Клиническая анатомия для хирургов
.PDF
3 3 0 |
Л А П А Р О С К О П И Ч Е С К А Я Х И Р У Р Г И Я |
Р и с . 2 0 . 1 |
4 . Н о в а я м о д е л ь , м и к р о р о б о т а # к о л о н о с к о п а « п о в ы ш е н н о й проходимости» с |
к о л е с а м и |
и г у с е н и ц а м и . |
Главной мечтой специалистов по эндоскопии является, конечно, создание эндоскопа, который смог бы обеспечить погружение в мир виртуальной реальности и при этом позволил бы осматривать просвет всех органов желудочно* кишечного тракта с обзором на 360° (рис. 20.15). Воплощ ение этой мечты должно подождать развития супербыстрых процессоров, цена которых была бы более*менее приемлемой.
Роботы#тренажеры для обучения эндоскопическим операциям
В заключение хочется обратить внимание читателя па различные проекты, которые направлены па создание компьютерных тренажеров для обучения эндоскопическим операциям. В настоящее время уже существуют такие тренажеры для обучения эндоскопии верхних отделов желудочно*кишечного тракта, колоноскопии, эндоскопической ретроградной холапгпопапкреатограф ии (ЭРХ11Г, ERCP), и недавно были созданы тренажеры для обучения лапароскопической холецистэктомии (рис. 20.16). Такие компьютерные тренажерные системы представляют собой хороший метод обучения хирургов. При работе па тренажерах хирурги приобретают первые мануальные навыки новых опера*
Р О Б О Т Ы В Х И Р У Р Г И И |
331 |
Рис. 20.15. Модель виртуальной
ре а л ь н о с т и при эндоскопическом
ис с л е д о в а н и и ободочной кишки.
Автор в данной ситуации выступает в роли пассажира, а профессор Hans Troidl из Колони # в роли водителя за рулем эндоскопа будущего.
Рис. 20 . 16 . Компьютерный тренажер д л я обучения лапароскопи - ческой холецистэктомии .
3 3 2 |
Л А П А Р О С К О П И Ч Е С К А Я Х И Р У Р Г И Я |
тивных вмешательств. Образ операционного поля воспроизводится при помощи видеодиска (при этом образ получается более реальный, но система при этом работает медленнее) или при помощи компьютерной графики (образ менее реальный, по система работает быстрее). Большим недостатком существующих в настоящее время тренажеров является отсутствие во время операции тактильной обратной связи, что уменьшает чувство реальности при выполнении операции. Однако многие недостатки современных тренажеров постепенно устраняются при развитии более современных компьютерных технологий.
Заключение
Поистине революционные достижения в области компьютерных технологий, микропроцессоров и малоипвазивной хирургии, объединившись вместе, приводят к возникновению новой революции в X X I веке, основанной на биоинженерных технологиях. Хирурги и инженеры сотрудничают более тесно, чем когда*либо ранее, разрабатывая новые возможности, открывающиеся благодаря развитию этих новых технологий. Хирург завтрашнего дня будет расширять границы своей работы, проникать в доселе недоступные части человеческого организма и оперировать в тех областях, куда до этого не подступался ни один хирург.
Список литературы
1 Asimov I and Silverberg R. (1993) The Positronie Man. Doubleday Press, New York.
2 G ibson Wand Sterling 8. (1991) The Difference Engine. Bantam Books.
3 C ritchlow J. (1985) Introduction to robotics. Macmillan, London.
4 Minsky (Ed). (1985) Robotics. Omni Press.
5 Hunt VD. (1988) Robotics sourcebook. Elsevier, Amsterdam.
6 Veriul J, C oiffet P (1985) Teleoperation and robotics. Kogan Page.
7 Vukobratovic M. (1989) Introduction to Robotics. Springer, Berlin.
8 Mittelstadt B, Kanzanzides P, Zyhars J et al. ( i — 2 Nov 1993) Robotic surgery: achieving predictable results in an unpredictable environment. Paper presented at the International Conference on Advanced Robotics, Tokyo.
9 Joskowicz L, Taylor RH. (2—6 May 1993) Hip implant insertability analysis: a medical instance of the peg*in*hole problem. Paper presented at the IEEE International Conference on Robotics and Automation, Atlanta, Georgia.
10 Kienzle TC , Stulherg SD, Peshkin M et al. (2 *6 May 1993) An integrated CAD* robotics system for total knee replacement surgery. Paper presented at the IEEE International Conference on Robotics and Automation, Atlanta, Georgia.
11 Wu C , Stulherg D, Papaioannou et al. (2—6 May 1993) An integrated CT*imaging. CAD*based system for orthopaedic surgery. Paper presented at the IEEE International Conference on Robotics and Automation, Atlanta, Georgia.
12 Davies BL. flihberd RD. (1—2 Nov 1993) Robotic surgery at Imperial College London. Paper presented at the International Conference on Advanced Robotics. Tokyo.
глава 21
Виртуальная реальность в медицине
Ричард М.Сатава (Richard M.Satava)
Введение
В настоящее время традиционные методы получения медицинского образования претерпевают определенные изменения. Это связано прежде всего с последними достижениями в области информационных технологий. Существующие и развивающиеся сегодня технологии позволяют создавать трех* или даже четырехмерные (добавляются еще измерение во времени) компьютерные модели для изучения хирургической анатомии или для воссоздания техники хирургического вмешательства. Новые науки, такие как высокопродуктивные компьютерные средства сообщения (Н РСС), interface*технология (средства связи между людьми и компьютерами — HIT) и виртуальная реальность (V R), в настоящее время предлагают новые мощ ные средства обучения.
НРСС представляет собой технические средства для развития образовательных программ и состоит из компьютеров огромной мощ ности, соединенных с информационными суперпутями (телефонной сетью, обладающей огромной емкостью), телевизионных кабелей, волоконно*оптических кабелей, мобильных сотовых средств связи и современных спутников. HIT представляет собой средства связи (как технические средства, так и программное обеспечение), при помощи которых человек может взаимодействовать с реальными объектами (например, с компьютерами или хирургическим оборудованием и инструментами); при этом очень важно сделать эти новые технологии простыми и легкими в использовании. Виртуальная среда, которая сейчас широко известна как виртуальная реальность (V R), представляет собой графическое воспроизведение в трехмерном изображении различных воображаемых объектов в воображаемом мире.
В задачу этой главы не входит глубоко погрузиться и постичь в деталях очень сложную суть НРСС. Необходимо только представлять себе ее исключительную роль и осознавать, что в ближайшем будущем мощность компьютеров несомненно будет возрастать с неимоверной скоростью и что этот рост будет приводить к быстрому прогрессу HIT и VR.
Виртуальная реальность является как бы «основным связующим звеном» между человеком и компьютерным миром, и поэтому для того, чтобы оценить ее сегодняшнюю роль, важно понимать основы HIT. Средства связи между человеком и компьютером представляют собой методы, направленные на увеличение способности человека выполнять задачи, для завершения которых необходимо наличие специальных приборов или искусственно созданных приспособлений; это средства, созданные для того, чтобы «помочь [пользова*
ВИРТУАЛЬНАЯ РЕАЛЬНОСТЬ В МЕДИЦИНЕ 335
Рис. 21.1. «Погружение» в трехмерный графический мир.
Картинка, изображенная на мониторе, представляет собой как раз то окружение, в котором оказыва- ется человек, погружаясь в мир виртуальной реальности.
телю] создавать современные модели сложных естественных явлении и изучать их» [1], понимая суть путей взаимодействия между человеком и инструментом, машиной, компьютером или другими предметами реального мира. Для единообразия стиля и понимания сути достаточно сложных процессов необходимо привести определения некоторых основных терминов. «Окруже- ние», или «окружающая среда», — это то место, где происходит взаимодействие между человеком и окружающим миром — «театром деятельности человека» [2]. «Реальное окружение» представляет собой пашу каждодневную жизнь.
Виртуальное окружение, или виртуальная среда, может быть создано как имитация в компьютере, который соединен с трехмерной графической системой, которая собственно и создает образ («мир»). Пользователь может изменить точку обзора этого образа естественным движением головы. Как только виртуальное окружение создается «внутри» компьютера, если реальность и точность изображения достаточно высокого качества, пользователь может быть убежден в том, что он находится в воображаемом мире, в том мире, который может существовать только как имитация в компьютере (рис. 21.1). Характер- ные примеры таких иллюзий существуют в современных полетных тренажерах, некоторые элементы имеются в видеоиграх, использующих трехмерный формат изображения. Методы взаимодействия и выполнения различных манипуляций при нахождении в виртуальном окружении описаны ниже.
3 3 8 |
Л А П А Р О С К О П И Ч Е С К А Я Х И Р У Р Г И Я |
Трехмерное пространство
Рис. 21.4. Тренажер для выполнения операций на нижней конечности в режиме виртуальной реальности (с разрешения J. Rosen, Medical Media Inc., Lebanon, NH).
Представление о виртуальной реальности
Создавая хороший, полностью интегрированный хирургический тренажер, который являлся бы для хирурга, изучающего анатомию и технику выполнения оперативного вмешательства, «прозрачным», необходимо учитывать очень большое число факторов. Ключом к созданию такого тренажера должно быть то, что ему необходимо быть интуитивным и воссоздавать человеческий организм как можно ближе к реальности, чтобы обучающийся хирург мог выполнять поставленные перед ним задачи. В повседневной работе мы используем все наши чувства, и поэтому для координированных действий па тренажере хирургу необходимо иметь соответствующ ую сенсорную обратную связь. В настоящее время при создании виртуальной реальности воссоздаются зрительные, слуховые и позиционные ощущения. Однако более важно не столько то, что при нахождении в виртуальном окружении человек должен испытывать такое мультисеисорпос восприятие среды, сколько то, что эти ощущения должны существовать в их естественной пространственной конфигурации. Это означает, что стереофонический звук, который слышит пользователь, должен исходить непосредственно от объекта, который этот звук издает, и что ось рука — глаз должна постоянно поддерживаться между реальной и виртуальной рукой. Одной из причин, почему так сложно выполнять лапароскопические
операции, является утрата этой оси рука — глаз. Во время традиционной открытой операции хирург смотрит непосредственно на свои руки, на ножницы, на то, как он разрезает этими ножницами ткани. Во время лапароскопи*
В И Р Т У А Л Ь Н А Я Р Е А Л Ь Н О С Т Ь В М Е Д И Ц И Н Е |
339 |
Рис. |
21.5. П е р в о е п о к о л е н и е т р е н а ж е р о в , с о з д а ю щ и х виртуальную среду д л я б р ю ш - |
ной |
полости . |
ческой операции хирург смотрит на экран монитора, тогда как ткани он разрезает значительно ниже линии обзора. Это приводит к возникновению определенного конфликта ощущений, и, таким образом, интуитивные рефлексы замещаются новым набором подсознательных действий. Это и есть основная причина, почему хирурги обязательно должны проходить соответствующее обучение лапароскопической хирургии, и без такого специального обучения общие хирурга не могут начинать выполнять лапароскопические операции.
Способ, при помощи которого визуальная информация преобразуется в определенное изображение, считается решающим для интуитивности всей системы, однако не является необходимым для всех областей ее применений. HMD (шлем со специальным дисплеем) используется, чтобы дать ощущение того, что вы находитесь в воображаемом мире и свободно перемещаетесь в этом воображаемом пространстве. Этот феномен известен под названием «погружения» в окружающую среду. Если пользователь просто смотрит па видеомонитор или па экран, расположенный па степе, то такой способ получения видеоинформации называется «взгляд через окно», или неиммерсионный способ. Для доступа в мир виртуальной реальности используется либо одни, либо другой способ, поскольку оба они являются исключительными. Например, во время традиционных открытых операций хирург стоит или сидит напротив пациента и смотрит непосредственно па операционное поле. Во время мани*