Mô phỏng ba chiều và ứng dụng trong y học

Tại các nước phát triển như Mỹ và châu Âu, mô phỏng đã và đang trở thành một công nghệ mũi nhọn nhờ khả năng ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực: khoa học kỹ thuật, kiến trúc, quân sự,

ngành Khoa học máy tính tại Trường Công nghệ thông tin – Truyền thông Đại học Thái Nguyên, em đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy, cô giáo trong Trường Công nghệ thông tin – Truyền thông và Viện công nghệ thông tin Việt Nam Các thầy, cô luôn giúp đỡ, tạo điều kiện cho

em trong quá trình học tập Em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới tập thể các thầy, cô giáo trong Trường Công nghệ thông tin – Truyền thông và Viện công nghệ thông tin Việt Nam

Em xin cảm ơn sự giúp đỡ của các anh, chị phòng Công nghệ Thực tại ảo

Viện Công nghệ thông tin Đặc biệt thầy giáo PGS.TS Đỗ Năng Toàn đã hướng

dẫn và tạo điều kiện giúp đỡ em hoàn thành quyển luận văn tốt nghiệp này

Tôi xin cảm ơn các bạn đồng nghiệp và người thân đã động viên, giúp

đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn

Quá trình thực hiện đề tài không tránh khỏi thiếu sót em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo và các bạn đồng nghiệp đối với

đề tài nghiên cứu của em để đề tài được hoàn thiện hơn

Em xin trân trọng cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2011

Hồ Xuân Nhàn

Em xin cam đoan toàn bộ nội dung bản luận văn này là do em tự sưu tầm, tra cứu và sắp xếp cho phù hợp với nội dung yêu cầu của đề tài

Nội dung luận văn này chưa từng được công bố hay xuất bản dưới bất

kỳ hình thức nào và cũng không được sao chép từ bất kỳ một công trình nghiên cứu nào

Tất cả phần ứng dụng đều do em tự thiết kế và xây dựng, trong đó có

sử dụng một số thư viện chuẩn và các thuật toán được các tác giả xuất bản công khai và miễn phí trên mạng Internet

Nếu sai em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2011

Người cam đoan

Hồ Xuân Nhàn

Mục lục Lời cảm ơn

Lời cam đoan

Mục lục i

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ii

Danh mục các hình ảnh iii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ MÔ PHỎNG VÀ MÔ PHỎNG 3D TRONG Y HỌC 3

1.1 Khái quát về mô phỏng và mô phỏng 3D 3

1.1.1 Thế nào là mô phỏng? 3

1.1.2 Phân loại các hệ thống mô phỏng 4

1.1.3 Một số ứng dụng mô phỏng và mô phỏng 3D 10

1.2 Mô phỏng 3D trong Y học 14

Chương 2: MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG MÔ PHỎNG 3D 19

2.1 Tạo mô hình 3D 19

2.1.1 Chất liệu 19

2.1.2 Các phép hiệu chỉnh 23

2.1.3 Ánh sáng 24

2.1.4 Hiệu chỉnh nguồn sáng 26

2.2 Một số kỹ thuật tạo chuyển động cho đối tượng 3D … ……… 31

2.2.1 Tạo chuyển động áp dụng cho đối tượng không có xương 31

2.2.2 Tạo chuyển động áp dụng cho đối tượng có xương 35

Chương 3: THỰC NGHIỆM VÀ ỨNG DỤNG 45

3.1 Bài toán 45

3.2 Lưới đối tượng 46

3.2.1 Mô hình đa giác (Polygon) 46

3.2.2 Mô hình dựa trên kết nối đường cong (NURBS) 46

3.3 Một số kết quả 49

3.3.1 Mô hình 49

3.3.2 Một số hình ảnh ứng dụng mô hình trong bài giảng 52

PHẦN KẾT LUẬN 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

STT Ký hiệu/ Chữ viết tắt Viết đầy đủ Ý nghĩa

Displays

Mũ đội đầu có màn hiển thị

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Giao diện giữa người sử dụng và hệ thống máy tính 3D

Hình 1.2 Dàn máy tính HP cấu hình cao hỗ trợ xử lý đồ hoạ 3D

Hình 1.3 Chuột SpaceBall trong hệ thống không có tính nhúng

Hình 1.4 Máy chiếu công nghệ DLP trong hệ thống bán nhúng

Hình 1.5 Kính ShutterGlasses trong hệ thống Bán nhúng

Hình 1.6 Hệ thống chiếu màn ảnh rộng kết hợp kính ShutterGlasses trong hệ thống Bán nhúng

Hình 1.7 Thiết bị Data glove trong hệ thống nhúng toàn phần

Hình 1.8 Thiết bị HMD trong hệ thống nhúng toàn phần

Hình 1.9 Ứng dụng công nghệ mô phỏng trong huấn luyện tập nhảy dù Hình 1.10 Ứng dụng công nghệ mô phỏng 3D trong Du lịch

Hình 1.11 Các logo phim dùng 3D ảo

Hình 2.4 Từ trái sang phải nguồn sáng free stop và target stop

Hình 2.5 Từ trái sang phải nguồn sáng free direct và target direct

Hình 2.6 Bóng đổ tạo bởi đèn Omni

Hình 2.7 Nguồn sáng Target Stop

Hình 2.8 Nguồn sáng Free Stop

Hình 2.9 Nguồn sáng Target Direct

Hình 2.10 Nguồn sáng Free Direct

Hình 2.11 Mô tả chuyển động theo các thời điểm chính

Hình 2.12 Mô tả chuyển động theo đường cong xác định trước

Hình 2.13 Mô tả chuyển động theo sự ràng buộc giữa các thuộc tính

Hình 2.14 Hình ảnh một điều khiển IK được thêm cho một nhánh xương Hình 2.15 Sử dụng IK để tạo chuyển động cho cánh tay

Hình 2.16 Hệ thống xương ứng dụng bộ xử lí HI solver

Hình 2.17 Xác định chốt của chuỗi xương

Hình 2.18 Sử dụng điều khiển IK để tạo chuyển động cho chân thao tác với quả bóng

Hình 3.1 Các đối tượng nguyên thuỷ của polygon

Hình 3.2 Tạo cốc từ đường cong

Hình 3.3 Các đối tượng nguyên thủy của Nurbs

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, công nghệ thông tin phát triển triển mạnh mẽ đã đem lại những thành tựu đáng kể cho nhiều lĩnh vực như y tế, giáo dục, kiến trúc, du lịch, giải trí,…Trên đà phát triển ấy đã xuất hiện một mô hình phát triển mới mà phạm vi ứng dụng có tiềm năng rộng lớn

sử dụng (nhờ hành động, lời nói, ) Người sử dụng nhìn thấy sự vật thay đổi trên màn hình ngay theo ý muốn của họ và bị thu hút và cảm nhận bằng các giác quan bởi sự mô phỏng này

Mô hình hoá và mô phỏng là một phương pháp nghiên cứu khoa học được ứng dụng rất rộng rãi từ nghiên cứu, thiết kế, chế tạo đến vận hành các hệ thống Ngày nay nhờ sự trợ giúp của máy tính có tốc độ tính toán cao và bộ nhớ lớn mà phương pháp mô hình hoá được phát triển mạnh mẽ, đem lại hiệu quả to lớn trong việc nghiên cứu khoa học và thực tiễn sản xuất Mô hình hoá và mô phỏng được ứng dụng rộng dãi trong các lĩnh vực khoa học công nghệ Tại các nước phát triển như Mỹ và châu Âu, mô phỏng đã và đang trở thành một công nghệ mũi nhọn nhờ khả năng ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực: khoa học kỹ thuật, kiến trúc, quân

sự, giải trí, giáo dục, thương mại, sản xuất, y học,… [18]

Hiện nay, các sinh viên ngành y dược đang phải thực hành nhiều trên động vật, mô hình bằng nhựa và những xác người chết đã qua xử lý, một số bộ

phận không còn chính xác Không có nhiều xác để cho sinh viên học tập nên sinh viên khó hình dung chính xác được một số bộ phận trên cơ thể Mô phỏng đang dần trở thành một phần của chuẩn đào tạo chuyên nghiệp, các hoạt động phẫu thuật, nha khoa và chăm sóc điều dưỡng, Ứng dụng Mô phỏng trong các chuyên khoa đặc thù vào việc đào tạo bác sĩ, giúp bác sỹ rèn luyện các kỹ năng lâm sàng, phục vụ cho số đông sinh viên, tiết kiệm được chi phí và giúp cho sinh viên rễ hiểu hơn các kỹ thuật thực hành trong ngành y tế.[19]

Xuất phát từ những vấn đề nêu trên luận văn lựa trọn đề tài “Mô phỏng

ba chiều và ứng dụng trong y học” nhằm tìm hiểu về mô phỏng và các kỹ

thuật tính toán mô phỏng trên cơ sở đó cài đặt mô phỏng ba chiều xương sọ của cơ thể người

Nội dung của luận văn được trình bày trong 3 chương:

Chương 1: Khái quát về mô phỏng và mô phỏng 3D trong y học

Trong chương này cung cấp cho ta cái nhìn tổng quan về mô phỏng và mô phỏng 3D, đồng thời cung cấp một cái nhìn khái quát về ứng dụng mô phỏng 3D trong y học

Chương 2: Một số vấn đề trong mô phỏng 3D

Tại chương này đưa ra những cơ sở lý thuyết để làm cơ sở trình bày về một

số kỹ thuật cơ bản để tạo mô hình trong mô phỏng 3D, trình bày chuyển động trong mô phỏng cho đối tượng có xương và không có xương

Chương 3: Thực nghiệm và ứng dụng

Ở chương 3 em trình bày lưới đối tượng tạo nên sự liên kết trong mô phỏng Trình bày một số mô hình cơ bản để xây dựng hình ảnh ba chiều xương sọ Ứng dụng mô phỏng xương sọ và xây dựng bài giảng cho sinh viên

Chương 1 KHÁI QUÁT VỀ MÔ PHỎNG VÀ MÔ PHỎNG 3D TRONG Y HỌC 1.1 Khái quát về mô phỏng và mô phỏng 3D

1.1.1 Thế nào là mô phỏng?

Mô phỏng là một thuật ngữ mới xuất hiện phát triển mạnh trong vòng

vài năm trở lại đây, đang trở thành một ngành công nghệ mũi nhọn nhờ khả

năng ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực như: y tế, giáo dục, kiến trúc, quân

sự, du lịch, giải trí, Hiện nay, có nhiều định nghĩa về mô phỏng, một trong các định nghĩa được chấp nhận rộng rãi là của C.Burdea và P.Coiffet thì có

thể hiểu mô phỏng tương đối chính xác như sau: Mô phỏng là một hệ thống

giao diện cấp cao giữa Người sử dụng và Máy tính Hệ thống này mô phỏng các sự vật và hiện tượng theo thời gian thực có tương tác với người sử dụng qua tổng hợp các kênh cảm giác Đó là ngũ giác gồm: thị giác, thính giác, xúc giác, khứu giác và vị giác [6]

Hình 1.1 Giao diện giữa người sử dụng và hệ thống máy tính 3D

Hay nói một cách cụ thể mô phỏng là công nghệ sử dụng các kỹ thuật

mô hình hoá không gian ba chiều, với sự hỗ trợ của thiết bị hiện đại để xây dựng một thế giới mô phỏng để đưa người ta vào một thế giới nhân tạo với không gian như thật Trong thế giới ảo này, người sử dụng không còn được xem như người quan sát bên ngoài, mà đã thực sự trở thành một phần của hệ thống Thế giới “nhân tạo” này không tĩnh tại mà lại phản ứng, thay đổi theo

ý muốn của người sử dụng nhờ những cử chỉ, hành động, Tức là người sử dụng nhìn thấy sự vật thay đổi trên màn hình ngay theo ý muốn của họ

Một cách lý tưởng, người sử dụng có thể tự do chuyển động trong không gian ba chiều, tương tác với các vật thể ảo, quan sát và khảo cứu thế giới ảo ở những góc độ khác nhau về mặt không gian Ngược lại, môi trường

ảo lại có những phản ứng tương ứng với mỗi hành động của người sử dụng, tác động vào các giác quan như thị giác, thính giác, xúc giác của người sử dụng trong thời gian thực làm người sử dụng có cảm giác như đang tồn tại trong một thế giới thực [6]

1.1.2 Phân loại các hệ thống mô phỏng

Mặc dù khó có thể phân loại được tất cả các hệ thống mô phỏng, nhưng phần lớn các hình thái hệ thống rơi vào ba nhóm chính, mỗi nhóm được xếp hạng theo khả năng cung cấp tính “thực” hay độ “nhúng” của người sử dụng trong môi trường ảo do hệ thống tạo ra Tính thực hay độ nhúng được xem là kết quả của sự phối hợp nhiều yếu tố bao gồm mức độ tương tác với môi trường, mức độ nhìn lập thể, trường quan sát và tốc độ cập nhật ảnh của màn hình trong sự thay đổi về mặt không gian của người dùng [7]

1.1.2.1 Hệ thống mô phỏng không có tính nhúng (Non-Immersive Systems)

Các hệ thống Mô phỏng không có tính nhúng, như tên gọi của chúng là những hệ thống có khả năng cung cấp mức độ hiện thực thấp nhất Môi trường ảo được quan sát thông qua một khung nhìn là một màn hình máy tính

có độ phân giải cao Hệ thống này sử dụng các thiết bị sau:

- Máy tính để bàn: có cấu hình cao, có hỗ trợ card xử lý đồ hoạ 3D Stereo có dung lượng 256 MB trở lên, và có hỗ trợ Spaceball cũng như một số thiết bị ngoại vi mở rộng khác

Hình 1.2 Dàn máy tính HP cấu hình cao hỗ trợ xử lý đồ hoạ 3D

Việc tương tác với môi trường ảo được thực hiện thông qua các phương tiện truyền thống như bàn phím, chuột hoặc tiên tiến hơn sử dụng các thiết bị tương tác lập thể như Spaceball

- Chuột Spaceball là thiết bị đầu vào giúp cho người dùng thực hiện các thao tác như: phóng to hay thu nhỏ, theo dõi và xoay chuyển các vật thể trong môi trường không gian 3 chiều giống y như trong thế giới thực

Hình 1.3 Chuột SpaceBall trong hệ thống không có tính nhúng

Ưu điểm của các hệ thống không có tính nhúng là ở chỗ chúng không đòi hỏi hiệu năng xử lý đồ hoạ ở mức cao, không cần hỗ trợ bởi những phần cứng đặc biệt và có thể trình diễn ngay trên các máy tính cá nhân có cấu hình tương đối trở lên Điều này có nghĩa là những hệ thống này được xem như giải pháp công nghệ có chi phí thấp nhất, trong khi đó vẫn có thể

áp dụng trong nhiều ứng dụng Tuy nhiên chi phí thấp cũng đồng nghĩa với việc không đáp ứng được với những tương tác ở mức độ cao, không cho cảm giác tồn tại trong môi trường giả lập, không phát huy được cảm nhận

1.1.2.2 Hệ thống mô phỏng Bán nhúng (Semi-Immersive Systems)

Hệ thống Bán nhúng là một thể nghiệm khá mới trong công nghệ mô phỏng Sự phát triển của các hệ thống dạng này dựa trên các công nghệ đã được phát triển trong lĩnh vực mô phỏng bay

Một hệ thống bán nhúng thường có những thiết bị sau:

- Một màn ảnh rộng

- Máy chiếu màn ảnh rộng công nghệ DLP (Digital Light Processing)

Hình 1.4 Máy chiếu công nghệ DLP trong hệ thống bán nhúng

- Kính mắt Shutter Glasse là loại kính hỗ trợ đặc biệt cho mắt người quan sát để có thể nhìn thấy những cảnh 3D trong thế giới ảo Đây là thiết bị

Hình 1.6 Hệ thống chiếu màn ảnh rộng kết hợp kính ShutterGlasses

trong hệ thống Bán nhúng

1.1.2.3 Hệ thống mô phỏng nhúng toàn phần (Fully Immersive Systems)

Hệ thống nhúng toàn phần cung cấp cho người sử dụng những trải nghiệm trực quan nhất trong môi trường ảo Những hệ thống như vậy có thể được xem như bước tiến xa nhất trong công nghệ mô phỏng cho tới thời điểm này Có một loại thiết bị gắn liền với sự phát triển của các hệ thống dạng này

đó là thiết bị HMD và DataGloves Các thiết bị đó cho phép người quan sát được nhúng hoàn toàn trong một thế giới ảo mà ở đó có thể quay 3600

và tương tác với vật có cảm giác như tương tác với vật thật

- Găng tay dữ liệu (Data Gloves): Về hình dạng giống như găng tay thường nhưng có gắn các thiết bị cảm biến (Sensor) Thiết bị này theo dõi sự thay đổi về vị trí và cử chỉ trên bàn tay Mỗi cử chỉ quy định một hành vi khác nhau của người sử dụng trong môi trường ảo Bằng cách này người sử dụng

có thể tương tác với các vật thể ảo, đồng thời có những cảm nhận về mặt xúc giác thông qua những phản hồi từ phía hệ thống tới găng tay

Hình 1.7 Thiết bị Data glove trong hệ thống nhúng toàn phần

- Thiết bị hiển thị đội đầu (Head Mounted Display-HMD) là thiết bị không chỉ cho phép người quan sát cảm nhận được thế giới ảo 3 chiều mà còn cho phép người quan sát được tự do chuyển động trong thế giới đó

Hình 1.8 Thiết bị HMD trong hệ thống nhúng toàn phần

Tất cả các hệ thống nhúng toàn phần có khả năng cung cấp những cảm nhận hiện thực trong môi trường ảo hơn bất kỳ một loại hệ thống nào đã đề cập trước Tuy nhiên, mức độ “thực” còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố bao gồm trường quan sát của thiết bị HMD, độ phân giải, tốc độ cập nhật ảnh trong thời gian thực khi người quan sát chuyển động trong không gian

Bảng 1.1: So sánh hiệu năng hoạt động của các hệ thống

Cao Cảm giác hiện diện

Trung bình - Cao

Trung bình - Cao

1.1.3 Một số ứng dụng mô phỏng và mô phỏng 3D

Cũng như nhiều ngành công nghệ khác, Mô phỏng chỉ thực sự được phát triển ứng dụng rộng rãi trong những năm gần đây nhờ vào sự phát triển của tin học (phần mềm và phần cứng) Ngày nay mô phỏng đã trở thành một ngành công nghiệp và thị trường mô phỏng tăng trưởng hàng năm khoảng 21% và dự tính đạt khoảng 3,4 tỷ $ năm 2005 (theo Machover, 2004) Theo dự đoán của Gartner (tổ chức nghiên cứu thị trường toàn cầu), mô phỏng đứng đầu danh sách 10 công nghệ chiến lược năm 2009 Thị trường mô phỏng tại Mỹ trong các lĩnh vực giáo dục phẫu thuật y khoa và một số lĩnh vực khác được ước đạt

290 triệu USD vào năm 2010 (theo Neurovr.org)

Ứng dụng của Mô phỏng có thể thấy được rất nhiều trong thế giới hàng ngày của chúng ta Xét về khía cạnh ứng dụng một số lĩnh vực ứng dụng

chính đang có khuynh hướng phát triển mạnh mẽ nhất chúng ta có thể kể đến một số lĩnh vực sau: [7], [8], [10], [12], [13]

1.1.3.1 Giáo dục và Đào tạo

Phát triển trên nền công nghệ và kỹ thuật cao, mô phỏng tích hợp những đặc tính làm cho bản thân nó có những tiềm năng vượt trội Cho người

sử dụng cảm nhận sự hiện diện của mình trong môi trường do máy tính tạo ra bằng khả năng tương tác, tự trị (Autonomy) của người dùng trong môi trường

ảo, cũng như bằng những phản hồi tức thời, trực quan từ phía môi trường ảo tới các giác quan của người sử dụng Vì vậy Mô phỏng đã đang trở thành một công cụ hữu hiệu trong giáo dục, đặc biệt là một phương tiện giáo dục và đào tạo hết sức mạnh đối với một số ngành nghề chi phí tốn kém và nguy hiểm đòi hỏi phải thực hành, ví dụ như: huấn luyện tập nhảy dù, tập lái xe, v.v thì việc ứng dụng mô phỏng là cực kỳ cần thiết

Hình 1.9 Ứng dụng công nghệ mô phỏng trong huấn luyện tập nhảy dù

Tất cả những đặc tính này khiến công nghệ mô phỏng trở nên rất phù hợp cho các ứng dụng có tính chất giáo dục hay đào tạo Tính chất trực quan của bài giảng được nâng cao, làm tăng sự hứng thú trong học tập cũng như khả

năng ghi nhớ các khái niệm quan trọng trong bài giảng Từ đó, học viên nắm bắt được nhanh chóng và có ý thức hơn với những tính huống đã được học 1.1.3.2 Thương mại - Du lịch

Trong thương mại đặc biệt là trong ngành quảng cáo công nghệ mô phỏng đang có một vị trí quan trọng Nó giúp khách hàng tiếp cận gần hơn tới hàng hóa để có thể đánh giá chất lượng mà không cần có hàng trực tiếp,…Trong du lịch các công ty có thể cho khách xem trước khách sạn, nhà hàng và ngắm nhìn một phần quang cảnh địa phương nơi khách sắp đến du lịch,…Tiêu biểu là Công ty Giải pháp CNTT & Truyền thông DAGINET là Công ty tại Việt Nam cung cấp ra thị trường Việt Nam Giải pháp mô phỏng

Hình 1.10 Ứng dụng công nghệ mô phỏng 3D trong Du lịch

1.1.3.3 Giải trí

Giải trí hiện nay đây là ngành đạt được nhiều thành tựu và lợi nhuận về tài chính Trong giải trí nó có thể chia làm hai lĩnh vực chính đó là điện ảnh

và game Trong điện ảnh ngày nay với sự phát triển của kỹ thuật và công nghệ

mô phỏng người ta đã có thể xây dựng các bộ phim 3D Khi xem các phim này các bạn sẽ có cảm giác như thể bạn là một nhân vật của bộ phim chứ không phải bạn đang xem phim

Hình 1.11 Các logo phim dùng 3D ảo

Trong lĩnh vực Game có rất nhiều công ty đang sản xuất ra các trò chơi có sử dụng công nghệ mô phỏng Các trò chơi sẽ cho bạn có cảm giác như đang thực sự tham gia vào một vai diễn mà bạn đảm nhiệm trong trò chơi Số lượng người bị cuốn hút theo các trò chơi như vậy đặc biệt là giới trẻ tăng theo cấp

số nhân, đánh dấu tiềm năng thương mại to lớn của công nghệ này trong lĩnh vực giải trí

Hình 1.12 Hệ thống trong lĩnh vực giải trí 3D

1.2 Mô phỏng 3D trong Y học

Ngày nay, công nghệ hình ảnh mô phỏng 3D đang thu hút sự chú ý của nhiều người và lĩnh vực y học cũng không phải là một ngoại lệ Y học là một trong những lĩnh vực ứng dụng tiềm năng và là một trong số ít lĩnh vực ứng dụng thuộc ngành khoa học của mô phỏng Cho đến nay, lĩnh vực nổi bật trong y học áp dụng thành công công nghệ mô phỏng là giả lập giải phẫu (Surgical Simulation)

Trên cơ sở các kỹ thuật đồ hoạ máy tính và Mô phỏng, hệ thống đào tạo y học này bao gồm hai bộ phận cơ bản: Khối tương tác ba chiều là mô hình sinh thể ảo cho phép người sử dụng thực hiện các thao tác giải phẫu thông qua các dụng cụ giải phẫu ảo; Khối giao diện người dùng hai chiều cung cấp những thông tin phản hồi trực quan từ mô hình trong quá trình giải phẫu cũng như những thông tin hướng dẫn trong phiên đào tạo

Phương pháp đào tạo có tính tương tác cao này mang nhiều ưu điểm so với các phương pháp truyền thống như thực hành trên mô hình plastic hay trên bệnh nhân thực Thứ nhất, khác với phương pháp dùng mô hình plastic, sinh thể giải phẫu ảo có khả năng cung cấp những thông tin phản hồi sinh học một cách tự nhiên như một sinh thể sống thực, dưới tác động giải phẫu của bác sỹ

mổ, chẳng hạn như sự thay đổi về nhịp tim, huyết áp v.v Điều này tạo cho học viên có cảm giác đang trải qua một ca mổ trong một tình huống thực Thứ hai, khác với thực hành trên bệnh nhân thật, rõ ràng sai lầm của học viên trong quá trình thực tập không phải trả giá bằng những thương tổn thực trên

cơ thể người bệnh Điều này cũng làm giảm áp lực lên học viên khi thực hiện phẫu thuật ảo Từ đó, giúp họ tự tin và chủ động hơn trong học tập

Hình 1.13 Phẫu thuật ảo – Phương pháp đào tạo phẫu thuật mới dùng

công nghệ mô phỏng (Hình ảnh từ Virtualvision Inc., Artma Biomedical

Inc http://www.virtualvision.com/ ; http://www.artma.com/ )

Phương pháp này không chỉ cho phép các học viên y khoa thực hành các

ca phẫu thuật trong tình huống thực, đem lại cho họ những kinh nghiệm cần thiết trước khi thực hiện phẫu thuật trên cơ thể con người, đây còn là cơ hội

để các bác sỹ mổ nâng cao kỹ thuật giải phẫu và kỹ năng phối hợp làm việc theo nhóm trong phòng mổ Điều này đặc biệt quan trọng trong các tình huống phẫu thuật nguy hiểm và nhạy cảm

Các kỹ thuật Mô phỏng cũng được sử dụng để hỗ trợ bác sỹ mổ trong giai đoạn lập kế hoạch tiền phẫu thuật (preoperative planning) Trước khi thực hiện quy trình giải phẫu trên bệnh nhân thực, người bác sỹ có thể thử nghiệm các phương pháp tiến hành phẫu thuật khác nhau trên mô hình ảo của người bệnh Mô hình này mô phỏng đầy đủ các đặc điểm bệnh lý của người bệnh thật Theo cách này, người bác sỹ sẽ lựa chọn ra được cách thức an toàn nhất, hiệu quả nhất và tốn ít thời gian nhất trong phòng phẫu thuật, hạn chế những biến cố trong quá trình giải phẫu

Trên thế giới, nhiều bác sĩ cũng đang cố gắn g tận dụng công nghệ mới này để điều trị bệnh nhân Ví dụ như vào một cuộc phẫu thuật nội soi có gắn camera 3D Camera sẽ truyền về những hình ảnh 3D chân thật , rõ nét để các

quan bên trong khoang bụng một cách chính xác Công nghệ này đảm bảo độ

an toàn hơn trong quá trình phẫu thuật Thêm nữa, công nghệ 3D có thể giúp

ta chuyển từ tia X-quang bình thường hay các hình ảnh 2 chiều của chụp cắt lớp vi tính (CT) sang 3 chiều

Với các phương pháp chụp cắt lớp vi tính (CT) hay chụp cộng hưởng từ (MRI), các bác sĩ vừa nhìn hình ảnh vừa tiến hành phẫu thuật bằng cách đưa một cái kim hoặc một ống nhỏ gắn camera vào cơ thể bệnh nhân Phạm vi sai

số ở đây phải ít hơn 0,5mm, nếu không các mạch máu có thể sẽ bị vỡ hoặc thậm chí bị rách toạc ra Các bác sĩ vừa phải theo dõi hình ảnh 2D trên màn

chiều, điều đó đã gây không ít khó khăn cho họ khi tiến hành các thao tác phẫu thuật Nay với việc ứng dụng công nghệ hình ảnh 3D, các bác sỹ có thể nhìn được các hình ảnh 3 chiều rõ nét ngay lập tức và tập trung hơn vào phẫu thuật Điều này chắc chắn sẽ nâng cao hiệu quả của một ca phẫu thuật

Như vậy , công nghệ hình ảnh 3D sẽ giúp tăng độ chính xác của các

chiều cơ thể người trong khi nhìn các hình ảnh phác họa 2 chiều Tuy nhiên giờ đây , họ có thể phẫu th uật cho bệnh nhân khi nhìn trực tiếp những hình ảnh 3 chiều Đặc biệt , phương pháp nội soi 3D có tác dụng giúp giảm thiểu rủi ro vỡ mạch máu trong quá trình phẫu thuật cũng như đảm bảo cho ca

mổ nhanh chóng và an toàn hơn Thêm vào đó, các bác sĩ cũng có thể quan sát được các mạch máu xoắn trong không gian 3 chiều và dễ dàng làm lưu thông các mạch máu bị nghẽn

Theo cách truyền thống, việc tương tác với máy tính được thực hiện thông qua các thiết bị như bàn phím, chuột hay joystick/trackball để cung cấp thông tin đầu vào và sử dụng khối hiển thị trực quan để nhận thông tin

đầu ra từ hệ thống Với sự ra đời của các hệ thống mô phỏng, các phương thức giao tiếp mới được phát triển cho phép người sử dụng tương tác một cách tích cực với máy tính

Mô phỏng 3D là công nghệ sử dụng các kỹ thuật mô hình hoá không gian

ba chiều với sự hỗ trợ của các thiết bị đa phương tiện hiện đại để xây dựng một thế giới mô phỏng bằng máy tính – môi trường ảo (virtual environment) Trong thế giới ảo này, người sử dụng không còn được xem như người quan sát bên ngoài, mà đã thực sự trở thành một phần của hệ thống Một cách lý tưởng, người sử dụng có thể tự do chuyển động trong không gian ba chiều, tương tác với các vật thể ảo, quan sát và khảo cứu thế giới ảo ở những góc độ khác nhau về mặt không gian Ngược lại, môi trường ảo lại có những phản ứng tương ứng với mỗi hành động của người sử dụng, tác động vào các giác quan như thị giác, thính giác, xúc giác của người sử dụng trong thời gian thực

và tuân theo những quy tắc vật lý rất tự nhiên, làm ta có cảm giác như đang tồn tại trong một thế giới thực

Hiện nay, ở nước ta giáo dục trong y học vẫn còn tình trạng giảng chay, thiếu điều kiện thực hành quan sát Nhất là trong thực hành, không phải là lúc nào cũng có điều kiện thực hành để nâng cao trình độ, kỹ năng và kinh nghiệm, đặc biệt là ngoại khoa Để có thể được một ca thực hành thì đòi hỏi phải rất nhiều thời gian, và chi phí cho một ca thực hành như vậy lại rất cao Khi thực hành xong thì những mẫu vật thực hành rồi chủ yếu là bỏ đi, không

có khả năng dùng lại rất lãng phí và v.v

Hơn nữa, việc xây dựng phần mềm ứng dụng trong ngành y tế còn có nhiều hạn chế, nhất là ở Việt Nam hiện nay phần mềm hỗ trợ giảng dạy trong y tế vẫn là mảng đang bị bỏ ngỏ, chưa có đầu tư nào thích đáng phù hợp cho tình hình hiện nay Tương tự là những ứng dụng về mô phỏng

trong chuẩn đoán bệnh hoặc luyện nghề của các trường học và các trung tâm y tế cũng chưa có gì

Việc xây dựng các phần mềm mô phỏng trong y tế là khả quan Với những phần mềm này, giảng viên, sinh viên có điều kiên quan sát kỹ hơn, có thể xem xét từng thành phần bộ phận, có thể quan sát ở nhiều góc độ khác nhau với một mẫu vật, mà đáng lẽ trước đây chỉ có thể quan sát thông qua những ảnh 2D được chụp ở nhiều góc độ khác nhau Phần mềm mô phỏng có thể giúp giải thích rõ ràng hơn các bước, quá trình thực hiện, hoặc chỉ cho chúng ta thấy các kỹ thuật thực hiện các thao tác y giảng v.v

Trong việc học giải phẫu học là vẽ ra một hình ảnh ba chiều của tất cả các cơ quan bộ phận trong cơ thể Đồng thời có thể tách rời các cơ quan bộ phận ra để quan sát một cách chi tiết để mô tả, xác định những mốc chính, những chi tiết quan trọng để xác định và vận dụng vào thực tế lâm sàng

Chương 2 MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG MÔ PHỎNG 3D 2.1 Tạo mô hình 3D

2.1.1 Chất liệu

Chất liệu là dữ liệu mà khi bạn gán lên bề mặt hoặc từng mặt của một vật thể Chất thể là sự kết hợp tất cả các thuộc tính tạo nên hình thức bên ngoài của bề mặt vật thể Chất liệu có thể đơn giản hoặc phức tạp và có thể tương tác với ánh sáng trong khung cảnh[22],[23]

2.1.1.1 Chất liệu cơ bản( Standard materials)

+ Vật liệu có màu hoen ố hay sáng chói

Vật liệu này có hai thông số cần khai báo là:

- Diffuse: màu vật liệu

- Specular: màu hoen ố

Khi chúng ta muốn độ hoen ố thế nao ta khai báo ở thông số specular highlight

+ Vật liệu có màu chuyển tiếp

Khi sử dụng vật liệu chuyển tiếp chúng ta cần khai báo ba thông

số màu:

- Color1: màu đậm

- Color2: màu chuyển tiếp

- Color3: màu nhạt

Chú ý: khi ta chuyển tiếp màu thì cần chú ý đến tham số Position tham

số này nhận giá trị từ 0 đến 1

Đối với vật liệu này có hai kiểu chuyển tiếp:

- Chuyển tiếp màu theo kiểu linear (thẳng)

- Chuyển tiếp màu theo kiểu radial (tròn)

Ngoài hai cách này chúng ta có thể tự tạo cho vật thể có cách chuyển tiếp màu theo ý thích của mình nhờ tham số noise

+ Vật liệu có gai lồi, lõm

Khi sử dụng loại vật liệu này chúng ta cần chú ý đến các thông số trong bảng Noise Parameter:

- Regular: tỉ lệ thay đổi

Khi dùng màu này chúng ta cần thiết lập các thông số sau:

- Soften: Sự chuyển giao mềm mại giữa hai màu

- Swap: có thể thay đổi màu ở Color#1 và Color#2

- Maps: Ấn định các hoạ đồ bitmap

2.1.1.2 Vật liệu mở rộng

Phần trên ta đã tìm hiểu được các loại vật liệu cơ bản Các vật liệu cơ bản có tính tổng quát với các thuộc tính vật lý đầy đủ Nhưng các vật liệu mở

rộng tạo ra những vật thể có chất liệu giống thật nhất Các vật liệu này được tạo ra nhờ phương pháp là lấy từ ảnh Ta thấy trong 3DSMax cung cấp cho chúng ta rất nhiều vật liệu (gỗ, gỗ ghép, gạch, đá,…) hoặc các loại ảnh đồ họa khác để làm tăng chất lượng cho vật liệu Các loại ảnh thường được sử dụng

để làm vật liệu là: bmp, jpg, tif, tga

Như vậy ta có thể chụp ảnh hoặc scan các loại vật liệu thật để dùng trong 3DSMax, hoặc chúng ta có thể vẽ chúng bằng các chương trình như Coreldraw, photoshop, Illutrator rồi xuất thành ảnh bitmap Các vật liệu này thường được sử dụng để tạo các sản phẩm có nhãn hiệu hoặc bao bì

Hình 2.1: Sử dụng chất liệu mở rộng cho sản phẩm

Nguyên tắc: Trong chất liệu sơ cấp, chất liệu mà ta chỉ thấy ở vật thể thật

ra chỉ là màu Diffuse Trong chất liệu mở rộng, màu diffuse được thay thế bằng một ảnh bitmap

Khi áp vật liệu cho vật thể chúng ta cần thực hiện các bước sau:

- Mở hộp Material Editor

- Chọn một mẫu vật liệu định các thông số cho nó:

+ Specular: Độ bóng

Hoặc bạn có thể thực hiện theo cách sau:

- Mở Modify _ Lệnh UVW Map

- Cuộn bảng lên chọn một trong các kiểu bọc vật liệu cho vật thể trong phần Mapping:

+ Planar: Bọc phẳng

+ Cylindrical: Nếu vật thể là một hình trụ

+ Spherical: Nếu vật thể là một khối cầu

+ Shrinkwan: Nếu vật thể là một khối bất kỳ

+ Box: Nếu vật thể là một khối hộp

+ Face: Nếu vật thể là một mặt phẳng

2.1.2 Các phép hiệu chỉnh

2.1.2.1 Phép hiệu chỉnh UVW Map

Các chất liệu đồ hoạ Map [24], [25] phải được sử dụng toạ độ đồ hoạ

để định vị chính xác ảnh bitmap nên một vị trí nào đó của đối tượng Toạ

độ này được gọi là UVW Map, dùng hệ toạ độ UVW thay cho hệ toạ độ XYZ Hai hệ toạ độ này giống nhau chỉ có tên gọi là khác nhau để phân biệt toạ độ cho map là UVW trong khi đó toạ độ cho đối tượng là XYZ Tại một ảnh bitmap phẳng:

- U là chiều ngang tương đương với X

- V là chiều dọc tương đương với Y

- W chỉ sử dụng với những chất liệu thủ tục

Có hai cách để tạo các toạ độ này cho đối tượng:

+ Một là kiểm tra tuy chọn General Mapping Coordirates khi tạo đối tượng đó

+ Hai là áp phép hiệu chỉnh UVW Map

Với phương pháp thứ nhất được phát sinh theo thủ tục – procedure, dựa trên khối hình học nào đang được tạo ra

Với phương pháp thứ hai cho bạn nhiều lựa chọn và chủ động hơn, ta có thể thu, phóng, xoay, lật và một số cách khác nữa mà phương pháp thứ nhất không thể thực hịên được Phép hiệu chỉnh UVW Map thường được áp dụng cho các vật thể đã hoàn tất các vật thể trong thiết kế

2.1.2.2 Phép hiệu chỉnh UVW Unwrap

Phép hiệu chỉnh UVW Unwrap dùng để áp các toạ độ ảnh map phẳng cho các tập chọn vật thể thứ cấp Nó cho phép bạn truy cập đến vị trí đỉnh của

vật thể lưới trong mối quan hệ với ảnh map Bạn có thể di chuyển các đỉnh này để điều chỉnh vị trí của ảnh map trên bề mặt của vật thể lưới

Hình 2.2: Chiếc ghế bành khi đƣợc áp phép hiệu chỉnh UVWs

Ví dụ trên thể hiện một chiếc ghế bành với một ảnh bitmap trong cửa

sổ Edit UVWs và các điểm toạ độ đỉnh của vật thể lưới đang được nhìn từ trên xuống

Với phép hiệu chỉnh này bạn có thể chọn các đỉnh và di chuyển chúng trong cửa sổ Edit UVWs sao cho vừa vặn với ảnh map Điều này rất hữu ích khi bạn cần tinh chỉnh vị trí của ảnh map trên các bề mặt

2.1.3 Ánh sáng

Có ba loại nguồn sáng được sử dụng trong 3DSMax:

2.1.3.1 Nguồn sáng Omni (nguồn sáng đẳng hướng)

Là dạng nguồn sáng điểm lan toả theo mọi hướng Nguồn sáng Omni được sử dụng tốt trong việc mô phỏng các loại ánh sáng không định hướng như: ánh sáng của mặt trời, ánh sáng của bóng đèn leon, …

Hình 2.3 Nguồn sáng omni

2.1.3.2 Nguồn sáng Stop

Là dạng nguồn sáng theo chùm, chiếu sáng từ một điểm theo hình nón, giống như ánh sáng của đèn pin soi trong đêm tối hoặc nguồn chùm sáng trên sân khấu chiếu từ một điểm và rọi sáng tập trung vào diễn viên hoặc ca sĩ,… Loại nguồn sáng này được chia làm hai loại:

+ Free Stop: nguồn sáng là một điểm và toả ra một chùm tia sáng hình nón chiếu về một hướng và không có mục tiêu nhất định

+ Target Stop: nguồn sáng là một điểm và toả ra một chùm tia sáng hình nón và chiếu vào một mục tiêu nhất định

Hình 2.4 Từ trái sang phải nguồn sáng free stop và target stop

2.1.3.3 Nguồn sáng Direct

Là nguồn sáng xa, chỉ chiếu sáng theo một trục và các tia sáng này song song với nhau Bạn có thể dùng loại này để tạo hiệu ứng của ánh sáng tia laser Nguồn sáng này được chia làm hai loại:

+ Free direct: nguồn sáng toả ra một chùm tia sáng song song chiếu về một hướng mà không có mục tiêu chiếu sáng nhất định

+ Target Direct: nguồn sáng toả ra một chùm tia sáng song song và chiếu

về một mục tiêu nhất định

Hình 2.5 Từ trái sang phải nguồn sáng free direct và target direct 2.1.4 Hiệu chỉnh nguồn sáng

2.1.4.1 Hiệu chỉnh nguồn sáng Omni

Nguồn sáng Omni là nguồn sáng đều nhau theo mọi hướng Nên khi chúng ta sử dụng nguồn sáng này trong chương trình thì bạn cần chú ý đến các thông số của nó: