В какой отрасли медицины применяются виртуальные ретинальные дисплеи
Обновлено: 03.07.2024
Чем VR и AR полезны для системы здравоохранения? Они способны обеспечить экономию денег и времени, эпидемиологическую безопасность, активную наработку опыта в сложных операций. Для пациентов это, прежде всего, удобство, психологический комфорт и новый опыт. Они с большей мотивацией проходят лечение и реабилитацию, и это влияет и на результат.
Технологии виртуальной реальности стали постепенно проникать в медицину в 1990-х. Первыми появились VR-симуляторы для хирургов и программы реабилитации. В 1991 году увидел свет хирургический тренажер Green Telepresence. С помощью этой системы врачи смогли упражняться в использовании скальпеля и зажимов на виртуальном теле.
В это же время было впервые проведено лечение ПТСР (посттравматического расстройства) с использованием VR. Психолог Барбара Ротбаум работала с ветеранами Вьетнамской войны. Она вместе с коллегами создавала модели мест, в которых клиент некогда испытал эмоциональное потрясение. Например, это был вертолет, летящий над Вьетнамом, и поляна в джунглях. VR-технологии использовались в сочетании с экспозиционной терапией. Больные ПТСР могли взаимодействовать с источником своей тревоги, находясь в полной безопасности. Выяснилось, что такое сочетание эффективно в преодолении болезненных страхов и триггеров.
В 2015 впервые провели успешную реабилитацию после инсульта с помощью VR. В госпитале Валь д’Эброн в Барселоне поставили на ноги женщину, которая пережила инсульт сразу после родов. Глория была почти полностью парализована: тело не слушалось ее, она едва могла говорить. Через несколько месяцев лечения ей прописали VR-игру. Нужно было прикасаться к предметам на экране. Поначалу у Глории ничего не получалось, но со временем она освоила несколько уровней игры, включая аналог боулинга.
В 2016 году в Королевском лондонском госпитале прошла первая VR-трансляция хирургической операции. Более 13 тысяч студентов наблюдали в режиме реального времени за удалением раковой опухоли. Хирург работал в очках Google Glass, видел вопросы студентов в периферийном окне и устно отвечал на них.
Одновременно с этими событиями появлялись и развивались десятки проектов в сфере VR и AR. И до сих пор это остается областью экспериментов. История дополненной и виртуальной реальности в медицине еще не написана. Систематизация этого опыта только предстоит.
Содержание
История
В предшественниках VRD изображение формировалось непосредственно перед глазом пользователя на маленьком «экране», обычно в виде больших очков. Неудобство этих систем было связано с малым углом обзора, большим весом устройств, необходимостью фокусировки глаза на определенной «глубине» и низкой яркостью.
Технология VRD стала возможной благодаря нескольким разработкам. В частности, это появление LED-систем высокой яркости, позволившие видеть изображение при дневном свете, и появление адаптивной оптики.
Первые образцы VRD были созданы в Университете Вашингтона (Лаборатория технологий интерфейса пользователя) в 1991 году. Большая часть подобных разработок была связана с системами виртуальной реальности [2] .
Позже возник интерес к VRD как к устройству вывода для портативных устройств. Рассматривался такой вариант использования: пользователь помещает устройство перед собой, система обнаруживает глаз и проецирует на него изображение, используя методы компенсации движения. В таком виде небольшое VRD-устройство могло бы заменить полноразмерный монитор.
Преимущества
VRD, проецирующая изображение на оба глаза, позволяет создавать реалистичные трехмерные сцены. VRD поддерживает динамическую перефокусировку, что обеспечивает более высокий уровень реализма, чем у классических шлемов виртуальной реальности.
Система, примененная в мобильном телефоне или нетбуке, может существенно увеличить время работы устройства от батареи благодаря «целевой доставке» изображения непосредственно на сетчатку глаза [3] .
Безопасность
Считается, что VRD с использованием лазера и LED-элементов безопасны для человеческого глаза, поскольку они имеют низкую интенсивность, луч достаточно широк и не направлен на одну точку долгое время.
VRD-системы проходят сертификацию в American National Standards Institute и International Electrotechnical Commission.
Использование
Военное использование
Как и многие другие технологии, VRD первоначально был создан для военного использования. В настоящее время VRD используется в Striker'е армии США. Командир Striker’а получает изображение от бортового компьютера с помощью ретинального монитора, закрепленного на шлеме. Это используется для более эффективного слежения за обстановкой на поле боя и получения тактической информации. Подобное устройство также используется пилотами новых моделей американских вертолетов.
Медицинское использование
Виртуальная реальность используется не только в играх или в кино, как думают многие. Сегодня VR-технологии приходят на помощь людям во многих сферах: в космосе, образовании, медицине и других отраслях. Расскажем, как виртуальные симуляторы помогают медикам осуществлять различные процессы, в том числе проводить обучение студентов.
Виртуальная реальность (virtual reality, VR) — виртуальный мир, создающий полную иллюзию присутствия с помощью органов чувств человека: осязания, слуха, зрения. При этом виртуальная реальность способна имитировать как действия, так и реакции на них. Пользователь испытывает гравитацию, свойства различных материй (воды, песка и т.д.), силу удара и пр., ощущая все это совершенно реально, как и в жизни.
Для погружения в виртуальный мир используют специальные шлемы, очки, костюмы, перчатки, мониторы. Уже давно VR-технологии, созданные изначально для развлекательной индустрии, — компьютерных игр и кино, активно применяются в и других отраслях. Очень полезными оказалась они и для медицины.
Симуляторы для обучения студентов и хирургов
Виртуальные симуляторы в последнее время широко применяются для обучения студентов различных медицинских факультетов. Это может быть индивидуальное или групповое занятие — например, для нескольких хирургов, выполняющих операцию. Также с помощью VR-тренажеров можно научиться проводить УЗИ, эндоскопию и прочие диагностические процедуры. При этом симуляторы воспроизводят реакцию реального организма в обычной обстановке или в экстремальных условиях. Удобство таких симуляторов для обучения еще и в том, что в любой момент преподаватель может прервать действие, указать на ошибку студента, обсудить результаты, произвести столько повторов манипуляции, сколько потребуется.
Особенно важны занятия для будущих хирургов. На тренажере есть возможность смоделировать различные ситуации, которые требуют быстрого принятия решений, точного выполнения манипуляций и прочих навыков, необходимых врачу этого профиля. Обучаясь с помощью виртуальных технологий, будущий специалист получает мощную практику, сравнимую с реальной.
Симуляторы для хирургии выпускаются двух типов:
компьютерные 3D. Студент при помощи мыши и клавиатуры взаимодействует с виртуальным оборудованием и пациентом;
виртуальные 3D. После того как обучаемый наденет VR-шлем, он окажется в операционной, в которой должен приступить к заданным действиям. Специальные контроллеры позволяют воссоздать любые действия: брать инструменты, делать разрезы, сшивание и прочие манипуляции.
Безусловно, использование подобных симуляторов значительно повышает уровень подготовки будущих хирургов. Ранее, когда студентам приходилось проводить занятия в анатомическом театре на умерших людях, их практика была сильно ограничена. Современные тренажеры дают множество преимуществ:
Максимальное погружение в процесс благодаря полной реалистичности.
Возможность проводить занятия в обычном учебном классе.
Отсутствие необходимости использовать медицинские расходные материалы и инструменты.
Отработка самых сложных операций без угрозы для жизни пациента.
Медицинские VR-тренажеры повсеместно используются для обучения студентов медицинских вузов во всем мире.
Онлайн-трансляция операции
В 2016 году в Королевском Лондонском Госпитале была проведена операция по удалению раковой опухоли с использованием VR-технологий, которую транслировали для 13 тысяч студентов-медиков. Хирург находился при этом в VR-очках Google Glass. Зрители наблюдали за его действиями и задавали вопросы в процессе трансляции операции. Профессор Шафи Ахмеде видел их в периферийном окне очков, а отвечал уже в устной форме.
Использование очков виртуальной реальности помогает специалистам получать всю информацию о состоянии оперируемого в режиме реального времени. Так, сотрудники из Университета Дьюка (США) создали очки Hololens. Их надевает хирург, а они передают данные компьютерной томографии на голову пациента во время операции на мозг. Это позволяет врачу видеть, где находится его инструмент.
VR-симулятор с имитацией сердечно-сосудистой системы
Симулятор Simantha — это манекен в человеческий рост с воссозданной до мельчайших деталей сердечно-сосудистой системой человека. Он предназначен для обучения будущих кардиологов-хирургов. Окрашенную жидкость вводят в кровеносные сосуды, при этом можно задавать различные параметры: снижать или повышать кровяное давление, увеличивать сердечный ритм, создавать аномалии системы кровообращения. Врач производит необходимые манипуляции с сердцем, используя инструменты, вводит лекарства. При этом все действия отражаются на мониторе, а также показывается реакция манекена на вмешательство и даже индивидуальное восприятие различных лекарств.
VR для лечения деменции, психических расстройств и поражений нервной системы
Еще одно направление VR-технологий для использования в медицине — появление симуляторов, создающих виртуальный мир для больных с отклонениями и психическими расстройствами.
Так, компания Virtual Relief разработала очки для страдающих от старческого слабоумия — деменции. Это тяжелое заболевание, от которого страдают окружающие пациента люди. Пожилому человеку с деменцией сложно ориентироваться в окружающем пространстве, запоминать новую информацию. В виртуальной реальности для таких пациентов создают игру, позволяющую тренировать память, совершать упражнения по планированию действий и прочие вещи, заставляющие работать мозг.
Существует также тренажер для лечения параноидальных расстройств. Больной надевает шлем и оказывается в закрытом пространстве — например, лифте, в который постепенно заходят новые люди. Пациент учится не впадать в панику в закрытом пространстве с незнакомцами. У 20% испытуемых после таких занятий было отмечено снижение параноидальных симптомов.
Лечение фобий и страха
Этот же способ применяют и в Германии. Известный производитель оптики компания Carl Zeiss разработала очки для пациентов стоматологических клиник. Как известно, страх перед лечением зубов бывает очень сильным. Теперь же во время процесса посетителю надевают VR-очки, он может расслабиться за просмотром приятного видеоконтента.
Маленькие дети часто пугаются незнакомой обстановки в больнице, особенно когда вынуждены находиться там без родителей. В Голландии малышам надевают 3D-очки с предварительно записанной программой. Они оказываются в домашней обстановке, где могут общаться со своими родными и близкими. После использования таких симуляторов дети становились гораздо спокойнее и уже не испытывали прежнюю панику.
Анестезия виртуальной реальностью
Интересную идею использования VR-технологий в медицине предложил американский психолог Хантер Хоффман. Виртуальное обезболивание с помощью зимнего пейзажа — вот какую идею выдвинул профессор. Проведенные эксперименты для больных с ожогами показали, что вид холодного снега обманывает мозг пациентов, снижая болевые ощущения. Использовались такие 3D-очки во время смены повязок, чтобы притупить болезненные ощущения.
Виртуальные технологии помогают значительно расширить возможности в сфере медицины — как в плане обучения, так и в плане терапии. Ведущие разработчики электроники постоянно улучшают VR-технологии для достижения высоких результатов.
Сегодня подавляющее большинство новых IT-технологий в первую очередь находят применение в сфере развлечений. Яркий тому пример – виртуальная реальность. Но шлемы и очки, погружающие нас в иные миры, могут быть полезны вовсе не для одних лишь изощрённых игр. К примеру, технологии виртуальной реальности могут найти широкое применение в медицине.
Когда в октябре прошлого года Microsoft продемонстрировала прототип Project X-Ray, геймеры по всему миру были в восторге. Пользователь в очках виртуальной реальности (ВР) и с манипулятором в руках сражался против роботов, прорывающихся сквозь стены. Ещё в первой половине 1990-х годов были неоднократные попытки использования технологий ВР в игровой индустрии. И в то время мало кто представлял себе иную сферу применения. Но сегодня ВР всё чаще находит применение в таких областях деятельности как научные исследования, спорт, военные разработки, образование, автотранспорт и даже здравоохранение.
Согласно прогнозу исследовательской и консалтинговой компании IndustryARC, к 2020 году общемировой рынок технологий виртуальной и дополненной реальностей в здравоохранении достигнет $2,54 млрд. В основном они будут применяться для обучения врачей и реабилитации пациентов.
В апреле этого года в Королевском Лондонском Госпитале была проведена операция по удалению раковой опухоли. Это событие примечательно тем, что весь ход операции транслировался в сеть благодаря очкам Google Glass, которые были надеты на хирурге. 13 000 студентов-медиков не просто наблюдали почти в прямом эфире (с минутной задержкой), но и задавали хирургу вопросы, которые отображались в виде текста на периферии его поля зрения, а он отвечал на них голосом.
Конечно, операции снимались и раньше, но это первый случай, когда:
1. Зрители могли наблюдать весь процесс глазами хирурга.
2. Операцию можно было смотреть практически в реальном времени на любых мобильных устройствах, в том числе очках ВР.
3. Можно было удалённо задавать хирургу вопросы и получать ответы.
Кстати, доктор Шафи Ахмед, проводивший операцию, вообще не чужд высоких технологий, и сейчас экспериментирует с 360-градусным съёмками. По его мнению, это позволит создавать более эффективные обучающие видео для студентов-хирургов.
Но, даже имея возможность свободно осматриваться по сторонам при просмотре видеозаписи, студенты остаются пассивными наблюдателями. Поэтому совершенно логично, что ВР используется и для создания трёхмерных симуляций с полным погружением, в которых будущие врачи могут оттачивать свои навыки осмотра и лечения пациентов. Например, компания Medical Simulation Corp. разработала комплекс Simantha, на котором хирурги-кардиологи учатся исследовать сердце человека. Здесь используется полноразмерный манекен, позволяющий вводить контрастное вещество в «артерии» и использовать различные инструменты для проведения всевозможных манипуляций с «сердцем». Человек контролирует все свои действия по мониторам, где отображается полноценная симуляция внутренностей сердца. При этом комплекс снимает всевозможную телеметрию и точно реагирует на действия врача, как это происходит в жизни. Могут симулироваться индивидуальные особенности системы кровообращения пациента и даже нестандартная реакция на различные лекарства.
Для обучения медицинских работников разных специальностей применяются и более традиционные виды технологий ВР: тематические приложения на базе трёхмерных движков. Например, под маркой HumanSim выпускаются программы для обучения основам общения с пациентами, анестезиологии, седации и вентиляции лёгких, оказания первой помощи в военно-полевых условиях и так далее. Движок HumanSim также может использоваться для создания собственных медицинских симуляций.
Пожалуй, именно в хирургии технологии ВР находят наиболее широкое применение. Оно и понятно – трудно найти другую область медицины, в которой визуализация и обратная связь на действия врача играет ещё более важную роль.
Как и в любой другой профессии, в хирургии мастерство нарабатывается с опытом. Никакие манекены не сравнятся по степени правдоподобия с качественно выполненным виртуальным тренажёром. А при обучении в анатомичке далеко не всегда «рабочий материал» реагирует на ошибки студентов так же, как живой человек, например, если будет случайно задет кровеносный сосуд. Да и на всех студентов не напасёшься. А виртуальные тренажёры не страдают от нехватки образцов и виртуальных тел.
Например, в Стэнфордском Университете разрабатываются и применяются программно-аппаратные комплексы с высокой степенью детализации различных органов и частей тела человека, обеспечивающие тактильную обратную связь. Это позволяет хирургу при обучении ориентироваться в ситуации не только визуально, но и тактильно.
Работая с цифровыми моделями органов человека, в виртуальном окружении, копирующем настоящее, уже состоявшиеся хирурги тренируются выполнять тонкие и сложные процедуры. Это помогает повысить точность действий врача, снизить вероятность ошибок и послеоперационных осложнений. К тому же, иногда лечение требует применять довольно редкие виды вмешательства, с которыми многие рядовые врачи просто не сталкивались. И недостаток реального опыта вполне можно отчасти компенсировать на виртуальных тренажёрах.
К слову, ВР позволяет тренироваться и врачам, использующим робохирургические установки: телехирургам и микрохирургам.
Им в этом отношении даже несколько проще, ведь дисплей – неотъемлемый рабочий инструмент этих специалистов. Согласно ряду исследований, ВР-тренажёры заметно повышают эффективность врачей, специализирующихся в робохирургии.
Всё на благо пациентов
Технологии ВР применяются в здравоохранении не только для обучения врачей. Реабилитация пациентов – важный этап на пути к выздоровлению или адаптации. Например, многие пациенты, потерявшие конечности в результате травмы или операции, сталкиваются с синдромом фантомных болей. Это может выражаться в ощущении жжения, зуда, покалывания и иных формах. До недавнего времени не существовало достаточно эффективных способов избавления от фантомных болей.
В Технологическом Университете Чалмерса (Chalmers University of Technology), Швеция, пациенту с ампутированной рукой подключили к культе датчики, снимавшие сигналы с сокращавшихся мышц, а компьютер транслировал их в движения виртуальной руки, отображавшейся в очках ВР. Причём рука не просто двигалась, пациент мог с её помощью водить виртуальный автомобиль. То есть мозг получал хотя бы визуальное подтверждение того, что конечность, которой он пытается управлять, существует и реагирует на сигналы. Как отметил пациент, интенсивность болей после этого заметно уменьшилась, и возникать они стали реже. Правда, это не было полноценным клиническим исследованием на достаточно репрезентативной выборке, но результат обнадёживает.
Другой интересный пример использования ВР – терапия пациентов с нейрофизиологическими нарушениями. Например, установка MindMaze отслеживает движения человека и отображает их на дисплее. Как утверждают разработчики, стараясь выполнить предлагаемые задания, мозг постепенно восстанавливает и перестраивает нарушенные нейронные связи.
Наше сознание – невероятно мощный инструмент, способный полностью менять восприятие себя, тела и окружающего мира. К сожалению, мы очень плохо умеем управлять этим инструментом. Но есть и положительные примеры. Пациенты с обширными ожогами тела страдают от сильных болей, которые не удаётся полностью снять медикаментозными средствами.
Специально для них была разработана виртуальная игра SnowWorld. Действие разворачивается в ледяном мире, в качестве врагов выступают снеговики и пингвины, а всё оружие – изо льда и снега. Согласно результатам исследований, благодаря этой игре ожоговые пациенты тратят втрое меньше времени на размышления о боли от ожогов: 22% времени вместо 76%.
Применяется ВР и для лечения психологических расстройств. Например, отмечены многочисленные случаи ослабевания фобий, когда применяется экспозиционная терапия в сочетании с очками ВР. Например, человеку с арахнофобией демонстрируют виртуальных пауков. Сначала на расстоянии, потом к ним можно приближаться, и даже взаимодействовать с паучками.
А страдающих от акрофобии отправляют гулять по крышам виртуальных зданий с постепенным увеличением этажности. Есть приложения для профилактики боязни летать, водить машину и ряда других фобий.
Виртуальные симуляторы военных действий могут служить не только для развлечения и тренировки солдат, но и для смягчения симптомов посттравматического стрессового расстройства у ветеранов. Это достигается с помощью обыгрывания различных сценариев и травматических событий, ставших причиной этого психического расстройства, с параллельной работой с психологом. Зачастую применяется отслеживание движений глаз пациента, что помогает точнее определить травмирующие события для последующей отработки с врачом. Но пока что среди специалистов существуют противоречивые мнения относительно эффективности использования ВР для лечения ПТСР.
Наконец, технологии ВР используются для социальной адаптации аутистов. Это расстройство проявляется по-разному, и во многих случаях аутистам приходится нелегко, когда они сталкиваются с правилами и особенностями человеческого общества и окружающего мира. А с помощью ВР можно безболезненно обыгрывать различные ситуации, показывая, как лучше вести себя в тех или иных ситуациях.
В целом, технологии ВР делают лишь первые шаги в здравоохранении. Растёт доступность и разнообразие устройств и программного обеспечения, и можно с достаточной уверенностью спрогнозировать, что новые технологии будут всё активнее использоваться при обучении врачей. Не исключено, что появятся новые разработки на стыке ВР, больших данных и искусственного интеллекта. Например, системы, которые в реальном времени будут анализировать текущую ситуацию и вырабатывать визуальные рекомендации и подсказки для врача, облегчая диагностирование и лечение, уменьшая вероятность врачебных ошибок.
Такие устройства создают изображения непосредственно на сетчатке глаза. В результате пользователь видит изображение, которое "висит" в воздухе перед ним. Устройства данного типа ближе к системам дополненной реальности, поскольку изображения виртуальных объектов, которые видит пользователь, накладываются на изображения объектов реального мира.
Виртуальный ретинальный монитор
Устройство [ ]
Характеристика [ ]
Предшественники VRD формировали изображение перед человеком, на небольшом экране в виде очков. Эта технология имела ряд недостатков: 1. малый угол обзора; 2. большой вес; 3. необходимость фокусирования зрения на определенной «глубине»; 4. низкая яркость.
Появлению VRD предшествовали две разработки, без которых бы виртуальный ретинальный монитор не появился. А именно, LED-систем высокой яркости, которые позволяют видеть изображение днем, и адаптивная оптика. Впервые VRD было создано в 1991 году в Вашингтоне, связанное с системой виртуальной реальности. Затем VRD стали рассматривать как портативное устройство вывода. Предполагалось, что пользователь ставит устройство перед собой, оно определят глаз человека и проецирует изображение. Такое устройство могло бы заменить настоящий монитор.
Преимущества VRD: 1. проецируя на один глаз, устройство позволяет видеть не только передающееся изображение, но и реальные объекты, создается впечатление рентгеновского снимка. Это может применяться в хирургии, при ремонте автомобиля. 2. проецируя на оба глаз, устройство может создавать реалистичные 3D сцены. В отличие от шлемов виртуальной реальности, VRD обеспечивает больший реализм. 3. данное устройство может увеличить время работы телефона или нетбука за счет доставки изображения прямо на сетчатку глаза.
Характеристики луча лазера, который используется в VRD, следующие: 1. имеет низкую интенсивность; 2. достаточно широк; 3. короткий промежуток времени направлен на одну точку.
Читайте также: