقيماً در مقابل يا پشت سر كاربر نيست ، رايانه صدا را به گونه اي مي فرستد تا به يك گوش زودتر از گوش ديگر برسد ؛ به اين ترتيب صدا كمي بلندتر يا آهسته تر به گوش خواهد رسيد. اگرچه هنوز چالش هاي علمي و مهندسي وجود دارد كه بايد بر آن ها فايق آمد تا اصوات كاملا طبيعي به نظر برسد. 
شبيه سازي لامسه كمترين توسعه را يافته است و چالش برانگيزترين قسمت كار است. در حال حاضر با استفاده از يك دستكش و ردياب حركت ، رايانه محل دست كاربر را مشخص كرده و حركات انگشتان را مي سنجد. در دنياي مجازي كاربر مي تواند اشيا را حركت دهد ولي نمي تواند آن ها را احساس كند. توليد احساسي كه در هنگام ضربه زدن به يك سطح سخت ، برداشتن يك شيء يا حركت دادن انگشتان بر روي يك بافت به وجود مي آيد ، از لحاظ تكنيكي مشكل است. حس لامسه بايد با بينايي و شنوايي كاربر نيز هماهنگ شود. بيشترين كاربرد Virtual Reality در توانبخشي درمان انواع فوبيا (ترس) مانند: ترس از ارتفاع ، پرواز ، جانوران و ... است. 
روش درمان عبارت است از قراردادن بيمار در موقعيت استرس زا براي او در محيط مجازي و تحت كنترل قراردادن استرس ، شروع كار با موقعيت كم استرس زا و اضافه كردن به تدريج موقعيت هاي بيشتر. مزيت اين روش در واقع قابل كنترل بودن شرايط استرس زا است. چيزي كه در واقعيت حقيقي امكان ايجاد آن وجود ندارد. 
انواع ديگر كاربرد در توانبخشي عبارتند از:

‌- كمك به درمانگر در ناتواني هاي جسمي - حركتي - ذهني (مانند اوتيسم) 
- ‌سندم هاي تغذيه 
‌- سندرم هاي بعد از سكته و ...

درمان اختلالات روانی در فضای مجازی
تا به امروز سيستم هاي معدودي بر اساس واقعيت مجازي جهت توانبخشي ناتواني‌هاي ديداري ، شنوايي ، فيزيكي و رواني طراحي و پياده سازي شده است. از آنجا كه نمايشگرهاي ديداري و شنيداري از اجزاي اصلي عجين شدن با دنياي مجازي است ، سيستم هاي توانبخشي ديداري و شنيداري چندان معمول نيست اما به نظر مي رسد كه واقعيت مجازي در درمان اختلالات رواني بسيار مفيد باشد. اين سيستم ها قادر است محدوديت هاي دنياي واقعي را از پيش رو برداشته و افق هاي تازه اي به روي اين دسته از بيماران نمايان سازد. در اين بخش به معرفي چند نمونه از اين سيستم ها پرداخته مي‌شود.

درمان انواع ترس با استفاده از واقعيت مجازی‌
‌بيش از ده درصد افراد در طول ز ندگي خود ، نوعي از اختلالات ناشي از اضطراب را تجربه مي كنند. جهت درمان اين ترس ها معمولا از روش در معرض قراردادن استفاده مي شود. براي اين رسيدن به اين هدف دو روش تصويرسازي و در معرض قرار گرفتن فيزيكي اجـرا مـي شـود. روش فيـزيكـي جدا از اينكه واقـعــي اســت ، مـمـكــن اسـت بسيـار هـزينـه بـر ، خـطـرنـاك يا ناممكن باشد. از سوي ديـگـر ، تـصـويرسازي نيز به اندازه كافي واقعي نـيـسـت و كنترل كمي از سوي درمانگر وجود دارد.
واقعيت مجازي ، روش درماني سومي ارائه مـي كـنـد كـه ضـمـن حـفظ بيشتر مزاياي هر دو روش ، معايب آن ها را نيز ندارد. خصوصاً در مورد ترس از پرواز ، هزينه هاي درماني بسيار كاهش مي يابد. اما در عين حال واقعيت مجازي نيز محدوديت هاي خاص خود را دارد. دانستن اين مسأله كه محيط مجازي است ، ممكن است اصلا هيچ گونه اضطرابي در كاربر ايجاد نكند كه بـخـواهـد درمـان شـود. ضمن اينكه يك روش بـسـيار جديد است و هنوز عوارض جانبي آن ناشناخته است.
در ايـن روش درمـانـي مـعمولا از دو Setup يعني استفاده از HMD يا سيستم ‌1CAVE استفاده مي شود. با استفاده از HMD ، تنها دنياي مجازي قـابـل ديـدن خـواهـد بـود و دنياي واقعي به كل حذف مي شود.
در سيستم CAVE از ديوارهاي يك مكعب به عنوان پروژكتور استفاده مي شود و محيط هاي واقعي و مجازي در داخل اين مكعب در كنار هم قـرار مـي گيرد. هر دو سيستم داراي تأخير فاز اسـت. تـفـاوت بـيـن حـركت و حركت تصوير ، مـمـكـن اسـت بـاعـث ايـجـاد حـالت تهوع شود. مي‌توان از صدا يا اشياء واقعي نيز جهت قوي تر كـردن حـس حـضـور اسـتـفـاده كـرد. اسـتـفاده از دستكش داده نيز امكان ارتباط متقابل با محيط را براي كاربرد فراهم مي آورد.
ايده وارد كردن درمانگر به محيط مجازي نيز مي تواند سودمند باشد. البته در اين صورت به دليل نياز به وسايل به تعداد دو برابر ، هزينه پياده ســازي سـيـسـتــم بـسـيــار افــزايــش مــي يــابـد. در سيستـم‌هـايـي كـه تـا كنـون تـوسعـه يـافتـه است ، درمانگر محيط را كنترل كرده ولي وارد آن نمي شود.

کلمات کلیدی: biomedical engineering ، مهندسی پزشکی ، آشنایی با مهندسی پزشکی ، معرفی مهندسی پزشکی ، مهندسی پزشکی گرایش بالینی ، مهندسی پزشکی گرایش بیومکانیک ، مهندسی پزشکی گرایش بیوالکتریک ، مهندسی پزشکی گرایش بیومتریال (بیومواد) ، مهندسی پزشکی ایران ، مهندسی پزشکی دانشگاه پیام نور ، پایگاه آموزشی و اطلاع رسانی مهندسی پزشکی ، اخبار و تازه های مهندسی پزشکی ، مقالات مهندسی پزشکی ، آموزش مهندسی پزشکی ، دانلود کتاب های مهندسی پزشکی ، دانلود جزوه های مهندسی پزشکی ، دانلود نمونه سوالات امتحانی مهندسی پزشکی ، فناوری های پزشکی ، واقعیت مجازی ، Virtual Reality ، آندوسکوپی مجازی ، آموزش پزشکی ، تله مدیسین ، توانبخشی ، کاربردهای واقعیت مجازی