CC BY
300
УДК 004.946
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ AR И VR В МЕДИЦИНЕ
А. М. Сотников1, А. Ю. Тычков2, Р. В. Золотарев3, Е. Д. Сажнева4 , М. А. Николаева5
1> 2'3,4,5Пензенский государственный университет, Пенза, Россия
[email protected] [email protected] [email protected] [email protected]
Аннотация. Исследуются технологии дополненной и виртуальной реальности на примере их использования в медицине. Предметом исследования является изучение известных и ранее разработанных методов лечения и обучения с помощью AR- и VR-технологий. Цель работы - провести аналитический обзор и анализ известных методов использования дополненной и виртуальной реальности, представить наиболее перспективные решения в различных задачах здравоохранения. В качестве материалов исследования использовался поисковый метод научных и научно-популярных работ в лицензированных российских и зарубежных базах E-library и Scopus по ключевым словам: augmented reality, virtual reality, medicine, dantist. Представлены методы лечения и обучения с использованием AR- и VR-технологий. Рассмотрены современные способы лечения посттравматического синдрома и проектирования стоматологической имплантации посредством VR-технологий, способы обучения студентов и лечения фантомных болей посредством AR-технологий.
Ключевые слова: дополненная реальность, виртуальная реальность, медицина, стоматология
Для цитирования: Сотников А. М., Тычков А. Ю., Золотарев Р. В., Сажнева Е. Д., Николаева М. А. Использование AR и VR в медицине // Вестник Пензенского государственного университета. 2021. № 4. С. 112-116.
Введение
В настоящее время, когда речь заходит об использовании концепций VR- и AR-разработок, чаще всего представляется их применение в игровых и развлекательных сферах. В действительности дополненная и виртуальная реальность изначально создавались для развития военно-промышленной отрасли. Игры стали полем расширения возможностей инновационного оборудования, однако не стоит недооценивать потенциал использования AR и VR в различных сферах деятельности человека.
В здравоохранении данные технологии также находят свое применение. Они помогают экономить временные, экономические и человеческие ресурсы. Пациентам такие разработки подарили возможность комфортного пребывания в кабинете лечащего специалиста, а врачи, в свою очередь, более точно проводят диагностику и реабилитацию, что влияет на конечный результат [1].
Впервые VR-стимулятор был применен в хирургии в 1991 г. С помощью тренажера Green Telepresence молодые врачи получили возможность отрабатывать навыки использования скальпеля и зажимов на виртуальном теле [2]. Также в начале 1990-х гг. прошлого столетия психолог Барбара Ротбаум с коллегами создала модели мест, в которых у пациентов были испытаны сильные эмоциональные потрясения. Данная методика
© Сотников А. М., Тычков А. Ю., Золотарев Р. В., Сажнева Е. Д., Николаева М. А., 2021
позволяла людям с посттравматическим расстройством взаимодействовать с источником глубокого потрясения и прорабатывать чувства тревоги, паники и безысходности, находясь при этом в безопасности. Данное сочетание стало признано эффективным в борьбе со страхами [3].
Не так давно использование VR- и AR-разработок в медицине вышло на новый уровень. Толчком послужило внедрение VR-игр в реабилитацию людей после инсульта. В 2015 г. в госпитале Валь д'Эброн в Барселоне впервые женщина, парализованная вследствие пережитого инсульта, смогла двигаться. Такие результаты были достигнуты с помощью VR-игры, включающей в себя несколько уровней. В начале проходящая реабилитацию женщина должна была прикасаться рукой к зD-модели, отображающейся в приложении. На первых этапах ничего не происходило, однако уже через пару месяцев пациентка прошла крайний уровень, в котором надо было сыграть в боулинг.
В 2016 г. опытный хирург провел первую VR-трансляцию для 13 000 студентов, используя очки виртуальной реальности Google Glass. Врач проводил удаление раковой опухоли и в режиме реального времени отвечал на вопросы студентов, появляющиеся на периферии его поля зрения [4].
Использование технологий виртуальной и дополненной реальности позволяют решить ряд проблем.
Во-первых, профессиональное медицинское образование требует большого количества преподающих специалистов - экспертов в узких областях и направлениях, что в реальности достичь почти невозможно. С помощью VR-разработок создаются различные тренинги для студентов, одобренные ведущими практикующими врачами и позволяющие оттачивать навыки работы. Так, в стоматологии используются программы, в которых исследуются анатомическое строение зубов, челюсти, полости рта и ее дна [4]. Студенты практикуются препарировать, пломбировать и удалять разные типы зубов на симулято-рах, что не несет вреда живым людям и в то же время обеспечивает будущих специалистов необходимыми навыками [5].
Во-вторых, возможность получить опыт проведения редких операций в реальной жизни крайне мал, так как ординаторы могут не застать в учебной практике пациентов с исключительными случаями. В этом случае VR- и AR-разработки помогают пройти максимальное количество возможных патологий и отклонений.
В-третьих, в ряде учебных медицинских учреждениях нет современного оборудования, качественных материалов и большого количества инструментов.
Кроме того, существует опасность работы с инфекциями и химическими веществами. Данную проблему решает удаленная работа врачей и лаборантов посредством использования VR- и AR-разработок [6].
Несмотря на всю пользу концепции виртуальной и дополненной реальности, существует ряд проблем, с которыми сталкиваются практикующие врачи. Неиспытанные приложения повышают риск причинения пациенту вреда, что противоречит главным принципам медицины. Использования непроверенных или малопроверенных проектов недопустимо, а их тестирование занимает достаточно долгое время. Также следует обратить внимание на то, что не все люди, которые приходят в клинику за врачебной помощью, доверяют новым технологиям. Усовершенствования и упрощенность действий медицинского персонала могут отталкивать и пугать пациентов, из-за чего лечение становится менее продуктивным. Используя виртуальную и дополненную реальность, стоит помнить, что бесконтактное взаимодействие врача и больного уменьшает уровень эмпатии. Лечащий специалист становится зависимым от правильности работы программ и теряется, если ситуация выйдет за рамки привычного удобства.
В работе врачей [7, 8]:
- AR используется для создания разметки при операциях разного рода. Линии органов подсвечиваются, акцентируя на себе внимание врача;
- с помощью сканеров врачи получают индивидуальную зD-модель, по которой исследуют особенности строения органов пациента, планируют лечение и готовятся к предстоящей операции;
- для решения проблемы эмпатии и коммуникации врачи проходят тренинги в специальных костюмах и на тренажерах, созданных с применением VR-разработок.
В лечении пациентов:
- предлагается погрузиться в виртуальную реальность с помощью игры. Данное действие происходит с помощью шлема VR;
- для лечения депрессии и других расстройств врачи используют шлемы VR, через которые пациенты погружаются в покой посредством увиденного;
- разработки VR позволяют проходить лечение людям с ДЦП. Популярной системой является Virtual Rehab, которая использует сенсоры Leap Motion и Microsoft Kinect;
- люди, желающие поменять свою внешность, могут обратиться за помощью в клинику эстетической медицины, которая использует технологии дополненной реальности, что позволяет посмотреть на изменения образа пациента, не применяя никаких вмешательств;
- пациенты с ограниченными возможностями, например, ослабленным зрением, имеют возможность избавиться от недуга с помощью дополненной и виртуальной реальности.
VR для диагностики неврологических заболеваний
Использование данных технологий в неврологии - довольно дешевый и простой способ проведения тестов, притом он достаточно эффективен в обнаружении болезни Паркинсона и других серьезных отклонений на ранних стадиях. Метод диагностики состоит в том, чтобы погрузить пациента в виртуальный мир посредством шлема или очков виртуальной реальности. Виртуальное положение человека постоянно меняется, в то время как врачи с помощью специальных сенсоров отслеживают физическое состояние, при этом внутреннее ухо и вестибулярный аппарат помогают соблюдать правильный баланс тела [9]. На основании того, что пациента легко вывести из равновесия, которое в результате трудно восстановить, специалисты делают предварительные выводы и назначают дальнейшую диагностику, в ходе которой ставится точный диагноз. Первыми в данном направлении стали работать ученые Сибирского медицинского университета и Томского политехнического университета [10].
Современная медицина нацелена на комфортное и безболезненное лечение. Именно поэтому работники клиник нацелены на применение технологий, которые могут снизить болевой синдром пациентов. Пациентам предлагаются очки дополненной реальности, где находится изображение здорового участка тела, с которым работает специалист. Дополнительно изображение благоприятных сюжетов транслируется на специальный монитор. Методика применяется для лечения фантомной боли [9, 10]. Чаще всего она используется при реабилитации людей, потерявших конечности. Видение того, что они здоровы, повышает болевой порог. В очках транслируется программа, которая дорисовывает утраченные конечности. Встроенные контроллеры помогают управлять изображением, вследствие чего пациентам удается поменять положение ноги или руки, в дальнейшем - навсегда избавиться от боли.
AR для инвазивных процедур
По статистике только 60 % процедур постановки капельниц и забора крови происходит с первой попытки. Остальная часть подразумевает под собой такую проблему, как
непопадание иглы в кровеносный сосуд. Компания AccuVein разработала сканер, который просвечивает кожу человека и проецирует положение вен и их разветвления на поверхность тела. Данная технология повышает эффективность проведения медицинских процедур [10].
Дополненная и виртуальная реальность как плацебо
Технологии AR и VR позволяют обманывать сознание пациентов, чем активно пользуется современная медицина. Дополненная реальность показывает больному, как защитные клетки, отвечающие за иммунитет, атакуют и уничтожают вирусы и вредоносные бактерии. Данный метод заставляет работать центры мозговой активности, внушая, что в организме происходит борьба. Таким образом человек выздоравливает посредством условных рефлексов, которые являются ответом мозга, настроенного на желаемый эффект [11].
Виртуальная и дополненная реальность в стоматологии
С каждым годом количество новых методов комфортного лечения все больше возрастает. Акцент ставится на минимальном травмировании пациентов посредством разработанных программ. Примером может служить тотальная имплантация с использованием цифрового планирования. Работу стоматолога упрощают ряд программ для чтения снимков КТ, зD-сканер и спроектированный шаблон. Врач получает в приложении два файла: модель челюсти и модель зубного ряда. Затем в программах, таких как Simplant, Blue Sky Plan, 3Shape Implant Studio и т.д., создается модель шаблона. В дальнейшем после планирования имплантации полученный зD-макет шаблона производится на зD-принтере. Полученный продукт закрепляют в полости рта с помощью тоненьких пинов, затем проводится операция [11]. Таким образом, технологии виртуальной и дополненной реальности усовершенствовали и оптимизировали работу врачей-стоматологов. Использование данных разработок значительно уменьшает время подготовки к операции, ее проведения и делает лечение пациентов более комфортным и менее травмирующим.
Заключение
Технология дополненной и виртуальной реальности находит широкое применение в различных областях науки и техники, в том числе медицинского назначения. Существуют методы диагностики неврологических заболеваний с применением технологии виртуальной реальности, по результатам работы которых ставится предварительный диагноз и назначается эффективное лечение. Возможность проводить инвазивные процедуры посредством дополненной реальности упростила работу медицинскому персоналу и позволила пациентам чувствовать себя гораздо комфортнее. Технологии дополненной и виртуальной реальности помогают квалифицированным специалистам усовершенствовать навыки своей работы, а также передать в доступной форме знания обучающимся.
Список литературы
1. Дополненная реальность в медицине. URL: http://arnext.ru
2. Прекрасная анатомия от 3D4Medical. URL: http://pulseofapps.com
3. Технологии дополненной и виртуальной реальности в медицине: анализ конкурентного ландшафта. URL: https://cyberleninka.ru.
4. ViaOpta Simulator - симулятор болезней зрения. URL: https//holographica.space/video-of-theday/viaopta-si
5. Jerald J. The VR Book: Human-Centered Design for Virtual Reality. New York : Association for Computing Machinery and Morgan & Claypool, 2016. 636 p.
6. Примеры использования дополненной реальности. URL: https://augmentedreality.by/ example
7. Тычков А. Ю., Грачев А. В., Алимурадов А. К., Чураков П. П. Исследование особенностей передачи мультимедийной и параметрической информации в среде виртуальной реальности // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2020. № 4. С. 27-38.
8. Клиническое руководство по концепции All-on-4 («Всена-4») с применением традиционного хирургического протокола и хирургии по шаблонам. URL: http://rf-ztl.com
9. Тычков А. Ю., Буныгин Е. В., Бутров Н. А. Виртуальная реальность для вооруженных сил: обзор // Вестник Пензенского государственного университета. 2020. № 4. С. 107-114.
10. Tychkov A. Yu., Ageykin A. V., Alimuradov A. K. The effect of virtual reality on mental health in the design of automated control systems // IEEE Dynamics of Complex Networks and their Application in Intellectual Robotics. 2020. Vol. 29. P. 134-136.
11. Meola A. Augmented reality in neurosurgery: a systematic review // Neurosurgical review. 2017. № 4. P.40.
Информация об авторах Сотников Александр Михайлович, студент, Пензенский государственный университет.
Тычков Александр Юрьевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Радиотехника и радиоэлектронные системы», заместитель директора Научно-исследовательского института фундаментальных и прикладных исследований, Пензенский государственный университет.
Золотарев Руслан Валерьевич, преподаватель дополнительного технического образования, Пензенский государственный университет.
Сажнева Екатерина Демьяновна, студентка, Пензенский государственный университет. Николаева Мария Александровна, студентка, Пензенский государственный университет.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
