پنج کمک کامپیوتر به صنعت پزشکی و مراقبت‌های بهداشتی-2

این‌که پزشک قادر باشد با نگاه کردن به یک بیمار و بدون شکافتن بدن وی  اجزای داخلی را مشاهده کند، کمی‌دور از ذهن به‌نظر می‌رسد. اما یک سیستم Augmented Reality دقیقاً همین توانایی را به یک پزشک می‌دهد. AR می‌تواند در مراحل مختلف از معاینه و تشخیص گرفته تا انجام عمل جراحی مورد استفاده قرار گیرد. پزشک با در اختیار داشتن یک سیستم AR می‌تواند بخشی از بدن بیمار را انتخاب‌کرده و درون بدن را ببیند. هر چند این شیوه، نوعی ترفند به شمار می‌آید که طی آن با استفاده از داده‌های جمع‌آوری‌شده از عضو مورد نظر (با روش‌هایی نظیر MRI ،CT و امثال آن) بازنمایی سه‌بعدی از آن عضو رندر شده و روی تصویر حقیقی بیمار به‌طور همزمان نشان داده می‌شود با این‌اوصاف، تصور خوبی از آسیب‌های وارده به عضو را به پزشک می‌دهد و بسیار کارآمدتر از مشاهده تصویر پزشکی به‌صورت مجزا است. با استفاده از AR پزشک می‌تواند به‌طور همزمان تطبیقی بین نمای بیرونی و درونی بدن بیمار داشته باشد و این ترکیب واقعیت و مدل‌های کامپیوتری در بسیاری از موارد کمک بزرگی هم به پزشک و هم به بیمار می‌کند. البته مشکل بزرگی هم سر راه سیستم‌های AR پزشکی وجود دارد و آن‌هم چیزی نیست جز کمبود توان پردازشی برای نمایش نماهای رندرشده اعضای داخلی بدن و منطبق کردن آن‌ها روی تصاویر واقعی بدن بیمار. به‌خصوص در مواردی که هدف نمایش بی‌درنگ تصاویر رندرشده است که در این صورت سیستم AR با چالش جدی روبه‌رو می‌شود. مصورنمایی یا Visualization بی‌درنگ داده‌های تصویری دوبعدی و سه‌بعدی از مهم‌ترین موارد در ایجاد یک سیستم AR است. علاوه بر رندر تصاویر به‌منظور مصورنمایی باید برای کاربر نیز راهنمایی‌های بصری درستی را به‌صورت بی‌درنگ فراهم کند. درحقیقت AR به‌منظور استفاده در جراحی مطرح شد تا از این طریق جراح در اتاق عمل، بدون این‌که مجبور باشد تصاویر پزشکی بیمار را روی نمایشگر ببیند، این تصاویر را به‌طور همزمان و بدون چشم برداشتن از بیمار مشاهده کند. اغلب به‌منظور عملیات رندر بی‌درنگ صحنه‌ها در یک سیستم AR پزشکی، از کیفیت تصاویر می‌کاهند یا از تکنیک‌های رندرینگ ساده‌ای استفاده می‌کنند تا میزان بار پردازشی تا حد امکان پائین آورده شود. استفاده از مدل‌هایی با سطوح Wireframe ساده یا Slice Rendering برای دستیابی به حالتی بی‌درنگ راهکاری است که استفاده می‌شود.

AR پزشکی با کیفیت بالا
اما گروهی از محققان آلمانی روشی ارائه داده‌اند که آن‌ها را به ساخت سیستم‌های AR پزشکی بی‌درنگ نزدیک کرده است. در این شیوه از تکنیک‌های پردازشی GPU برای بهره‌گیری از داده‌های Volumetric در سیستم‌های AR پزشکی  استفاده شده است تا امکان رندر  این داده‌ها و نمایش روی ویدیوی اصلی به‌صورت بی‌درنگ فراهم شود.

سیستم مدنظر این محققان یک AR استریوسکوپی است که پزشک با مشاهده صحنه از طریق یک نمایشگر HMD (سرنام Head-Mounted Display) می‌تواند درون بدن بیمار را به‌طور مجازی ببیند (شکل4). این سیستم شامل یکVolume Rendererاست که از قابلیت‌های GPU به‌منظور شتاب‌دهی سخت‌افزاری استفاده می‌کند. این روش اجازه مصورنمایی استریو و بی‌درنگ داده‌های پزشکی Volumetric را به‌طور مستقیم و بدون نیاز به Pre-Processing و Segmentation زمان‌بر می‌دهد. از طرفی برای ایجاد تصور تعامل اشیای حقیقی و مجازی این Renderer یک Occlusion Handling با دست پزشکان و ابزارهای پزشکی ردیابی‌شده را نیز اجرا می‌کند.

هرچند به دلیل پیشرفت‌هایی که در حوزه گرافیک کامپیوتری صورت گرفته، رندرینگ سریع و با کیفیت بالای داده‌های Volumetric  پزشکی ممکن شده است و از این  الگوریتم‌ها برای نمایش تصاویر روی نمایشگرهای معمولی استفاده می‌شود، اما این روش‌ها برای سیستم‌های AR استریوسکوپی کاربردی ندارند. نیازمندی‌ها برای Volume Rendering در AR پزشکی به‌طور عمده‌ای با آنچه برای مصورنمایی پزشکی وجود دارد (به‌عنوان‌مثال در تشخیص)، متفاوت است. موتور رندرینگ مورد استفاده در چنین سیستمی ‌باید دارای سرعت بالایی بوده و قادر به ارائه تصاویر با کیفیت بالایی باشد. این‌کار به‌طورکلی دشوار و به پارامترهای زیادی وابسته است. از طرفی برای سیستمی‌که در آن از HMD استفاده می‌شود، Renderer باید قادر به رندر به‌صورت استریو با پرسپکتیو درست و به‌صورت بی‌درنگ باشد (سی فریم در ثانیه).

علاوه بر این، باید به نحوه سدشدن دید توسط اشیای مختلف (چه مجازی و چه حقیقی) دقت شود، زیرا در صورتی‌که این امر به‌درستی اجرا نشود، اشیای حقیقی و مجازی در صحنه AR به‌طور نادرستی نمایش داده می‌شوند و اشیای مجازی طوری به‌نظر می‌رسند که گویی روی اشیای حقیقی شناور هستند و هرگونه احساس عمق از دست می‌رود (شکل 4-ب). باید توجه داشت روش ارائه شده توسط این محققان یک روش کامل نیست و مواردی نظیر جراحی باز را پوشش نمی‌دهد؛ اما برای معاینه پیش از عمل بیمار و نیز در روش‌های جراحی نظیر لاپاراسکوپی (که در آن بدن بیمار به‌طور گسترده شکافته نمی‌شود)، مناسب است. البته، برای این کاربردها هم لازم است اصلاحات بیشتری در این سیستم صورت گیرد.

شکل 4- الف. پزشک با استفاده از نمایشگر HMD به معاینه بیمار می‌پردازد. نمای مشاهده شده توسط پزشک را روی نمایشگرهای موجود در تصویر می‌بینیم.ب. Volume Rendering استخوان. دستی که دستکش ندارد در زیر استخوان رندر شده قرارگرفته است. دست با دستکش به‌طور صحیح و در جلو قرار دارد. در این سیستم از دستکش آبی برای ردیابی دست استفاده شده است.پ. یک نمای AR  که پزشک آن‌را به‌صورت بی‌درنگ می‌بیند. روش مورد استفادهFocus And Context Rendering با استفاده از  Shaded Volume Rendering  بوده است .

 HMD مورد استفاده در سیستم مذکور  از دو دوربین رنگی برای هر چشم و یک سیستم(Optical Tracking (inside-out تشکیل شده است (شکل4-الف). ردیابی اشیای درون  صحنه با کمک دو سیستم Optical Tracking مجزا انجام می‌شود: یک سیستم Outside-in Optical Tracking شامل چهار دوربین مادون قرمز ART track2 که  روی سقف اتاق عمل نصب می‌شوند و یک سیستم Inside-out Optical Tracking متشکل از دوربین مادون قرمزی است که روی HMD نصب می‌شود. موقعیت و جهت سر کاربران به‌طور دقیق با سیستم Inside-out Tracking شناسایی می‌شود و سیستم Outside-in Tracking حجم Tracking وسیع‌تری را پوشش می‌دهد و برای همه اشیای قابل ردیابی درون صحنه استفاده می‌شود. با قرار دادن الگویی معلوم از علائم Optical Trackingیک سیستم مرجع ایجاد می‌شود که توسط هر دو سیستم Tracking قابل مشاهده  بوده و به‌عنوان  یک مرجع فریم مشترک در صحنه عمل می‌کند.