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 .
Рекомендовано к покупке и изучению сайтом МедУнивер - https://meduniver.com/
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.
Р О Б О Т Ы В Х И Р У Р Г И И |
3 3 3 |
13 G ioigi С , C asolino DS. Luzzara et al. ( 1 — 2 N o v 1993) Л mechanical stereotactic arm a l l o w i n g fusion of real and historic anatomical images to guide microsurgical removal ofcerebral lesions. Paper presented at the international Conference on Advanced Robotics, Tokyo .
14 G lauser D, Flury P, Epitaux M et ai ( 1 — 2 N o v 1993) Neurosurgical operation w i t h
the dedicated robot |
M i n e r v a . Paper presented at the International Conference on |
A d v a n c e d Robotics, |
T o k y o . |
15 Schweikard A, Adler JR. Latombe J%C et al, ( 2 — 6 M a y 1993) M o t i o n planning in stereotactic radiosurgery. Paper presented at the IEEE International Conference on Robotics and A u t o m a t i o n , Atlanta, Georgia.
16 G race KWt C olgate JE, G lucksberg MR et ai ( 2 — 6 M a y 1993) A six degree o f
f r e e d o m m i c r o m a n i p u l a t o r |
for o p h t h a l m i c surgery. |
Paper presented at the I E E E |
International Conference on |
Robotics and A u t o m a t i o n , |
Atlanta, Georgia . |
17 Hayat A, Vidal P Hache JC ( 1 — 2 N o v 1993) A . prototype o f a micromanipulator for the radial keratotomy . Paper presented at the International Conference on A d v a n c e d Robotics, T o k y o .
18 Dohi T, O hta Y. Tsuzuki M et ai ( 1 — 2 N o v 1993) Robotics in computer aided surgery.
Paper presented at the International Conference on A d v a n c e d Robotics, T o k y o .
19 Fadda M, Marleli S, Marcacci M et al. ( 1 — 2 N o v 1993) Execution o f resections in
c o m p u t e r |
assisted arthroplasty. Paper presented at the International Conference on |
A d v a n c e d |
Robotics, T o k y o . |
20 Satava RM, Simon IB. ( 1 9 9 3 ) Teleoperation, telerobolics and telepresence in surgery.
Endosc Surg Allied Tech. 1: 151 — 3 .
21Angelini L, Lirici MM, Rovetta A. (1994) Telerobotics and m i n i m a l l y invasive surgery: feasibility and present Emits. Surg Endosc. 8: 536 . (Abstract . )
22Melzer A, Schurr MO , Kunert W et ai (1993) Inlellient surgical instrument system
ISIS. Concept and p r e l i m i n a r y experimental application of component and prototypes.
Endosc Surg Allied Tech. 1: 165 — 70 .
23 Rininsland HH. ( 1 9 9 3 ) Basic o f robotics and manipulators in endoscopic surizery.
Endosc Surg Allied Tech. 1: 154 — 9 .
24 MeugliizJ, Kunad G . Dautzenburg P et ai (1993) Kinematic problems o f manipulators for m i n i m a l l y invasive surgery. Endosc Surg Allied Tech. 1: 1 6 0 — 4 .
25 G ah P, Tekant V, Kris/man SM. (1993) Future developments in high technology abdominal surgery: ultrasound, stereo i m a g i n g , robotics. C lin C astroent. 1.
26 Krishnan SM, G oh P. (1994) Computerized detection o f colonic lumen contour f r o m endoscopic images. Surg Endosc. 8: 970 . (Abstract.)
27 Buess G , Schurr MO , Weiglhofer G el al. (1994) The future operating room system
O R E S T I for endoscopic surgery. Surg Endosc. H: 992. (Abstract.)
Рекомендовано к покупке и изучению сайтом МедУнивер - https://meduniver.com/
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.
Рекомендовано к покупке и изучению сайтом МедУнивер - https://meduniver.com/
3 3 6 |
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 |
История вопроса
Одни из самых первых попыток разобраться в HIT и VR предпринимались в связи с обучением летчиков и космонавтов и разработкой различных программ по изучению космического пространства. При этом для выполнения очень сложных задач в воздухе и в космосе требовалось современное усовершенствованное оборудование. Попытки разрешить эти проблемы при помощи роботов и различных дистанционных манипуляторов обнаружили полное отсутствие научных данных о том, каким образов осуществляется взаимодействие человека и машины. Начали проводиться специальные исследования в различных областях, в том числе «человеческого фактора в инженерном деле», «путей и способов взаимодействия человека и машины», в эргономике и других сферах, с тем чтобы разработать и создать специальные машины для увеличения продуктивности работы человека. Первые успеш ные результаты этой работы были воплощены в создании летных тренажеров. Затем, в середине 60*х годов, Ivan Sutherland [3, 6] разработал первый дисплей, встроенный в специальный шлем (H M D). Это приспособление состояло из шлема с двумя телевизионными мониторами (расположенными перед глазами) для обеспечения стереоскопического изображения объектов, созданных компьютером. При этом пользователь мог как бы манипулировать этим изображением в трех измерениях. Кроме того, если на голову и руки пользователя надеть специальные управляющие (или следящие) приспособления (tracking devioe) и использовать при этом специальн ы е элек тр о н н ы е перчатки (таки е как перчатки DataGlove, созданные в VPL*исследовательском центре в Фостер*Сити в Калифорнии в 1985 г.) вместо джойстика, то эта система становится похожей на существующие в настоящее время системы погружения в виртуальную среду.
Р и с . 2 1 . 2 . Ф и к с и р у е м ы й к г о л о в е д и е п п е й ( H M D ) и о д н а из п е р в ы х м о д е л е й э п е к т р о н н ы х п е р ч а т о к D a t a G l o v e .
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 |
337 |
Таким образом, человек теперь в состоянии вступать во взаимодействие с предметами, находящимися в воображаемом виртуальном мире, как будто бы они реально существуют. Например, человек может держать в руках чайник, зажигать свет, разрезать бумагу ножницами. Взаимосвязь между HMD и электронными перчатками (рис. 21.2) осуществляется потенциально естественно и интуитивно; вы при этом оказываетесь полностью погруженным в воображаемый мир. Когда вы оглядываетесь вокруг, то можете видеть различные предметы, находящиеся как бы в реальном мире, и вы можете даже взять эти предметы в руки, вы способны манипулировать этими предметами настолько естественно, что даже не предполагаете, что когда вы указываете па что*то пальцем, то всего навсего даете команды компьютеру. Таким образом, пути взаимодействия человека и компьютера могут называться «прозрачными», поскольку вы не видите и не думаете о тех командах, которые даете компьютеру: вы, в частности, не печатаете «поднимите», вы просто делаете это. В 1985 г. Fisher с коллегами в научно*исследовательском центре NASA Ames предложили применять виртуальную среду для выполнения операций «на расстоянии» (рис. 21.3). В 1989 г. Pieper с коллегами [4] создали первый тренажер с виртуальным воссозданием нижней конечности для выполнения трансплантации сухожилий (рис. 21.4). В 1991 г. Satava [5] сконструировал первый тренажер с виртуальным воссозданием брюшной полости (рис. 21.5). Эти первые тренажеры были еще грубы и несовершенны, как и первый летный тренажер, созданный Эдвином Липком еще в 1939 г. (рис. 21.6), однако по прошествии 50 лет летные тренажеры стали настолько усовершенствованными, что пилоты могут полностью получать летное образование на этих тренажерах и затем пересаживаться непосредственно на самолеты. Поскольку оборудование для хирургических операций ничуть не менее сложное, чем оборудование для полетов, то совершенно естественно для обучения хирургов также использовать специальные тренажеры.
Трехмерный дисплей с расширенным углом изображения
Рис. 21.3. Принцип создания виртуального окружения в телехирургии.
Рекомендовано к покупке и изучению сайтом МедУнивер - https://meduniver.com/
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*
Рекомендовано к покупке и изучению сайтом МедУнивер - https://meduniver.com/
