كاربرد واقعيت مجازي در پزشكي

اين سيستم از نظر امور آموزشي و بهداشتي كاربردهاي فراواني در امور آموزش از راه دور و نـيــز تـلــه مــديـسيـن دارد. بـه عنـوان مثـال جهـت آموزش جراحان قبل از عمل جراحي مي توان با فراهم آوردن يك محيط مجازي، امكان انجام عمل جراحي بر روي يك بيمار مجازي را براي پزشك فراهم كرد.
به دليل افزايش بي رويه سايت هاي اينترنتي در جهان، روز به روز رقابت سايت ها در جذب كاربران بيشتر مي شود. در اين ميان سايت هايي كه علاوه بر ظاهري زيبا، تعامل بيشتري با كاربر داشته اند موفق تر بوده اند. بررسي 100 سايت نخست اينترنت نشان داده است كه بيشتر اين سايت ها از تبليغات، انيميشن دو بعدي و سه بعدي استفاده كرده اند.
شـبـكـه را بـه عنوان مكاني تصور كنيد كه از طريق آن مي توانيد در فضاهاي سه بعدي گام برداشته، اجسام را برداريد، آن ها را تماشا كنيد و با عبور از فضاها به مكان هاي ديگر برويد.

‌اين فضاها در محيط شبكه مبتني بر واقعيت مجازي عرضه خواهند شد .در اين محيط شما قـادر خـواهـيـد بـود گـالـري هـاي هـنـري زيـبـا را سيـاحت كنيد، يا درون مغز انسان را ببينيد، به كتابخانه سري بزنيد و به راحتي كتاب دلخواه را بـرداشتـه و در يـك فضـاي جـالب آن را مطالعه كرده، وارد فضاي داستان شده و با شخصيت ها و حوادث همراه شويد كه در حقيقت اين همان وعده واقعيت مجازي در شبكه است.  ‌شخص معمـولا از يـك صفحـه نمـايش كه بر روي سر نصب مي شودHead Mounted Display ()HMD استفاده مي كند كه داراي سنسوري براي تعقيب حركات و موقعيت شخص است. سنسورها  در واقع داده هاي مربوط به موقعيت و حركات شخص را به كامپيوتر مي فرستند تا تصوير مجازي را به روز   Updateكنند. بدين وسيله ، شخص كاملا خود در اين محيط مجازي سه بعدي شناور احساس مي كند. با پيشرفت هاي اخير در زمينه پردازنده هاي پر سرعت و گرافيك هاي كامپيوتري، در حال حاضر كامپيوتر هاي شخصي هم قادر به توليد چنين محيط هاي مجازي واقعي هستند.
امروزه از VR )Reality Virtual( در زمينه هاي گوناگون نظير طراحي ساختمان ها و دكوراسيون داخلي توسط معماران ، كنترل از راه دور روبات ها ( سازمان ناسا ) آموزش و تمرين جراحي هاي مشكل توسط جراحان استفاده مي شود .

تعاريف و اصطلاحات اين حوزه
مجازي   (virtual)
‌صفتي كه به فعاليت ها، اهداف، موجودات و مكان هايي اشاره دارد كه واقعيت فيزيكي ندارند. بلكه تنها در شكل رقومي ( سايبر- فضا ) موجوديت دارند مانند صندوق الكترونيكي گفته مي شود.

واقعيت مجازي 
مـحـيــط الـكـتــرونـيـكــي كـه بـا استفـاده از جلـوه هـاي بصـري سـه بعـدي واقعيـت را مشابه‌سازي مي كند اما فاقد ماديت فيزيكي هستند. واقعيت مجازي با اختصار  VR توليد نرم افزاري – رايانه اي از يك پنداره يا محيط كه براي حواس ( بيشتر بصري ) معادل واقعيت، وانمود شود و به فضاي سه بعدي كه توسط كامپيوتر ايجاد مي شود، اطلاق مي شود.در حقيقت واقعيت مجازي استفاده از فناوري پيشرفته از جمله كامپيوتر و لوازم جانبي آن و ابزارهاي چند رسانه اي مختلف براي ايجاد يك محيط مجازي ( شبيه سازي شده) است. در اين محيط كاربر اشياء، حوادث و رخداد هاي مجازي قابل مقايسه با دنياي واقعي را با استفاده از مبدل هاي طراحي شده و حسگر هاي خاص به طور تعاملي در دست مي گيرد و تصاوير نمايشي و حركتي را مشاهده مي كند طوري كه فرد گمان كند در محيط واقعي قرار گرفته است. در شكل 1 شماتيك  بلوك دياگرام مربوط به واقعيت مجازي نشان داده شده است .
دنيـاهـاي مجـازي بـا استفـاده از زبـان مـدل سـازي واقعيـت مجازي يا VRML ايجاد مي‌شود. اين زبان شامل دستورالعمل هايي براي ساخت اشياء هندسي سه بعدي است‌.  برنامه نويسان و هنرمندان در اين زبان براي ساخت فضاهاي پيچيده از اشكال هندسي استفاده مي كنند. در وب سه بعدي مي توان با كنترل هاي بصري مرورگر ( فلش ها ) يا به وسيله موشواره يا صفحه كليد يا دستكش اطلاعات يا اهرم كنترل حركت كرد.

 ‌تاريخچه  Virtual reality
در 1910واقعيـت مجـازي بـراي پنـوماتيك و حركت هواپيما و آموزش خلبانان به كاربرده شد كه ارزان و ايمن بود. در دهه 50 فكر فريب حواس در فيلم هاي روي پرده بزرگ و صداي استريو با دستگاهي به نام سينه راما به كار رفت كه نوعي سيستم پخش تصوير بر روي پرده عريض بود كه در آن تصوير ميدان ديد تماشاگر را پر مي كرد و تركيب آن با صداي استريو اين حس را ايجاد مي كرد كه شخص واقعا در صحنه حضور دارد. در اواخردهه 60 طرح دنياي مجازي تحت كنترل كامپيوتر بررسي شد. واقعيت مصنوعي دستگاهي بود كه ميرون كروگر آن را ساخت. با اين دستگاه، حركات و حالت هاي بدن فرد در حالي كه در اتاق حركت مي كنيد تصاوير روي نمايش گر ويدئويي را تغيير مي‌دهد يعني تصاوير ويدئويي زنده همراه با صحنه هايي كه توسط كامپيوتر توليد شده را مي بينيد. ايوان ساترلند در دهه 70 گرافيك هاي سه بعدي شبكه سيمي را ساخت كه در اولين شبيه سازي كامپيوترهاي توليد شده به كار رفت. واقعيت مجازي را اولين بار در 1989 يارون لانير به كار برد. پس از آن ميرون كروگر در 1970 هوش مصنوعي را به آن افزود و گيبسون در 1984 فضاي سايبر را معرفي كرد و در 1990 واژه دنياي مجازي يا محيط مجازي كاربرد بيشتري پيدا كرده است و به كليه فضاهاي سه بعدي كامپيوتري اطلاق مي شود.

تاريخچه  VR در يك نگاه
1910-   پنوماتيك و حركت هواپيما و آموزش خلبانان ( شبيه سازهاي مكانيكي )
1929- مفهوم شبيه سازهاي الكترونيكي
1955- سيستم هاي  video based ، سينماي سه بعدي
اواخـر دهه 60 – طرح دنياي مجازي تحت كنترل كامپيوتر و توليد دستگاه واقعيت مجازي توسط ميرون كروگر
دهه 70 – توليد گرافيك هاي سه بعدي شبكه سيمي و استفاده از آن در اولين شبيه سازي  هاي كامپيوتري – ايوان ساترلند
1970 – اضافه كردن هوش مصنوعي به اين سيستم – ميرون كروگر
1983HMD  )Head Mounted Display  ( –
1989- اصـطــلاح واقـعـيــت مـجــازي تـوسـط يارون لانير

 ‌ساختار يك سيستم  virtual reality
‌پـنـج حـس بينايي شنوايي بويايي چشايي و لامـســه دربــاره دنـيــاي واقـعــي، دربــاره شـكــل، وضعيت، رنگ بافت و اينكه از چه نوع موادي ســاخـتــه شـده انـد، اطـلاعـاتـي بـه مـا مـي دهـنـد. دستگاهي را تصور كنيد كه براي فرد اطلاعاتي ارسال كند اما نه اطلاعاتي درباره دنياي اطراف، بلكـه اطـلاعـات سـاختگـي بفـرستـد. اطـلاعاتي درباره جهاني خيالي به طوري كه فرد تصور كند واقعي است و فريب بخورد و اين به طور مجازي واقعيت پيدا مي كند. اين دنياي واقعي جهاني است كه به كمك كامپيوتر خلق مي شود، واقعي بـه نظـر مـي رسـد، واقعي حس مي شود گرچه واقعي نيست و گاهي بعضي چيزها يي كه در آن اسـت در جهـان واقعـي محال به نظر مي رسد. گاهي شما نمي توانيد بدون كمك يك دستگاه واقـعـيــت مـجــازي را بـبـيـنـيــد. گــرچـه همـه ايـن سـيـسـتـم‌هـا بـراي كـاربـردهـاي مـخـتـلـف خـيلي متفاوت به نظر مي رسند، اما همه آن ها به يك روش كار مي كنند. محيط مصنوعي به وسيله نرم‌افزار سخت افزار كامپيوتر ايجاد مي شود و به كاربر ارائه مي شود به روشي كه كاربر احساس مي كند شبيه يك محيط واقعي است. براي ورود به اين محيط برخي ابزارهاي ورودي ( از جمله دستكش اطلاعات و …..) نياز است كه به كمك مـانيتـور حـداقـل سـه حـس ( بينـايي ، شنوايي و لامسه )  را كنترل  مي كنند.
در شكل2 بلوك دياگرام كامل يك سيستم VR را مـشــاهــده مــي كنيـد . در ايـن تصـويـر بـرنـامـه مدل‌سازي (Modeling Program) جداگانه جهت ايـجـاد اشـيـاء مـنـفـرد در مـحـيـط مـجـازي بـه كار مـــي‌رود. Application – Specific Programming بـراي شبيـه سـازي حـركـت دينـاميكي اشياء در دنياي واقعي مطابق با قوانين فيزيكي نظير جاذبه يا اينرسي به كار مي رود .  Dynamics Generators سيستمي  براي تعقيب موقعيت و حركت كاربر با استفاده از داده هاي وسايل ورودي نظير Data Glove و   Head tracker و … است . Renders يا( ارائه گرها ) جهت نمايش تصاوير يا اصوات سه بعدي به صورت زمان  حقيقي )Real- time  ( براي كاربر هستند .
هـر سيستم واقعيت مجازي در كل از 4 جز تشكيل مي شود :

 1. داده ها
بـراي دنيـاي مجـازي كليـه اطـلاعـاتـي كه آن جهان را تعريف مي كند. چيزهايي مثل شكل، رنگ اشيا و نحوه حركت ، صدا و ازاين قبيل . داده‌ها در پزشكي مي تواند كاملا ساختگي يا تصاوير به دست آمده از   X-ray ، PET ، MRI باشند.

2. كامپيوتر گرافيكي پر قدرت و با سرعت بسيار بالا
در مــركـز هـر دستگـاه واقعيـت مجـازي يـك كـامپيوتر قدرتمند قرار دارد. داده هايي درباره دنــيــاي مـجــازي ذخـيــره مــي كـنــد و نــرم افــزار كـاربـردي را هـدايـت مي كند تا آنچه در جهان مـجـازي اتـفـاق مي افتد را كنترل كند همچنين اطلاعات را از سخت افزار مي گيرد و تصاوير و صـداهـايـي را تـولـيـد و ارسـال مي كند. معمولا كامپيوتر به منزله مولد واقعيت است.

3. نرم افزار كاربردي 
نرم افزاري براي دنياي مجازي سه بعدي كه واقعيت مجازي را به راه مي اندازد و تصاوير، صداها و فضاها را توليد مي كند و آن ها را نمايش مي دهد استفاده مي شود. دنياهاي مجازي با استفاده از زبان مدل سازي واقعيت مجازي ياVRML ايجاد مي شود. اين زبان شامل دستورالعمل هايي براي ساخت اشياء هندسي سه بعدي است. برنامه نويسان و هنرمندان در اين زبان براي ساخت فضاهاي پيچيده از اشكال هندسي استفاده مي كنند. VRML كه به صورت V-R-M-L يا Vermil تلفظ مي شود، كلمه اي اختصاري براي  Virtual Reality Modeling Language يا زبان مدل سازي واقعيت مجازي است. اين زبان كه توسعه واقعيت مجازي و فناوري هاي مدل سازي سه بعدي است در مي 1994 توسط مارك بسكي، تن پاريسي و گاوين بل نوشته شد. آن‌ها در انجمن حرفه اي گرافيك كامپيوتري نسبت به ايجاد يك برنامه جلوه خاص ويژه براي دنياي انيميشن سه بعدي تعاملي در روي وب اقدام كردند كه موتور محرك اين كار زبان VRMLبود.

4. ابزارهاي ورودي و خروجي
اين ابزارها واسط ميان كاربر و كامپيوترهستند از جمله :

الف – نمايش گر مخصوص سر  (HMD)
با گوشي استريو جهان مجازي را مي بينيد و مي شنويد. متداول ترين نمايشگرهاي تصويري براي نمايش تصاوير مجازي است كه از دو نمايشگر مجرا براي هر دو چشم تشكيل شده است كه بر سر كاربر نصب مي شود. اين نمايشگرها داراي كيفيت زاويه ديد متفاوت هستند. ‌شكل 3 اجزاي اصلي يك HMD را نشان مي دهد.
سه كار اصلي يك سيستم HMD عبارتند از:
1-نمايش محيط مجازي ( تاثير بينايي)
2-صداي محيط مجازي( تاثير شنوايي)
3-اندازه گيري زاويه سر جهت محاسبه و تصحيح زاويه ديد توسط كامپيوتر جزئي از سيستم (tracking system)

ب – دستكش اطلاعات (Data Glove)
‌با گرفتن آن به دنياي مجازي مي رويد و در آن جا حركت مي كنيد. با وجود اينكه صفحه كليد وسيله خوبي براي برقراري ارتباط با كامپيوتر است اما خيلي زود مشخص شد كه براي ارتباط با محيط مجازي نقش محدود كننده اي دارد. بنابراين دستكش اطلاعات توسط توماس زيمرمان (فردي كه تلاش كرد گيتار مجازي را خلق كند) توليد شد كه به وسيله آن تماس با دنياي مجازي طبيعي تر مي شد.

بيشترين كاربردهاي واقعيت مجازي
در يكي از اين سه مقوله جا مي گيرد:
شبيه سازي،‌تجسم،واقع گريزي.

  شبيه سازي
شبيه سازي به معناي وانمود كردن، حل كردن يــــا تــقـلـيـــد چـيـــزي اســـت. دنـيـــاهـــاي مـجـــازي برگردان‌هاي دنياي واقعي اند، مانند شبيه سازي پـرواز يـا رانـنـدگي در محيط هاي مختلف مثل محيط فيزيكي فضايي و…

  تجسم 
تجسم به معناي مجسم كردن، قابل مشاهده ساختن به خصوص در ذهن دنياهاي مجازي كه با نشان دادن اطلاعات به صورت تصاوير سه بعدي آسان تر فهميده شوند. مثل تجسم هاي مـجــازي از فـعــالـيــت هـاي پـزشـكـي، نـظـامـي و آموزشي

 واقع گريزي
واقـع گريزي به معناي تمايل به خلاصي از واقـعـيــت دنـيــاهــاي مـجـازي كـه بـا تخيـل خلـق مـــي‌شـــونـــد، شــبــيـــه بــازي هــاي مــاجــرايــي. از مـشـخـصـه‌هـاي اسـاسـي واقعيت مجازي حس حضور واقعي در مكان شبيه سازي شده و كنترل روي آن محيط شبيه سازي شده است كه بيشتر با اسـتـفـاده از ابزار هاي مختلف بر اساس هدف كاربران و پيچيدگي فني محيط آن ها است.
مهمترين كاربرد واقعيت مجازي در آموزش – تـجـارت اكترونيكي – پژوهش هاي تجربي ، عملي و آزمايشگاهي- معماري توليد صنعتي و موارد زير است :
فروشگاه هاي مجازي براي استفاده بهتر از تجارت الكترونيكي
دانـشـگــاه هـاي مـجـازي كـه كـلاس هـا و آزمايشگاه هاي آن همه مجازي است و شاگردان آن در نقاط مختلف دنيا قرار دارد.
شبيه سازي حركت وسائل نقليه و آموزش رانندگي، خلباني شبيه سازي انواع ورزش و…
جراحي از راه دور
كتابخانه و مراكز اطلاعاتي
بــازي هــاي واقـعـيــت مـجــازي چنـد نفـره و ابزار‌هاي سرگرمي مجازي(شكل1.)
‌در بحث آموزش مجازي، طي 20 سال گذشته استاندارد آموزشي از كتاب محوري و معلم محوري به دانش آموز محوري تبديل شده است و روش هاي تدريس به سوي تفكر انتقادي سوق داده مي شوند. در نتيجه فضا به كلاس درس محدود نمي شود و به طور مجازي اطلاعات آموزشي مي تواند به گروهي در مكان هاي مختلف انتقال داده شود. آموزش مجازي تعامل يكسويه بين معلم و دانش آموز را حذف مي كند. چون دانش آموزان مي توانند هر وقت بخواهند، بپرسند و معلم هم در هر جا پاسخ دهد و هم درس دهد. در موقعيت آموزشي به راحتي با اضافه كردن جنبه رقابتي – سرگرمي، انگيزه دانش آموز را بالا برد.
در آموزش مجازي كلاس به صورت ويدئوكنفرانس تعاملي است كه در يك فضاي مجازي همه با هم شركت مي كنند و مثل كلاس واقعي با هم تعامل دارند حتي مي توانند تصاوير همديگر را ببينند يا تصوير متحرك گرافيكي از هم داشته باشند. اين براي افراد معلول كه مي توانند وارد كلاس عادي شوند بسيار موثر است .

 ‌مزاياي استفاده از محيط مجازي  Virtual environments
‌در اين محيط كاربر امنيت بيشتري احساس مي كند.
‌در اغلب موارد هزينه طراحي و پياده سازي كمتري دارد.
‌انعطاف پذير است و مي توان آن را به راحتي براساس شرايط و اهداف تغيير داد.
‌كاربرهاي واقعي و توان بالقوه فوق العاده اي دارد به طوري كه كاربران مي توانند مدل شبيه زندگي را تجربه كنند يا در محيطي امن قدم زنند و مي توانند در عين حال روي آن محيط كنترل داشته باشند در واقعيت ممكن است چنين چيزي محال باشد.

روش هاي  Virtual reality
1) روش مبتني بر شبيه سازي
روش اول پياده سازي VR مبتني بر شبيه سازي است . به طور مثال، ايجاد شرايطي كه راننده فكر كند ماشين او در حال حركت است ( از طريق ورودي هاي شنيداري ، ديداري و حــركـتــي . ) شـبـيــه ســاز بــه طــور مـعـمــول بــه سـيـستـم هـاي بـلادرنـگ بـراي انجـام شبيه سازي هاي پويا شامل سيستم هاي حركتي ، شنيداري و ديداري احتياج دارد. يك سيستم جاده پيمايي واسط بين شبيه ساز و راننده است .يك سيستم جامع مديريت داده ها و همزمان كردن زير سيستم ها نيز مورد استفاده است.
2)روش مبتني بر تصوير
با اين روش افراد محيط هاي مجازي را به شكل يك فيلم ويدئويي واقعي مي بيند. اين سيستم دو گروه كاربر را مي تواند مديريت كند: يكي شركت كننده در محيط هاي مجازي سه بعدي توزيع شده است كه در آن كاربر نوع حضور خود را با توجه به قابليت سيستم انتخاب مي كند. اين روش هم اكنون تعامل محيطي خوبي بين انسان و كامپيوتر ايجـاد كـرده اسـت. در كاربردهاي پزشكي VR هم اكثرا از همين تكنولوژي استفاده مي شود كه در بخش هاي بعدي به آن خواهيم پرداخت.
3) روشمبتني بر پروژكتور
مدل سازي محيط واقعي نقش حياتي در برنامه هاي كاربردي واقعي به عهده دارد. مـدلسـازي سـاخـت، شبيه سازي هواپيما ، استفاده از سيستم VR مبتني بر تصوير در گرافيك كامپيوتري و اجتماعات ديداري كامپيوتر رو به افزايش است و دليل آن سادگي فرايند مدل سازي است .
4) مبتني بر  DESKTOP
در اين روش از گرافيك هاي سه بعدي تعاملي استفاده مي شود . تجربه نشان مي دهد كه تصاوير سه بعدي  و گرافيك هاي تعاملي مي تواند كاربر را به دنياي سه بعدي ببرد. بنابراين هدف در واقع ايجاد غوطه ور شدن رواني و احساسي است. يك عيب اين روش ، نبود بينايي دستگاه هاي جانبي در نمايش هاي روميزي است . طوري كه كاربر از اطراف مكان مجازي خود آگاه نيست(شكل 2.)

عوامل و امكانات موثر به منظور داشتن محيط مجازي بهتر
تاكنون كاستي هايي موجب ناگستردگي سيستم ها در شبكه شده است كه امروزه به سرعت از ميان مي رود. از جمله عواملي كه رشد صنعت فضاي سه بعدي را راحت تر كرده اند و كاهش كاربرد انيميشن هاي دو بعدي در وب را به وجود آورده و از عوامل مثبت گرايش به بحث تصاوير سه بعدي محسوب مي شوند عبارتند از:
افزايشcpu ها، شتاب دهنده هاي گرافيكي كه باعث شده سرعت پردازش بالا رفته وسريع تر شود.
افت بهاي كامپيوتر هاي سريع و پر قدرت
پيشرفت زبان هاي استاندارد وب مانند  VRML,PGML

حافظه RAM و ارتقاء آن
ظرفيت رسانه هاي ذخيره اي بيشتر شده است.
ابـــزارهـــاي ورودي مـتـنـــوع تــر شــده انــد ( دستكش اطلاعات و HMD)
نرم افزارهاي چند رسانه اي گسترش يافته اند(از جمله برنامه هاي Flash،Director و… )
دوربين ،كارت هاي گرافيكي بالا ، كارت صداي دالبي
افزايش پهناي باند ، اتصالات اينترنت نيز مشـاهـده تصـاويـر سـه بعدي را راحت تر كرده است.

تكنيك هاي پياده سازي VR در پزشكي
با بياني ساده ، واقعيت مجازي در پزشكي در واقع مشاهده داده ها (Datas) كه عموما تصاوير پـزشكـي و آنـاتـوميـك هستنـد ، بـه صـورت سه بعدي و در بعضي موارد ايجاد تعامل با محيط سه بعـدي شبيـه سـازي شده است. در اين قسمت ســعـــــي مــــي شــــود بــــه طــــور خــــلاصــــه انــــواع تكنولوژي هاي پياده سازي VR در پزشكي را نام برده و به اختصار شرح داده شود.

بدن و اعضاي مجازي
در برنامه ريزي هاي جراحي ، جراحان در واقع با مدلي شبيه سازي شده از اطلاعات بيمار سر و كار دارند. در آموزش جراحي، براي يك شبيه سازي دقيق و واقعي نياز به  dataهاي بسيار دقيق و با جزئيات است . اطلاعات بيمار كه در VR استفاده مي شود ، از منابع گوناگوني ممكن است جمع آوري شده باشند  از جمله :
‌توموگرافي كامپيوتري  CT-Scan
‌تصويربرداري با روش تشديد مغناطيسي MRI
‌اولتراسوند
(PET (physiological Imaging
‌و …
بعد از جمع آوري تصاوير و اطلاعات با تكنيك هاي گرافيك كامپيوتري ، مدل سازي  و  Rendering تبديل به تصاوير سه بعدي شبيه سازي شده بدن انسان مي شوند.

تكنولوژي تصاوير حجمي (Volume Imaging Technologies)
در اين تكنولوژي مجموعه اي از داده ها شامل  Voxelها Volume elements( ( از تكنيك‌هاي مختلف  CT،  MRI ،  MRA ، اولتراسوند يا   PET ،  SPET ،   FMRI به دست مي‌آيند‌.
يكي از مهارت هايي كه جراحان به دست مي آورند ، تجسم سه بعدي از روي تصاوير دو بعدي است. در واقع اين تكنيك كار جراح را در تجسم انجام مي دهد و از روي اسلايدهاي  CT و … تجسم سه بعدي ارگان را تهيه مي كند. علاوه بر اين مزيت، مي توان تصاوير مختلف از sourceهاي مختلف را با هم تركيب كرد. در نتيجه به طور همزمان مي توان اطلاعاتي به عنوان مثال از استخوان ها X-ray و رگ هــاي خــونــي (MRI) يــك عـضــو بــه دسـت آورد(شكل 4.)

 ‌روش Surface Rendering
Surface rendering يا  در آوردن سطح،  در واقـع حـجـم هـا را بـه اجـزاء اولـيـه ( مـخـتـصات هندسي ) تبديل مي كند كه در واقع بر پايه نوعي  قـــالـــب كـــانــتـــوريـنــگ   iso contouring اســت . ايزوكانتورينگ بر پايه   thresholding حد آستانه  است كه در آن نياز به اطلاعات داده ها است . وجود نويز باعث   Blur شدن مرزهاي ناحيه ها در تصوير مي شود كه اين پديده خود باعث از بين رفتن مقداري از اطلاعات نسبت به داده هاي اوليه مي شود . شكل 5 تصوير به دست آمده از اين روش را نشان مي دهد.
اين روش بسيار رايج است چرا كه كاملا با ساختار گرافيك هاي كامپيوتري سازگار است .

مدل هاي هيبريد  Hybrid models
ايــن روش كــه بـسـيــار مــورد اسـتـفــاده اسـت تركيبي از مدل هاي سطح كثيرالاضلاع است كه بافت دو بعدي روي آن ها نگاشت شده است . از آنجا  كه مختصات تصوير شي از زواياي مختلف در  بعضي ارگان ها با يكديگر متفاوت است ، اين روش در واقع تصوير با مشخصات ثابت و دقيق از ارگان به فرد مي دهد(شكل 6.)

واقعيت افزوده Augumented Reality
در كنار واقعيت مجازي مفهومي وجود دارد بــا عـنـوان واقعيـت افـزوده. بـراي تـوصيـف ايـن مفهوم مي توان گفت بر خلاف واقعيت مجازي كــه كــاربــر را كــامــلا در مـحـيــط مـجـازي غـرق مي‌سازد . كاربر در حالت واقعيت افزوده ، به صورت آزادانه با محيط در تعامل است و اشياء مجازي مسائلي را كه از حواس فيزيكي كاربر پنهان است به او مي نماياند  به صورتي كه دنياي حـقـيـقـــي و مـجـــازي بـــه صـــورت ســـاده جـمــع نمي‌شوند بلكه با هم در تعاملند. به صورت كلي سيستم و محيط واقعيت افزوده را مي توان تعامل دنـيــاي مـجــازي و واقـعـي – سـه بعـدي بـودن و timereal بودن دانست.

پل ميلگرام، در 1994 تعريف جالبي از واقعيت افــــزوده ارائــــه داد. وي مــعــتــقـــد اســـت كـــه در مصور‌سازي Visualisation گستره دنياي واقعي تا فضاي مجازي مسير پيوسته اي دارد كه مي توان عناصر مجازي را وارد دنياي واقعي كرد يا عناصر واقعي را به درون محيط مجازي آورد .
براي رسيدن به هدف واقعيت افزوده از نوع خاصي HMD كه به كاربر اجازه ديدن محيط را مي دهد استفاده مي شود . اين نوع  HMD ها در دو نوع نوري و دوربين دار يافت مي شوند . مشكل نوع دوربـيـــن تـــاخـيـــر آن اســت كــه بــايــد حـتـمــا در محاسبات سيستم در نظر گرفته شود. نوع نوري نيز بعضي از طول موج هاي نور مرئي را جذب مــي كـنــد، در نـتـيـجــه نــور مشـاهـد شـده واقعـي نخواهد بود .
نـحـوه تـعـامـل بـا سـيـسـتم واقعيت افزوده در شـكــل 7 خــلاصــه شــده اســت . ورودي هــاي سيستم‌، هر چيزي كه براي سنسورهاي موجود قابل حس كردن باشد و خروجي آن عمل كننده بر تمام حواس انساني است .
يـكـي از كاربردهاي رايج اين تكنولوژي در پزشكي استفاده از آن در مامايي است ( با استفاده از اسكن هاي  real time اولتراسوند . )

چالش هاي فني :
‌شبيه سازي حس بويايي
‌فيد بك صدا  (Sound feedback)
‌فيدبك نيرو  (Force feedback)
‌فيدبك لمسي
‌جمع آوري و Mix داده ها از منابع مختلف
‌تـلـفـيـق دنـيـاي واقعي و مجازي و سوئيچ  كردن از يكي به ديگري
‌شـبـيـه سـازي دقـيـق رفـتار و خصوصيات بافت نرم (soft tissue )

كاربردهاي واقعيت مجازي در پزشكي

مصورسازي (Visualization)، آندوسكوپي مجازي، برونكوسكوپي و كولونوسكوپي تعدادي از كاربردهاي واقعيت مجازي‌ در پزشكي  هستند.

براي درك بهتر تفاوت آندوسكوپي كلاسيك و مجازي ابتدا مختصري درباره آندوسكوپي كلاسيك شرح داده مي شود. آندوسكوپي كلاسيك عبارت است از ورود يك سيستم optical به داخل ارگان بيمار (كولون، معده، روده، سينوس و … ) جهت معاينه است.

مزيت:
‌ايجاد تصوير واضح و روشن از سطح بافت جهت تشخيص

معايب :
امكان ايجاد جراحت سطح بافت ، semi invasive

عدم امكان عبور از ديواره هاي كولون
ولي در آندوسكوپي مجازي يا  Virtual endoscopy كاملا غير تهاجمي بوده و آسيبي به بيمار نمي رسد.

مراحل آندوسكوپي مجازي:
1) تصويربرداري سه بعدي‌ از ارگان مورد نظر (  CT, MRI و … )
2) پيش پردازش تصوير )registeration , interpolation (  ‌سه بعدي
3) تقطيع تصويرسه بعدي‌ جهت ايجاد مدل آناتوميك (segmentation)
4) محاسبه مسير  camera- target سه بعدي‌ جهت انتخاب خودكار يا دستي مسير مشاهده
5) قراردادن نماهاي مكرر در مسير
6) مشاهده به منظور توليد انيميشن
مناسب جهت ارگان هاي بزرگ سايز : مانند سيستم قلبي عروقي ، مفاصل اصلي ، سيستم كليوي ، نخاع
اولين سيستم VR در مورد كولونوسكوپي  و در سال 1995 استفاده شد.

مزايا:
‌عدم وجود محدوديت حركتي براي دستگاه  endoscope
كاملا غير تهاجمي
بدون نياز به بستري بيماردر بيمارستان

معايب:
‌تكنيك هاي آندوسكوپي مجازي كنوني امكان بازسازي تصوير ظاهر سطح بافت ارگان را ندارند .

آموزش پزشكي
عمده ترين كاربرد واقعيت مجازي در پزشكي ، استفاده از آن جهت آموزش فعال آناتومي و فيزيولوژي به دانشجويان پزشكي است. با استفاده از اين سيستم دانشجويان مي توانند در يك محيط شبيه سازي شده و سه بعدي به صورت موثر و بهينه يادگيري داشته باشند.

آموزش جراحي و سنجش دستيار
با استفاده از سيستم آموزش جراحي، هزاران بار مي توان روي بيمار عمل جراحي انجام داد تا مهارت جراح به بالاترين حد برسد. در اين سيستم سعي مي شود تا با شبيه‌سازي محيط جراحي ، امكان تكرار هزاران عمل جراحي در طي ساعت هاي متوالي و طولاني فراهم آيد . از جمله زمينه هاي آموزش جراحي كه  VR در آن ها كاربرد زيادي دارد :
laparoscopic surgery  جراحي لاپاروسكوپي
heart catheterization simulation   كاتتراسيون قلب
open surgery  جراحي باز

روانپزشكي
يكي از كاربردهاي مهم واقعيت مجازي در حوزه روان پزشكي است. در روانپزشكي، واقعيت مجازي روشي براي درمان اختلالات رواني افراد محسوب مي‌شود. يكي از اين موارد درمان بيماري هراس (‌فوبيا)‌ است. فوبيا ترس شديد از جسم يا وضعيتي خاص است. بيمار با آن كه مي داند اين ترس واقعي نيست،
دائما دچار اضطرابي است كه زندگي عادي او را مختل مي كند. اين ترس مي تواند شامل ترس از فضاي باز، ارواح، خفگي، خون، ارتفاع، آب يا موارد ديگر باشد. در درمان سنتي، پزشك با صحبت كردن با بيمار او را در وضعيتي كه از آن وحشت دارد قرار مي‌دهد.
در درمان جديد، با استفاده از واقعيت مجازي، محيطي كه بيمار از آن وحشت دارد شبيه سازي مي شود و بيمار با علم به اين موضوع كه اين محيط واقعي نيست، با قرار گرفتن در آن سعي مي كند خود را با آن وفق دهد و ترس خود را از بين ببرد. علاوه بر درمان ترس، از واقعيت مجازي براي درمان اختلالات رواني ديگر مانند اوتيسم (‌در خود ماندگي)‌ و حتي مواردي از روان گسيختگي (‌اسكيزوفرني)‌ استفاده شده و نتايج رضايت بخشي هم حاصل شده است. اين نكته هم قابل توجه است كه در علم پزشكي به جز بحث درمان، در زمينه هاي آموزشي و تحقيقاتي مانند شبيه سازي عمل جراحي هم واقعيت مجازي كاربرد دارد.

تله مديسين
بدون شك، واقعيت مجازي (Virtual Reality) را مي توان به عنوان يكي از گرانبهاترين دستاورد هاي حاصل از تكامل سطوح تعامل ارتباطي (Communication Interfaces) ‌مورد توجه قرار داد، كه از خصوصيات بارز آن، غوطه وري كامل ابعاد حسي-حركتي انسان، در يك تجربه ارتباطي مجازي است. يك محيط مجازي (Virtual Environment) ‌نمايشي پويا و پردازش شده بصري است، كه غالبا توسط ديگر محرك هاي غير بصري (نظير شنوائي و لمسي) تقويت شده و بدين طريق احساس تعامل با اجزاء يك محيط غير واقعي سه بعدي را در زمان حال به فرد متعامل القاء مي كند.
برخورداري از اين قابليت منحصر به فرد، واقعيت مجازي را طي سال هاي اخير در مقام ابزاري كارامد و ارزشمند در فناوري تله مديسين مطرح كرده، چرا كه پردازش و انتقال اطلاعات پزشكي، در بطن اين فناوري نيز نهفته است. واقعيت مجازي در تله‌مديسين، به صورت يك سطح ارتباطي پيشرفته، امكان تعامل شهودي با اطلاعات مربوطه را به ارمغان آورده، به موازات آن، در قالب يك محيط مجازي منعطف، احساس حضور فيزيكي را در جريان تعامل به شايستگي تقويت مي كند.
از موارد كاربرد واقعيت مجازي در پزشكي مي توان به جراحي از راه دور، آماده و شبيه‌سازي مراحل مختلف يك عمل جراحي، آموزش و درمان بيماران از راه دور، توانبخشي  و ارتقاء مهارت ها در افراد مدد جو، و حتي طراحي و معماري اماكن پزشكي و توانبخشي، اشاره كرد. اين مقاله نيز ضمن بررسي تحقيقات اخير در زمينه كاربرد واقعيت مجازي در تله مديسين، جوانب مثبت و محدوديت ها را پيرامون اين موضوع بر خواهد شمرد.

برنامه ريزي جراحي
معمولا در جراحي هاي با حداقل آسيب به صورت دستي يا با روبات هاي خاصي مانند داوينچي صورت مي گيرد. ابتدا دريچه‌هايي توسط جراح ايجاد مي شود و ابزار جراحي و دوربين به داخل بدن بيمار فرستاده مي شود. وقتي اين دريچه ها باز مي شود ديگر نمي توان مكان آن ها تغيير داد چرا كه در غير اين صورت تفاوتي با روش جراحي باز نخواهند داشت. پس انتخاب مكان اين دريچه ها از لحاظ دسترسي مناسب به تومور و امكان خارج ساختن آن بسيار مهم است .
اين رويه تا به حال به صورت حسي بوده است و پزشك با مشاهده نتايج سي تي اسكن بيمار تشخيص مي داده كه سوراخ را در كجا ايجاد كند. از آنجا كه آناتومي افراد مختلف با يكديگر متفاوت است و يك  قانون كلي نمي توان براي آن ساخت، روشي ابداع شده است كه به صورت مجازي به پزشك نشان مي دهد كه اگر از يك سوراخ فرضي وارد بدن بيمار شود ، چه چيزهايي را خواهد ديد. روش هاي قبلي به 2 دليل براي پزشكان جالب نبود : متاسب با زاويه‌اي كه سيستم تصويربرداري نقاط مورد نظر را لمس مي كند ، دقت تصاوير تغيير مي كند و حركت با روبات بسيار مشكل است . در روش جديد ( واقعيت افزوده ) نشانگرهايي بر روي بدن بيمار نصب مي شود كه موقعيت اين نشانگرها در تصاوير CT-scan قابل مشاهده است . حال به جاي آنكه جراح نشانه ها را با روبات لمس كند با دوربين خود و خارج از بدن بيمار حركت مي كند و حركت و موقعيت دوربين با استفاده از اصول بينايي كامپيوتر محاسبه شده و فضاي سه بعدي داخل بدن بيمار از زاويه ديد اين دوربين بازسازي مي شود. سپس اين فضاي بازسازي شده با تصاوير سي‌تي اسكني كه در دسترس است تطبيق داده مي‌شود تا به صورت مجازي به پزشك نشان دهد از هر جا وارد بدن بيمار شود چه چيزهايي خواهد ديد. البته در تمامي حالت ها فرض مي‌شود بيمار كاملا ثابت بوده است.
با گشايش يك مركز تازه تاسيسات شبه واقعي آموزش و تمرين عمل جراحي مغز در بيمارستان وسترن تورنتو كانادا انتظار مي رود كه بيماران عمل جراحي مغز در اين كشور از خدمات و مراقبت هاي بهتري برخوردار شوند.
اين مركز جهشي به پيش در آموزش جراحي مغز و مراقبت از بيماران است كه به پزشكان امكان مي دهد تا بر روي غده (تومور) هاي مغزي شبيه سازي شده مجازي عمل هاي جراحي پيچيده تر و بر اساس نيازهاي ويژه هر بيمار را تمرين كنند.
اين فناوري راه‌گشا جهش قابل توجهي به پيش در آموزش و تمرين جراحي و نيز مراقبت و ايمني بيمار به شمار مي آيد. هدف اين است كه خطر پيچيدگي ها و عوارض ناشي از جراحي را كاهش داده، زمان بهبوديابي را كوتاه تر كرده و سرعت استفاده از اتاق عمل حراحي را افزايش داد.
اولين مركز شبه جراحي اعصاب كانادا در سپتامبر 2010 در موسسه عصب شناسي مونترال و بيمارستان دانشگاه مك گيل گشايش يافت.

دندانپزشكي – جراحي فك و صورت
واقعيت مجازي در دندانپزشكي (virtual dentistry) يكي از نمودهاي عملي به كارگيري مفاهيم تخصصي دندانپزشكي در كامپيوتر است. مهمترين  اهداف استفاده از واقعيت مجازي و اين گونه نرم افزار ها ايجاد محيطي مشابه با تشابهات هر چه بيشتر با محيط واقعي است تا بتوان قبل از رويارويي با واقعيات همه چيز را تجربه كرده و از نزديك حس كرد. از كاربردهاي رايج در دندانپزشكي عبارتند از:
‌تصويربرداري ديجيتال از دندان ها
‌فراهم آوردن يك نقشه ايمپلنت دنداني قبل از انجام جراحي
‌طراحي يك محيط مجازي انجام پروسه‌هاي جراحي دندان و …
اصول كار بدين ترتيب است كه بيمار در حالتي خاص بر روي صندلي قرار مي گيرد ، به گونه اي كه مانع از حركت دستگاهي موسوم به   Cat Scan نشود. اين اسكنر دور تا دور محل قرارگيري بيمار را اسكن كرده و درست مانند X-ray پانوراميك، تصوير دندان هاي بيمار را با رزولوشن بالا گرفته مي شود. اين تصاوير اساس كار دندانپزشك در بررسي روند جراحي در محيط مجازي خواهند بود.
در روند انجام پروسه هاي اندودنتيك در دندانپزشكي استفاده از مدل هاي حجمي با قابليت تغير شكل (Deformation)، ايجاد حفره (Drilling) و برش Cutting مواد در شبيه سازي محيط مجازي آموزشي لازم و ضروري است.
اعمال جراحي فك و صورت نيز به طور مستقيم با آناتومي استخوان هاي مربوط سر و كار دارد و همان طور كه در ابتداي بحث عنوان شد، اشكال سه بعدي آناتوميك، كمك زيادي به تشخيص بهتر و بررسي مناسب تر خواهند كرد. در نمونه هايي از اين محيط‌هاي مجازي، امكان حس كردن واقعي اجسام و محيط دهان وجود دارد، به علاوه اين كه امكان در دست گرفتن پروب ها و هندپيس ها و انجام كار با آن ها فراهم خواهد بود.

مزاياي ويژه
‌مشاركت بيمار در روند انجام كليه اقدامات لازم و كمك در تصميم گيري به ويژه در جراحي هاي زيبايي
‌سرعت عمل جراح به واسطه تمرين و ممارست قبل از انجام عمل

درمان هاي توانبخشي
شبيه سازي به كمك واقعيت مجازي با ساير شبيه سازي هاي رايانه اي تفاوت دارد؛ زيرا به ابزار تعاملي ويژه اي نيازمند است كه بينايي، شنوايي و احساس در جهان شبيه‌سازي شده را به كاربر منتقل سازد. اين ابزارها صدا و حركت كاربران را ذخيره كرده و به برنامه شبيه سازي مي فرستند.
براي ديدن در دنياي مجازي، كاربر يك نمايشگر را بر روي سر خود نصب مي كند كه صفحاتي مقابل چشم ها دارد. اين نمايشگر يك ردياب حركت نيز دارد كه محل سر كاربر و جهتي را كه او نگاه مي كند، پايش مي كند. با استفاده از اين اطلاعات، رايانه تصاوير دنياي مجازي را با اندكي تفاوت نسبت به هر چشم محاسبه كرده و روي نمايشگر به نمايش مي گذارد.
براي آنكه اين تصاوير مكث دار و نامنظم به نظر نرسند، رايانه بايد در هر ثانيه دست كم ده تصوير جديد ايجاد كند. صحنه هاي واقعيت مجازي بايد نسبتا ساده باشند تا رايانه بتواند آن ها را به سرعت روزآمد كند. به علت همين سادگي و ساير معايب نمايشگرها، كاربران واقعيت مجازي به راحتي مي توانند شبيه سازي را از واقعيت تمايز دهند. كاربر صداهايي را از طريق گوشي در دنياي مجازي مي شنود. به وسيله اطلاعاتي كه از طريق ردياب حركت حاصل مي شود نيز مي توان براي روزآمد كردن سيگنال هاي صوتي استفاده كرد.
هنگامي كه يك منبع صوتي در فضاي مجازي مستقيما در مقابل يا پشت سر كاربر نيست، رايانه صدا را به گونه يي مي فرستد تا به يك گوش زودتر از گوش ديگر برسد؛ به اين ترتيب، صدا كمي بلندتر يا آهسته تر به گوش خواهد رسيد. اگرچه هنوز چالش هاي علمي و مهندسي وجود دارد كه بايد بر آن ها فايق آمد تا اصوات كاملا طبيعي به نظر برسد.
شبيه سازي لامسه كمترين توسعه را يافته است و چالش برانگيزترين قسمت كار است. در حال حاضر با استفاده از يك دستكش و ردياب حركت، رايانه محل دست كاربر را مشخص كرده و حركات انگشتان را مي سنجد. در دنياي مجازي كاربر مي تواند اشيا را حركت دهد، ولي نمي تواند آن ها را احساس كند. توليد احساسي كه در هنگام ضربه زدن به يك سطح سخت، برداشتن يك شيء يا حركت دادن انگشتان بر روي يك بافت به وجود مي آيد، از لحاظ تكنيكي مشكل است. حس لامسه بايد با بينايي و شنوايي كاربر نيز هماهنگ شود.بيشترين كاربرد  VR در توانبخشي درمان انواع فوبيا (ترس) مانند  ترس از ارتفاع ، پرواز ، جانوران و …. است .
روش درمان عبارت است از قراردادن بيمار در موقعيت استرس زا براي او در محيط مجازي و تحت كنترل قراردادن استرس، شروع كار با موقعيت كم استرس زا و اضافه كردن به تدريج موقعيت هاي بيشتر. مزيت اين روش در واقع قابل كنترل بودن شرايط استرس زا است. چيزي كه در واقعيت حقيقي امكان ايجاد آن وجود ندارد .
انواع ديگر كاربرد در توانبخشي عبارتند از :

‌كمك به درمانگر در ناتواني هاي جسمي – حركتي – ذهني ( مانند اوتيسم )
‌سندم هاي تغذيه
‌سندرم هاي بعد ار سكته و ….

درمان اختلالات رواني در فضاي مجازي
تا به امروز سيستم هاي معدودي بر اساس واقعيت مجازي جهت توانبخشي ناتواني‌هاي ديداري، شنوايي، فيزيكي و رواني طراحي و پياده سازي شده است. از آنجا كه نمايشگرهاي ديداري و شنيداري از اجزاي اصلي عجين شدن با دنياي مجازي است، سيستم هاي توانبخشي ديداري و شنيداري چندان معمول نيست، اما به نظر مي رسد كه واقعيت مجازي در درمان اختلالات رواني بسيار مفيد باشد. اين سيستم ها قادر است محدوديت هاي دنياي واقعي را از پيش رو برداشته، افق هاي تازه اي به روي اين دسته از بيماران نمايان سازد. در اين بخش به معرفي چند نمونه از اين سيستم ها پرداخته مي‌شود.

درمان انواع ترس با استفاده از واقعيت مجازي‌
‌بيش از ده درصد افراد در طول ز ندگي خود، نوعي از اختلالات ناشي از اضطراب را تجربه مي كنند. جهت درمان اين ترس ها، معمولا از روش در معرض قرار دادن استفاده مي شود. براي اين رسيدن به اين هدف دو روش تصويرسازي و در معرض قرار گرفتن فيزيكي اجـرا مـي شـود. روش فيـزيكـي جداي از اينكه واقـعــي اســت، مـمـكــن اسـت بسيـار هـزينـه بـر، شـرم‌آور، خـطـرنـاك يا ناممكن باشد. از سوي ديـگـر، تـصـويرسازي نيز به اندازه كافي واقعي نـيـسـت و كنترل كمي از سوي درمانگر وجود دارد.
واقعيت مجازي، روش درماني سومي ارائه مـي كـنـد كـه ضـمـن حـفظ بيشتر مزاياي هر دو روش، معايب آن ها را نيز ندارد. خصوصا در مورد ترس از پرواز، هزينه هاي درماني بسيار كاهش مي يابد. اما در عين حال واقعيت مجازي نيز محدوديت هاي خاص خود را دارد. دانستن اين مسأله كه محيط، مجازي است، ممكن است اصلا هيچگونه اضطرابي در كاربر ايجاد نكند كه بـخـواهـد، درمـان شـود. ضمن اينكه يك روش بـسـيار جديد است و هنوز عوارض جانبي آن ناشناخته است.
در ايـن روش درمـانـي مـعمولا از دو Setup يعني استفاده از HMD يا سيستم ‌1CAVE، استفاده مي شود. با استفاده از HMD، تنها دنياي مجازي قـابـل ديـدن خـواهـد بـود و دنياي واقعي به كل حذف مي شود.
در سيستم CAVE از ديوارهاي يك مكعب به عنوان پروژكتور استفاده مي شود و محيط هاي واقعي و مجازي در داخل اين مكعب، در كنار هم قـرار مـي گيرد. هر دو سيستم داراي تأخير فاز اسـت. تـفـاوت بـيـن حـركت و حركت تصوير، مـمـكـن اسـت بـاعـث ايـجـاد حـالت تهوع شود. مي‌توان از صدا يا اشياء واقعي نيز جهت قوي تر كـردن حـس حـضـور اسـتـفـاده كـرد. اسـتـفاده از دستكش داده نيز امكان ارتباط متقابل با محيط را براي كاربرد فراهم مي آورد.
ايده وارد كردن درمانگر به محيط مجازي نيز مي تواند سودمند باشد البته در اين صورت به دليل نياز به وسايل به تعداد دو برابر، هزينه پياده ســازي سـيـسـتــم بـسـيــار افــزايــش مــي يــابـد. در سيستـم‌هـايـي كـه تـا كنـون تـوسعـه يـافتـه است، درمانگر محيط را كنترل كرده ولي وارد آن نمي شود.

نمايش محيط ملاقات مجازي (Virtual Visual Environment Display-VIVED)

VIVED كه توسط مركز تحقيقات فضاييNASA Johnson Space Center (JSC)/Lincom Corporation و با همكاري بخش پزشكي دانشگاه تگزاس  طراحي شده است، امكان دستيابي به تجربيات آموزشي منحصر به فردي را فراهم مي سازد. به عنوان مثال از طريق آن مي توان به درون جمجمه و قلب انسان از طريق امكانات تعاملي   Multi-media(صوتي – تصويري و غيره ) دست يافت.

سخت افزار
يـك كـامـپـيـوتـر مـهـنـدسـي با توان سيليكوني گرافيكي بالا جهت تبديل تصاوير CT و MRI به تصاوير سه بعدي و فيلم هاي دستيابي به بدن بـيـمار استفاده شده است. مشاهده تصاوير سه بعدي نهايي در يك كامپيوتر مك اينتاش با RAM 16 مگابايتي انجام مي شود.
كـامـپـيوتر مك اينتاش از اين جهت انتخاب شـده اسـت كـه عـلاوه بـر قـابـلـيـت كـارايي بالا، قابليت انطباق با نرم افزارها و سخت افزارهاي متنوعي را دارا است. فيلم VR مي تواند يا بر روي Hard Drive ذخيره سازي شود يا اينكه با انتقال به يك فيلم ويديويي، به وسيله عينك هاي قرمز-آبي ملاحظه شود. همچنين مي توان با استفاده از يك صفحه نمايش  VR HEAD MOUNTED يا به اختصار HMD يا مانيتورهاي  Binocular Omni Orientational يـــــا بـــــه اخـــتـــصـــــار BOOM Systems ملاحظه شوند. نتيجه نهايي مي تواند روي يك CD-ROM يــــا حــــافــظــــه لـيـــزري ذخـيـــره شـــود. مـحـدوديت هاي ناشي از درجه تفكيك بسيار بالا در تصاوير گرفته شده از بدن، مشاهده گر را از دستيابي انتخابي به اعضاي بدن باز مي دارد. در حـــال حــاضــر تـكـنــولــوژي مــوجــود امـكــان دسـتـيـابـي از پـيـش تعيين شده را فراهم ساخته است.

نرم افزار
تبديل فايل هاي اطلاعاتي و آماده سازي داده ها  ‌بخش پزشكي دانشگاه تگزاس اسلايس هاي CT با ضخامت mm 5/1 از جمجمه انسان و تصاوير MRI از قلب انسان فراهم آورده است. اين اسلايس ها جهت ايجاد تصاوير مورد استفاده قرار گرفته اند. در طول مدت CT اسكن، جمجمه با استفاده از يك Foam Band كه داده هاي اضافي زيادي را ايجاد مي كند، در جاي خود نگهداشته مي شود. اسكن هاي جمجمه منجر به ايجاد سري داده ها با بيش از 120 اسلايس از طريق جمجمه و 60 اسلايس از طريق آرواره مي‌شود. داده هاي فراهم شده در بخش پزشكي به آزمايشگاه  JSC IGOAL ) Integrated Graphics, Operations And Analysis Laboratory) ارسال مي شود. در آنجا، تا حد امكان  داده هاي اضافي از اسكن ها حذف مي شود بدون آنكه اطلاعات اساسي و اصلي دچار اختلال شوند. IGOAL وسيله اي با عنوان CTimager اختراع كرده است كه جهت حذف نويزهاي ناخواسته و داده هاي اضافي از هر اسلايس مورد استفاده قرار مي گيرد.

فيلتر كردن داده ها و تبديل داده هاي حجمي به داده هاي چند منظوره
داده هاي حجمي با استفاده از يك وسيله اختراعي ديگر در IGOAL به نام dispfly تبديل به فرمتي مي شوند كه مستقيما در كامپيوتر قابل نمايش باشد. اين ابزار، از الگوريتم هاي فيلتريزاسيون متعددي جهت آماده سازي داده هاي CT و MRI به منظور تبديل به فرمت چند منظوري استفاده مي كند. مدل هاي آناتوميك براساس الگوريتم Marching Cubes ايجاد مي شوند. فرايند فيلتر كردن، اساسا متشكل از عمليات حذف نويز از داده ها است. يك فيلتر پايين گذر جهت به حداقل رساندن نويزهاي فركانس بالا استفاده مي شود. فيلتـر خـاصي نيز جهت داده هاي قلبي طراحي شده است كه تنها داده ها را در بين اسكن‌هاي متعدد فيلتر مي كند.  ‌براساس  تعداد زياد اسلايس ها در سري داده هاي جمجمه و قلب، مدل هاي مختلفي ايجاد شده اند كه هركدام از آن ها تعداد اسلايس هاي كمتـري را نمـايـش مـي دهند. يك الگوريتم Meshit جهت به‌سازي وضعيت نمايش تصاوير طراحي شده است. اين الگوريتم، مجموعه نامرتب مثلث ها را به يك رشته منظم و موثر تبديل مي كند. ميانگين بيش از 100 مثلث، يك رشته را تشكيل مي دهد.

ايجاد تصاوير استريو
بخش هاي استريويي پس از آماده شدن مدل ها اعمال مي شوند. IGOAL ابزاري طراحي كرده است تحت عنوان  OOM  )Object Orientation Manipulator) كه بخش هاي مختلف را با تبديل كردن به فريم بر روي ديسكت ذخيره مي كند. اين تصاوير با استفاده از تفكيك رنگي آبي – قرمز، تصاوير استريويي را ايجاد مي كند. به محض ذخيره رشته اطلاعات بر روي ديسكت، به فرمت تصوير قابل خواندن براي مك اينتاش تبديل شده و بـه كـامپيـوتـر Mac فـرستـاده مـي شـود. رشتـه تصـاويـر تمام رنگي نيز جهت نمايش غيراستريويي به كامپيوتر Mac منتقل مي شوند.

تصاوير استريويي و Multi-Media
در كامپيوتر Mac تصاوير جهت توليد افكت مورد نظر، ويرايش مي شوند. با استفاده از نرم افزار Quicktime، تصاوير به فرمت فيلم هاي Quicktime براي نمايش در كامپيوتر Mac تبديل مي شوند.
حاصل تمام اين مراحل، ايجاد امكان بررسي آيتم هاي آناتوميك در بدن انسان در محيط مجازي از طريق VR است.

زبان مدل سازي واقعيت مجازي 
VRML كه به صورت  V-R-M-Lيا  Vermelتلفظ مي‌شود، كلمه اي اختصاري براي  Virtual Reality  Modeling Language يا زبان مدل سازي واقعيت مجازي است. اين زبان در مي‌توسط مارك بسكي، تن پاريسي و گاوين بل نوشته شد. آن ها در انجمن حرفه‌اي گرافيك كامپيوتري خود براي ايجاد يك برنامه جلوه ويژه براي دنياي انيميشن سه بعدي تعاملي در وب فعاليت مي‌كردند و موتور محرك اين كار زبان  VRMLبود.
زبان  VRMLبه اين دليل طراحي شد تا بتوان با فايل‌هاي بسيار كم حجم، صحنه‌هاي سه بعدي طراحي شده در VRرا مستند كرده و آن ها را روي شبكه اينترنت (كه در حال حاضر از محدوديت پهناي باند رنج مي‌برد) ارسال كرد. در حقيقت  VRMLمشخصات لازم جهت تفسير و نمايش اشياء هر صحنه   VRرا مدل سازي مي‌كند. پس از انتقال فايل روي شبكه و دريافت آن توسط ماشين كاربر، فايل تفسير شده و نمايش داده خواهد شد.
استاندارد قبلي VRML،1/0VRML بود كه با استفاده از آن تنها مي‌شد مناظر ايستا ايجاد كرد. هم اكنون اين استاندارد به فراموشي سپرده شده و جاي خود را به استاندارد جديد 97/0 VRMLداده كه در مرحله  طراحي با نام2/0  VRMLشناخته شده است. 97/0 VRML بسيار پيچيده تر از 1/0VRML است. صوت، تعامل اشياء با يكديگر و حركت شيء ميان اشياء ديگر از مزاياي آن نسبت به 1/0VRML به شمار مي‌رود . نسخه آينده  VRMLامكان چندكاربري را فراهم مي‌سازد كه به‌ عنوان مثال در نـوعي تكنولوژي استاندارد چند كاربري و محاوره اي كاربرد خواهد داشت.

VRMLدر مقايسه با HTML
VRMLچيزي شبيه  HTMLاست. برخي آن را  HTMLسه بعدي دانسته اند، استاندارد جديدي بـراي تـوصـيـف دنـيـا و اشـيـاء سـه بـعدي است. خـوشـبـخـتانه از ابتداي كار اين زبان استاندارد بـود. ايـن زبـان بـه عـنـوان يـك تـكـنولوژي براي نـمـايـش گـرافيك سه بعدي مورد پذيرش قرار گرفته است، زيرا راه قابل دسترس و راحت براي دنياي تعاملي است.
VRMLدر حقيقت يك زبان پويانمايي تعاملي است و اجازه مي‌دهد طراحان صفحات وب با آن فضاي سه بعدي بسازند و اشياء سه بعدي در وب را ببينند  VRMLيك ابر فضاي سه بعدي را پــديــد مـي‌آورد كـه بـا فـشـردن كـلـيـدهـاي روي كامپيوتر مي‌توان در اين جهان سه بعدي به هر سو رفت. در ارتباطات با سرعت كم قادر است كـــاركـنـــد و بـــه خـــوبـــي  downloadمــي‌شــود و كــدهـايـش بـه‌راحتـي بـه وينـدوز وLinux منتقـل مي‌شود.
HTML براي طراحي يك صفحه دو بعدي و  VRMLبـراي سـاخـت صـحنه‌هاي سه بعدي كه اصطلاحا به آن ها  Virtual Worldگفته مي‌شود، به كار مي‌رود . نتيجه اجراي فايل‌هاي HTML يك محيط دو بعدي با اصطلاح صفحه Page است، ولـي اجـراي فـايـل‌هاي  VRMLتوسط مرورگر، يك فضاي سه بعدي را مي‌سازد كه اصطلاح صحنه  Sceneرا برايش به كاربرده‌اند.
VRMLبـــه نـحــوي تــوسـعــه داده شــده كــه بــه  HTMLوابسته نباشد، با اين حال در  VRMLنيز از هـمـان پـروتـكـل‌هـا بـراي انـتـقـال فـايـل از طريق اينترنت استفاده شده است. بنابراين هر چيز كه در مـــورد ايــنــتـــرنـــت و وب صـــادق اســـت، در  VRMLهــم كــاربــرد خــواهــد داشــت. هـمـچنيـن مي‌توان فايل‌هاي ساخته شده توسط  VRMLرا با مـرورگـرهـاي  VRMLيـا مـرورگـرهـاي مـعـمولي  HTMLمـثل 5   Internet Explorerبه بالا مشاهده كرد.
آدرس  )URL(فايل‌هاي  VRMLشبيه فايل‌هاي  HTMLبه نظر مي‌رسد، با اين تفاوت كه پسوند فايل‌هاي  HTMLبه صورت . htmlو . htmاست، در حالي كه در فايل‌هاي  ) World files( VRMLاز پسوندهاي. flr، z .wrو . wrlاستفاده مي‌شود. فايل‌هاي  VRMLفقط حاوي متن هستند، با اين حال پس از خوانده شدن توسط مرورگرها، يك محيط كاملا گرافيكي را مي‌سازند.
مهمترين وظيفه  VRMLاين است كه مشخص كند چگونه يك صحنه سه بعدي در دنيـاي مجـازي سـاختـه شـود. بـه طـور تخصصـي‌تـر مـي تـوان گفت ، VRMLيك زبان صحنه‌پردازي است.
تفاوت ديگر  VRMLبا  HTMLدر اين است كه مي‌تواند به مرورگر دستوراتي را در مورد محل قرار گيري اشياء سه بعدي و رنگ آن ها بدهد و به‌ طور اساسي اين امكان را فراهم مي‌كند تا مرورگر نقطه‌ها را به هم متصل كند. در حالي كه  HTMLفقط گونه‌هاي ساده متن و تصاوير از پيش ساخته شده را براي ساخت يك صفحه دو بعدي در كنار هم قرار مي‌دهد.

برنامه سازي  VRML
بـا توجه به گستردگي مباحث مربوط به زبان مدل‌سازي حقيقت مجازي در اين تحقيق تنها به طور اجمالي به شرح  نحوه طراحي صحنه‌هاي  VRMLدر نسخه  دوم اين زبان پرداخته مي شود. علاوه بر آن مبناي كار بر  VRMLايستا گذاشته مي شود.
VRML يك زبان حساس به متن (Case Sensitive) است و بي‌توجه به كوچك يا بزرگ بـــودن حــروف كـلـمــات، مـمـكــن اســت بــاعــث بــروز خـطــا شــود. الـبـتــه ويــرايـشـگــر  1/2    VrmlPadداراي امكان   Auto  Complete بوده و تا حد زيادي به نوشتن كمك خواهد كرد.

VRMLحدودا 8 نوع گره  اصلي دارد
1-گره‌هاي گروه بندي؛ اين گره‌ها براي ايجاد ساختار سلسله مراتبي ارث بري به كار مي‌روند و فيلد  children ]…[ در آن ها حاوي گره‌هاي فرزند است.
2- گـــره‌هـــاي خـــاص؛ كـــه اطـــلاعــات مــربــوط بــه فــرزنــدانـشــان را از مـكــانــي در   WWWمي‌خوانند.
3- گره‌هاي معمول؛ كه براي نور، صدا، scriptها و … به كار مي‌روند.
4-حسگرها؛ اين گره‌ها وقوع رويدادي را به اطلاع مي‌رسانند. مثلا حسگرهاي هندسي براساس اعمال كاربر (كليك ماوس، نزديك شدن به يك شيء و …) و حسگر زماني با گذشت زمان  eventتوليد مي‌كنند.
5- گره‌هاي هندسي؛ براي اين‌كه اين گره‌ها توسط كاربر قابل ديدن باشند، بايد درون يك گره     Shapeنوشته شوند. همچنين درون فيلد  geometryگره   Shapeتنها يك گره هندسي مي‌تواند قرار گيرد.
6-ظاهر يا   Appearance؛ اين گره ويژگي‌هاي بصري شكل‌ها را به وسيله گره‌هاي  Material و      Textureتعيين مي‌كند.
7-درج كننـده‌هـا يا  Interpolators؛‌ كه براي طراحي انيميشن به‌كار مي‌روند.
8-  گره‌هاي   Bindable؛

 ‌بحث و نتيجه گيري 
حـقـيـقــت مـجــازي يــا  virtual reality يكـي از زمـيـنـه‌هـاي تـحـقـيـق بـسـيـار گـسـتـرده در حـوزه مهندسي پزشكي است. در آينده اي نه چندان دور پزشكي بدون به كارگيري واقعيت مجازي و كاربردهاي آن امري محال خواهد بود.
سـيـسـتـم واقعيـت مجـازي محصـول نگـرش سايبرنتيك است كه محيط واقعي را در تعامل با مـحـيـط سـاخـتـه دسـت بـشـر بـا محوريت كاربر انـسـانـي قـرار مـي دهد و بدين ترتيب افق هاي ناپيدايي را پيش روي انسان قرن حاضر گشوده است . لازم به نظر مي رسد كه مهندسان در تعامل بيشتر با پزشكان( خصوصا جراحان ) باشند  و در زمـيـنـه واقـعـيت مجازي خواسته هاي آن ها را بررسي و مدلسازي كنند .
زمينه هاي كه جاي كار بيشتر دارد و پيشنهاد مـي شـود روي آن هـا بررسي بيشتري صورت گيرد :
واسـطــه هــاي انـســان – كــامـپـيــوتــر مــانـنــد force -feedback يا واسطه هاي لمسي
تـكـنـيــك هــاي مـدل سـازي بـافـت جـهـت شبيه‌سازي ارگان هاي بدن
تكنيك هاي نمايش تصوير
امـــكـــــــان ايـــجـــــــاد نـــســــــل جــــــديــــــدي در تصـويـربـرداري پـزشكي با به كارگيري مفاهيم حقيقت مجازي و ايجاد مشاهدات موثرتر.

منبع : clinicalmedicine