Medyczny Wizualizator Rzeczywistości Wzbogaconej

Celem projektu są badania związane z możliwością zastosowania technik wzbogaconej rzeczywistości podczas zabiegów chirurgicznych wątroby pozwalające na minimalizację czasu ich trwania, poprawę bezpieczeństwa chorego oraz zwiększenie skuteczności w czynnościach nawigacyjnych i związanych z orientacją przestrzenną. Aktualnie zabiegi i operacje wykonywane tradycyjnie zależą w dużej mierze od doświadczenia chirurga. Natomiast zabiegi wykonywane ze wspomaganiem nowoczesnych systemów nawigacji i wizualizacji są obarczone wymogiem korzystania z gogli 3D lub stojących na sali operacyjnej monitorów komputerowych. Korzystanie z gogli 3D powoduje, że występują trudności z percepcją przestrzeni i następuje szybkie zmęczenie wzroku, bóle głowy oraz znaczny dyskomfort. Zastosowanie zewnętrznych monitorów z kolei wymaga częstego ich oglądania i zmiany punktu skupienia z pacjenta na monitor i vice versa co wpływa negatywnie na szybkość operacji. Główna hipoteza badawcza, na którą będą odpowiadały badania przeprowadzone podczas projektu, może być wyrażona następującym stwierdzeniem: „Zastosowanie technik wzbogaconej rzeczywistości pozwoli na zwiększenie efektywności zabiegów chirurgicznych wątroby w stosunku do aktualnie stosowanych rozwiązań. Będzie się to odbywać poprzez wykorzystanie naturalnego postrzegania wizualnego chirurga wzbogaconego o projekcję na powierzchnię wątroby obrazu 2D lub 3D z uwzględnieniem zjawiska paralaksy (obraz będzie renderowany z punktu widzenia chirurga)”.

Zastosowana metoda badawcza/metodyka

Metodyka badań będzie odmienna w pierwszym etapie i drugim etapie realizacji projektu. W pierwszym etapie będzie przygotowywany szereg środowisk symulacyjnych związanych z percepcją człowieka oraz analiza parametrów fantomu wątroby. Do badań symulacyjnych będą wykorzystane środowiska rzeczywistości wirtualnej. Elementem tych środowisk będzie też symulacja budowanego stanowiska do śledzenia i projekcji obrazów. Po opracowaniu środowisk symulacyjnych dla dwóch grup użytkowników zostaną przeprowadzone badania oceny stopnia percepcji wybranych parametrów sceny w zależności od sposobu prezentacji oraz wpływu na precyzję lokalizowania narzędziem zadanych struktur anatomicznych. Zaplanowano testowanie na grupie doświadczonych chirurgów oraz niezależnie na grupie studentów medycyny. Opracowane środowiska będą reprezentować typowe sytuacje diagnostyczne lub typowe scenariusze przewidujące interwencję chirurgiczną (co najmniej sześć).

W kolejnym etapie projektu powstaną fantomy (z wykorzystaniem technologii druku 3D) wątroby oraz zostaną opracowane algorytmy do segmentacji 3D z wykorzystaniem interakcji z użytkownikiem wymagających fachowej wiedzy, ale za to pozwalających na niezawodną i szybką segmentację. W tym etapie powstanie stanowisko do realizacji badań końcowych wraz z algorytmami (zaimplementowanymi w języku C++), które będzie zamontowane na rzeczywistej sali operacyjnej w celu przeprowadzenia badań w warunkach jak najbardziej zbliżonych do rzeczywistych. Po badaniach na fantomach zostanie przeprowadzony eksperyment na 20 wątrobach wieprzowych. Analizie zostanie poddany czas potrzebny dla trafienia w cel, liczba prób nakłucia oraz subiektywne doznania operatora (włącznie z objawami ubocznymi) w trakcie pracy z poszerzoną rzeczywistością ocenione na podstawie przygotowanego arkusza oceny.

Wpływ spodziewanych rezultatów na rozwój nauki, cywilizacji, społeczeństwa

Badania przewidziane w projekcie pozwolą na lepsze wykorzystanie technik obrazowania we współpracy z chirurgiem poprzez: wykorzystanie naturalnego mechanizmu widzenia człowieka (obserwacja okiem) bez konieczności dostosowywania się do sztucznej wizualizacji stereoskopowej (brak sterowania głębią ostrości i zbieżnością stereo-obrazów) lub konieczności zmiany punktu obserwacji z pacjenta na monitory poprzez projekcję na powierzchnię badanego narządu jego struktur wewnętrznych. Tego typu podejście pozwoli na zwiększenie efektywności chirurgów oraz przyczyni się do minimalizacji czasu zabiegów, zmniejszenia liczby powikłań około- i pooperacyjnych oraz zwiększenia skuteczności chirurgicznej.

Badania w projekcie mają charakter interdyscyplinarny łączący dziadziny takie jak informatykę, techniki rzeczywistości wirtualnej i wzbogaconej oraz medycynę w obszarze chirurgii wątroby i onkologicznej. W aspekcie informatyki wyzwania związane z realizacją algorytmów działających w czasie rzeczywistym na sali operacyjnej oraz algorytmów segmentacji wątroby. W obszarze rzeczywistości wirtualnej i wzbogaconej zagadnienia związane z interfejsem człowiek-maszyna są innowacyjne na poziomie wizualizacji struktur anatomicznych pozwalających na poprawną i jak najszybszą percepcję obrazów przestrzennych z uwzględnieniem trafienia narzędziem w planowaną strefę modelu 3D. W obszarze medycznym badania związane z poprawieniem skuteczności zabiegów chirurgicznych są aktualnie jedną z najdynamiczniej rozwijających się dziedzin. Opracowanie skuteczniejszych metod wspomagania chirurga podczas operacji jest nie do przecenienia w aspekcie rozwoju cywilizacyjnego.