Виртуальная реальность и эндохирургия

Одной из важнейших особенностей эндохирурги­ческих манипуляций является опосредованная ви­зуализация объекта воздействия. Вынужденная фиксация оптического прибора позволяет осмот­реть внутренние структуры лишь в определенном оптическом ракурсе. Эту проблему частично решает использование угловой оптики, позволяющей изме­нять угол зрения на объект, однако даже 30° эндо­скоп далеко не всегда может помочь при создании необходимой операционной экспозиции. Возникно­вение проблемы всестороннего осмотра зоны инте­реса связано с самой концепцией малоинвазивной хирургии, не позволяющей пожеланию перемещать оптический порт, увеличивая операционную травму.

Частичное решение этой проблемы связано с ис­пользованием компьютерных технологий, позволя­ющих восполнять дефекты визуализации зоны опе­ративного вмешательства. Это может быть сделано с помощью трехмерного графического образа орга­на, созданного на базе дооперационного сканиро­вания, или графической модели, полученной в ре­зультате обработки интраоперационных изображе­ний.

Понятия «киберпространство» и «виртуальная ре­альность» используются достаточно давно, несмот­ря на это, технология виртуальной реальности как часть медицинской индустрии делает пока свои первые шаги.

Начало разработки систем виртуальной реально­сти было положено еще во время Второй мировой войны. Основной задачей при этом являлось создание систем для обучения военных летчиков — авиа­симуляторов. Впоследствии именно авиасимулято­ры и компьютерные игры стали областями, в кото­рых технологии виртуальной реальности применяют наиболее широко. Первоначально авиасимуляторы были лишены графической составляющей: модели­ровалось только физическое воздействие на пило­та — вибрация, перемещение, изменение положения тела относительно линии горизонта. В конце 1950-х гг. электроинженер Douglas Engelbart, быв­ший специалист по радарам, предположил, что ком­пьютеры могут служить не только для математичес­ких расчетов, но и для графического представления данных, однако его предположение было отвергну­то экспертами. Примитивная компьютерная графи­ка заменила аналоговые видеоданные только в 70-х гг. XX в.

Первая система виртуальной реальности была создана еще до того, как нога человека ступила на поверхность Луны, кинематографистом, который даже не был знаком с находившимися тогда еще в стадии разработки компьютерами, но обладал бо­гатым воображением. В 1956 г. Мортон Хейлиг (Morton Heilig) изобрел «Сенсораму» («Sensorama»).

При помощи звуковых и кинематографических эф­фектов, вибрации и искусственных ароматов у зри­теля создавалось впечатление участия в фильме.

В 1957 г. тот же Мортон Хейлиг запатентовал уст­ройство, послужившее прототипом современных шлемов виртуальной реальности: источником изоб­ражения были два миниатюрных телевизора, кре­пившиеся на голове перед глазами. В 1965 г. Ivan Sutherland описал наголовный монитор (шлем), в котором видимая картинка менялась в соответствии с положением головы в пространстве благодаря устройству определения пространственных коорди­нат. Разработка устройства велась в Массачусет­ском технологическом институте и в 1969 г. описан­ный монитор был создан. В 1985 г. Mike McGreevy и Jim Humphries сконструировали первый наголовный монитор с жидкокристаллическими экранами от карманных телевизоров, но первый коммерческий наголовный монитор появился на рынке только в 1989 г.

Понятие «виртуальная реальность» (virtual reality) было введено в 1989 г. Jaron Lanier, сотрудником фирмы «VPL Research» (США), который считал, что это «средство, способное воссоздавать сны наяву». Первая многопользовательская система виртуаль­ной реальности была продемонстрирована фирмой Division в 1992 г.

В настоящее время существует несколько спосо­бов «погружения» в виртуальную реальность:

—       кабинные симуляторы (Cab Simulators): пользо­ватель находится в подвижной кабине, снабженной системами объемного звука, полностью имитирую­щей внутреннее обустройство кабины самолета или сухопутного средства передвижения. Окна кабины заменены компьютерными мониторами высокого разрешения.

—       спроецированная реальность (Projected Reality): виртуальные объекты проецируются на большой эк­ран, пользователь как бы становится участником фильма.

—       расширенная реальность (Augmented Reality): графическая информация проецируется на про­зрачный экран, сквозь который пользователь может видеть предметы реального мира, получая, таким образом, информацию о скрытых деталях. Подоб­ные системы в настоящее время используют в от­крытой хирургии, особенно успешно в травматоло­гии и ортопедии. Работавшие с такими системами врачи с восхищением отзываются о них, характери­зуя их как «сбывшуюся мечту о рентгеновском зре­нии». В лапароскопической хирургии объекты вир­туальной реальности проецируются непосредст­венно на операционный монитор, что позволяет хи­рургу «видеть» скрытые структуры:

—       телеприсутствие (Telepresence): используя ка­меры и микрофоны, передающие информацию по каналам связи, пользователь наблюдает за проис­ходящим на расстоянии. Подобные технологии ис­пользуют в телемедицине. При наличии двусторон­них каналов связи пользователь может не только общаться с противоположной стороной, но и осу­ществлять управление различными механизмами, например роботами;

-виртуальная реальность на рабочем столе (Desktop VR): смоделированные объекты отобража­ются на мониторе персонального компьютера. Воз­можно сочетание трехмерной и стерео графики при применении специальных очков;

-спаренные мониторы (Visually Coupled Displays): благодаря голливудским кинематографистам этот тип технических устройств наиболее прочно ассо­циирован с понятием виртуальной реальности и представляет собой шлем, в котором размещены экраны, способные передавать как обычное изобра­жение, так и отдельно для правого и левого глаза для создания стереоэффекта. Специальным уст­ройством отслеживают пространственные коорди­наты головы пользователя, в соответствии с кото­рыми изменяется видимое изображение.

Под виртуальной реальностью понимается со­зданная искусственными средствами аудиовизу­альная (и воздействующая на иные органы воспри­ятия) смысловая среда, которая принимается субъ­ектом ее воздействия как подлинная или близкая к подлинной. Системы виртуальной реальности со­стоят из шлемов, очков, обычных и стереодисплеев, перчаток, видео- и аудиосистем, графических стан­ций и персональных компьютеров, специальных ко­стюмов и многого другого.

На конференции в Штутгарте «Мир Виртуальной реальности ‘95» было предложено разделить вирту­альную реальность на область, связанную с модели­рованием представления, и область, связанную с моделированием взаимодействия (интерактивнос­ти). Первая создает независимый от реальности об­раз, задача которого представить пользователю особый мир. Задача интерактивных алгорит­мов — дать возможность пользователю соотносить этот образ с реальностью, произвольно изменять его и как-то ощущать внесенные изменения.

Именно виртуальная реальность взаимодействия позволяет хирургу отработать во всех деталях пред­стоящую операцию. Поэтому понятие «интерактив­ность» является сегодня одним из основных поня­тий, описывающих практически все разработки в области не только хирургического, но и медицин­ского компьютерного моделирования в целом.