Ứng dụng Công nghệ mô phỏng Thực tại ảo 3D xây dựng hệ thống hỗ trợ công tác giảng dạy, học tập, nghiên cứu cho Sinh viên và Giảng viên khối ngành khoa học sức khỏe

CHƯƠNG TRÌNH TRI THỨC TRẺ VÌ GIÁO DỤC THUYẾT MINH CÔNG TRÌNH SÁNG KIẾN CUỘC THI TRI THỨC TRẺ VÌ GIÁO DỤC Tên công trình: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MÔ PHỎNG THỰC TẠI ẢO 3D XÂY DỰNG HỆ THỐNG H

CHƯƠNG TRÌNH TRI THỨC TRẺ VÌ GIÁO DỤC

THUYẾT MINH CÔNG TRÌNH SÁNG KIẾN CUỘC THI

TRI THỨC TRẺ VÌ GIÁO DỤC

Tên công trình:

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MÔ PHỎNG THỰC TẠI ẢO 3D XÂY DỰNG HỆ THỐNG HỖ TRỢ CÔNG TÁC GIẢNG DẠY, HỌC TẬP, NGHIÊN CỨU CHO SINH VIÊN VÀ GIẢNG VIÊN KHỐI NGÀNH KHOA HỌC SỨC KHỎE

Nhóm tác giả:

1 Lê Văn Chung (0905512643, levanchung@duytan.edu.vn)

2 Trịnh Hiệp Hòa (0932444815, trinhhiephoa@duytan.edu.vn)

3 Lê Khắc Triều Hưng (0984131390, hunglkt@gmail.com)

4 Nguyễn Minh Đức (091694846234, minhduct4@gmail.com)

5 Nguyễn Lương Thọ (0906532634, nguyenluongthopro@gmail.com)

Đơn vị công tác: Đại học Duy Tân

Địa chỉ: K7/25 Quang Trung, Thành phố Đà Nẵng

Ngày tháng thực hiện: 08/2016

Đà Nẵng, 2016

THUYẾT MINH CÔNG TRÌNH, SÁNG KIẾN CUỘC THI TRI THỨC TRẺ VÌ GIÁO DỤC

I THÔNG TIN CHUNG VỀ CÔNG TRÌNH, SÁNG KIẾN

1 Tên công trình, sáng kiến:

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MÔ PHỎNG THỰC TẠI ẢO 3D XÂY DỰNG HỆ THỐNG HỖ TRỢ CÔNG TÁC GIẢNG DẠY, HỌC TẬP, NGHIÊN CỨU CHO SINH VIÊN VÀ GIẢNG VIÊN KHỐI NGÀNH KHOA HỌC SỨC KHỎE

2 Lĩnh vực khoa học:

3 Chủ nhiệm công trình, sáng kiến

Họ và tên: LÊ VĂN CHUNG

Tên tổ chức đang công tác: Trường Đại học Duy Tân

Địa chỉ tổ chức: K7/25 Quang Trung, Đà Nẵng, Việt Nam

Điện thoại: 05113.827111 – Fax: 05113.650443

4 Thành viên cùng tham gia thực hiện công trình, sáng kiến

TT Họ và tên,

học hàm học vị

Tổ chức công tác

Công việc tham gia

Ngày tháng năm sinh

1 ThS Lê Văn Chung Đại học Duy Tân Lập trình, Quản lý 12/12/1982

4 ThS Nguyễn Minh Đức Đại học Duy Tân Lập trình Mobile 02/11/1986

II MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG ÁN THỰC HIỆN CÔNG TRÌNH

1 Mục tiêu của công trình, sáng kiến

Xây dựng ứng dụng công nghệ thực tại ảo 3D nhằm hỗ trợ công tác giảng dạy, tra cứu

và học tập cho sinh viên và giảng viên khối ngành Khoa học sức khỏe

2 Tình trạng công trình

 Mới

 Kế tiếp nghiên cứu của người khác

3 Tổng quan tình hình nghiên cứu, luận giải về mục tiêu và những nội dung nghiên cứu của công trình, sáng kiến

3.1 Đánh giá tổng quan tình hình nghiên cứu của công trình, sáng kiến:

 Ngoài nước:

- Có nhiều công ty phát triển, xây dựng các dự án về cơ thể ảo như: Innerbody, Healthline Media, Visible Body, Khana cademy trong đó nổi bậc nhất là Human Anatomy Atlas

- Tuy các sản phẩm của các nhà sản xuất này khá đầy đủ và qui mô nhưng được thiết kế mô phỏng trên người nước ngoài, phương Tây và ngôn ngữ thể hiện là tiếng Anh trong khi đó, ngoại ngữ là rào cản lớn cho sinh viên Việt Nam trong việc tiếp cận các bài giảng nước ngoài

Các sản phẩm của nước ngoài tương đối đắt đỏ và không tùy biến khi thiết kế theo một tình huống bài giảng (case study) cụ thể nào Hoặc các mặt cắt lớp không được tùy biến giúp người học nhìn thấy tổng quan hơn

 Trong nước :

- Trước đây ở Việt Nam có vài đơn vị nghiên cứu triển khai hệ thống này nhưng chưa phát triển hoàn thiện, đáng kể đến là Viện Công nghệ Thông tin thuộc Viện Hàn Lâm khoa học Việt Nam đã phát triển dự án thực tại ảo về cơ thể người nhưng đến nay chỉ làm Hệ Xương (chưa hoàn thiện)

- Hiện nay ở Việt Nam, việc xây dựng phần mềm ứng dụng trong ngành y tế còn có nhiều hạn chế, vẫn là mảng đang bị bỏ ngỏ, chưa có đầu tư nào thích đáng Tương tự, những ứng dụng về mô phỏng trong chẩn đoán bệnh hoặc luyện nghề của các trường học và các trung tâm y tế còn nghèo nàn

Đây thực sự là bài toán được đặt ra cho các trường Đại học, các nhà phát triển phần mềm và các bệnh viện, Bộ Y tế cần phối hợp lại với nhau để tạo ra được các sản phẩm ứng dụng liên ngành có giá trị cao trong đào tạo cũng như luyện nghề

3.2 Luận giải về việc đặt ra mục tiêu và những nội dung cần nghiên cứu của công trình, sáng kiến

Ở nước ta việc giảng dạy và học tập môn Giải phẫu vẫn còn tình trạng giảng chay, thiếu điều kiện thực hành quan sát Đây là môn học mô tả các chi tiết cấu tạo cơ thể nên cần có nhiều phương tiện hỗ trợ như xác, xương rời, tiêu bản, tranh, mô hình Các trường đại học, cơ sở đào tạo đều cho sinh viên học trên các mô hình, tranh, tuy nhiên số lượng

mô hình rất ít so với số lượng người học bởi lẽ chi phí cho một mô hình này quá đắt, chi phí lớn nên đầu tư ít hệ quả là các phòng thực hành về giải phẫu luôn quá tải

Hình 1: Sinh viên Y khoa thực hành trên xác

Chỉ có xác là phương tiện trực quan tốt nhất giúp cho người học có thể xác định được từng chi tiết cơ thể một cách đầy đủ, chính xác Chỉ khi hiểu được cấu trúc cơ thể bình thường mới nhận ra được các biến đổi bất thường do bệnh hoặc chấn thương gây ra

Vì vậy, kiến thức về giải phẫu rất cần cho tất cả các thầy thuốc lâm sàng

Tuy nhiên, xác rất khó kiếm vì hiến xác là vấn đề tình cảm, phong tục, rất nhạy cảm có người hiến xác nhưng đến khi họ mất gia đình không báo cho trường đến nhận xác, có thể do vấn đề tâm linh người nhà muốn thân nhân mồ yên mả đẹp, hay vì lý do nào đó mà họ không làm theo nguyện vọng của người đã mất Để có một thi thể phục vụ nghiên cứu không hề đơn giản Các giảng viên và những y công phải trải qua một quá

trình xử lý xác đầy vất vả Sau khi người hiến qua đời, trường sẽ tiếp nhận thi thể trong

24 giờ thi thể được đưa vào trường, xử lý sạch sẽ trước khi tiêm hóa chất trong hai ngày Sau đó thi thể được ngâm vào bể formol tối thiểu 6 tháng mới có thể dùng để học tập, nghiên cứu

Ngày nay, thực hành trên động vật cũng bị hạn chế bởi quyền giết mổ động vật Hiện nay ở Việt Nam, việc xây dựng phần mềm ứng dụng trong ngành y tế còn có nhiều hạn chế, vẫn là mảng đang bị bỏ ngỏ, chưa có đầu tư nào thích đáng Tương tự, những ứng dụng về mô phỏng trong chẩn đoán bệnh hoặc luyện nghề của các trường học

và các trung tâm y tế còn nghèo nàn

Trong giảng dạy và nghiên cứu, việc tìm kiếm bệnh nhân có bệnh quan tâm là vấn

đề khó Bởi chúng ta không dễ kiếm bệnh nhân có bệnh nào đó, và ngay trong trường hợp

có thì khoảng cách về địa lý cũng chưa chắc cho ta tiếp cận với bệnh nhân có loại bệnh ta quan tâm Vậy câu hỏi đặt ra là ta có thể tạo dựng bệnh nhân ảo, và bệnh nhân này có được các bệnh mà ta mong muốn? Làm được như vậy, chúng ta sẽ có được kho dữ liệu

về các loại bệnh, được thể hiện mô hình bệnh nhân ảo

Trên cơ sở sự phát triển của phần cứng máy tính, các kỹ thuật đồ hoạ máy tính và Thực tại ảo, hệ thống đào tạo y học trên bệnh nhân ảo đã dần trở thành hiện thực, giảm bớt được những vấn đề nan giải của lĩnh vực này 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,… 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 2: Mô phỏng về hệ Cơ và Xương trên công nghệ 3D

4 Nội dung xây dựng và triển khai thực tế của công trình và phương án thực hiện 4.1 Nội dung 1: Xây dựng hoàn thiện hệ thống mô phỏng 3D thực tại ảo về hệ

Xương của cơ thể người phục vụ giảng dạy và học tập cho khối khoa học sức

khỏe

Mô tả:

 Hệ xương gồm 254 mô hình xương, được chia thành các nhóm giải phẫu mẫu (sọ, cột sống, lồng ngực, tứ chi và chậu, hoặc cả bộ xương) Trên mỗi xương được mô tả chi tiết các mốc giải phẫu quan trọng trên đó

 Được thẩm định bởi chuyên gia đầu ngành về giải phẫu của ĐH Y Khoa Huế, ĐH

Y Hà Nội, nhằm đảm bảo tính chính xác trong giải phẩu hệ xương của cơ thể người

Đặc điểm:

 Mỗi xương đều có tên gọi tiếng Việt, tên khoa học, tên tiếng Anh, và mô tả cụ thể

về xương đó Xương được vẽ đo đạc chính xác về kích thước hình dáng khối, bề mặt được mô tả rất kỹ cả về độ khối lẫn màu sắc Các chi tiết giải phẩu được thể hiện bởi nhiều pin(ghim) cũng mang đầy đủ các tên gọi và mô tả ngắn gọn về pin đó

Hình 3: hệ Xương được mô phỏng trực quang trên môi trường 3D

 Các khớp xương đều có đầy đủ các dây chằng để gắn kết các xương

 Về nhóm, ngoài các nhóm mẫu thì người dùng có thể tùy tạo các nhóm theo cách riêng của họ, và đặt các tên gọi cũng như mô tả các nhóm đó Các nhóm có thể được tạo thành từ các mô hình ở nhiều hệ khác nhau hoặc trong cùng một hệ

 Ngoài ra, còn có mối liên hệ với nhiều nhóm mặt cắt khi đó người dùng sẽ có thể xem các khối mặt cắt liên quan

 Tỉ lệ chính xác có thể in 3D trực tiếp từ model

 Người dùng có thể click chọn vào một vị trí xương bất kỳ để xem thông tin giải phẩu của chiếc xương đó Có 3 khung nhìn cho mỗi chiếc xương, khung nhìn toàn bộ hệ xương, khung nhìn cho nhóm xương chứa chiếc xương đã chọn và khung nhìn của riêng chiếc xương đó Thông tin chiếc xương có thể được thay đổi trên form hiển thị thông tin

và lưu trở lại vào database

 Người dùng có thể xem chi tiết từng điểm trên mỗi chiếc xương bằng các thao tác zoom, rotate…Cách xem này giúp việc quan sát từng phần của chiếc xương được dễ dàng hơn so với việc sử dụng những chiếc xương bằng nhựa hay silicon

 Có thể xem từng phần của những nhóm xương dính liền nhau chẳng hạn như xương hộp sọ mà không cần phải tháo rời chúng ra

 Giảng viên có thể thay đổi thông tin trên hệ xương để trình chiếu cho phù hợp với bài giảng của mình một cách dễ dàng

 Sản phẩm này chạy được trên các máy desktop và thiết bị di động hệ điều hành iOS (Iphone, iPad) Xem được ở chế độ 2D, 3D

4.2 Nội dung 2: Xây dựng hoàn thiện hệ thống mô phỏng 3D thực tại ảo về hệ Cơ

của cơ thể người phục vụ giảng dạy và học tập cho khối ngành Khoa học sức khỏe

Mô tả:

Hệ cơ bao gồm 519 mô hình cơ, được chia thành các nhóm giải phẫu mẫu (cơ vùng đầu, các cơ vùng hầu-cổ, cơ chi trên, cơ chi dưới, phần cơ ngực – bụng, phần cơ lưng-vai, hoặc cả bộ cơ) Trên mỗi cơ được mô tả chi tiết các mốc giải phẫu quan trọng trên đó

Hình 4: hệ Cơ được mô phỏng trực quang trên môi trường 3D

Đặc điểm:

 Mỗi cơ đều có tên gọi tiếng Việt, tên khoa học, tên tiếng Anh, và mô tả cụ thể về

cơ đó Cơ được vẽ chính xác về kích thước hình dáng khối, các đầu bám (nguyên ủy, bám tận), bề mặt được mô tả rất kỹ cả về độ khối lẫn màu sắc

 Các nguyên ủy, bám tận cơ được vẽ rất rõ ràng và mang đầy đủ tên gọi cũng như

mô tả của nó Tại đây được xây dựng các mối liên kết giữa cơ-xương-cơ bám xương

 Về nhóm, ngoài các nhóm mẫu thì người dùng có thể tùy tạo các nhóm theo cách riêng của họ, và đặt các tên gọi cũng như mô tả các nhóm đó Các nhóm có thể được tạo thành từ các mô hình ở nhiều hệ khác nhau hoặc trong cùng một hệ

 Sản phẩm này chạy được trên các máy desktop và thiết bị di động hệ điều hành iOS (Iphone, iPad) Xem được ở chế độ 2D, 3D

4.3 Nội dung 3: Xây dựng hoàn thiện hệ thống mô phỏng 3D thực tại ảo về hệ

Thần Kinh của cơ thể người phục vụ giảng dạy và học tập cho khối ngành Khoa học sức khỏe

Mô tả:

Hệ thần kinh bao gồm 200 mô hình, được chia thành 2 nhóm chính: 160 mô hình

về các dây thần kinh chính và 40 mô hình chi tiết của não và tủy sống Các mô hình về dây thần kinh còn được phân cấp về các nhánh nhỏ hơn Mỗi chi tiết mô hình điều được

mô tả các mốc giải phẫu quan trọng bằng pin và các khoanh vùng

Hình 5: hệ Thần Kinh được mô phỏng trực quang trên môi trường 3D

Đặc điểm:

Mỗi dây thần kinh chính và các chi tiết não, tủy sống đều có tên gọi tiếng Việt, tên khoa học, tên tiếng Anh, và mô tả cụ thể về mô hình chi tiết đó Các dây thần kinh chính được vẽ chính xác về kích thước, vị trí từ vị trí xuất phát cho đến vị trí cuối cùng tới các

cơ quan Đặc biệt các dây thần kinh ở não, được luồn chính xác vào các hốc, lỗ trên xương sọ Đồng thời, mỗi nhánh thần kinh chính còn được chia ra rất nhiều các nhánh thần kinh nhỏ, đảm bảo tính đúng đắn của mô hình Các chi tiết, mốc giải phẫu trên các

mô hình chi tiết của não và tủy sống được dánh dấu, miêu tả rất rõ rang và mang đầy đủ tên gọi, mô tả của nó

4.4 Nội dung 4: Xây dựng hoàn thiện hệ thống mô phỏng 3D thực tại ảo về hệ

Tiêu hóa của cơ thể người phục vụ giảng dạy và học tập cho khối ngành Khoa học sức khỏe

Hình 6: Hệ Tiêu hóa được mô phỏng trực quang kết hợp với Xương

Hình 7: Hệ Tiêu hóa được mô phỏng trực quang kết hợp với các mạch máu

4.5 Nội dung 5: Xây dựng hoàn thiện hệ thống mô phỏng 3D thực tại ảo về Cơ thể

người (hệ Xương, hệ Cơ, hệ Thần kinh, hệ Tiêu hóa, ) chạy trên thiết bị di động ( smart phone, tablet, ) phục vụ nghiên cứu giảng dạy và học tập, chủ động trong việc tra cứu và thực hành thực tập

Hình 8: Phối cắt lớp được mô phỏng 3D trực quang

Hình 9: Hệ Tiêu hóa được mô phỏng trực quang

Dựa trên các sản phẩm 3D hiện có chúng tôi phát triển hệ thống phần cứng điều khiển và tương tác trực tiếp với mô hình 3D này, giúp cho sinh viên làm quen với việc thực hành trên các thiết bị nội soi và thực hành giải phẫu

Hình 10: Mô phỏng nội soi phổi 3D

Cách thức sử dụng trong giảng dạy:

- Hình thức 1: hình thức học qua 2D, các phòng máy tính của trường đều được cài

đặt ứng dụng này ở chế độ 2D Mỗi sinh viên một máy và tự nghiên cứu dưới sự hỗ trợ

của giảng viên

- Hình thức 2: hình thức học qua 3D trực quan, Giảng viên và sinh viên được học

tại phòng Studio có trang bị hệ thống chiếu 3D Phương pháp này trực quan, sinh động, giảng viên sẽ sử dụng air-mouse để giảng dạy cho sinh viên trong khi sinh viên được trang bị kính 3D

5 Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng

5.1 Cách tiếp cận:

Để tiếp cận được vấn đề chúng ta phải đặt ra các câu hỏi và phải trả lời:

- Tại sao phải phát triển khi đã có mô hình ở phòng thí nghiệm?

Như đã nói ở trên hầu hết các trường Các trường Đại học, Cơ sở đào tạo đều cho sinh viên học trên các tiêu bản, mô hình, tranh, tuy nhiên số lượng mô hình rất ít so với

số lượng người học bởi lẽ chi phí cho một mô hình này quá đắt, chi phí lớn nên đầu tư ít

hệ quả là các phòng thực hành về Giải phẫu luôn quá tải

- Tại sao phải phát triển khi có thể học trực tiếp trên xác?

Xác rất khó kiếm vì hiến xác là vấn đề tình cảm, phong tục, rất nhạy cảm… Để có một thi thể phục vụ nghiên cứu không hề đơn giản Các giảng viên và những y công phải trải qua một quá trình xử lý xác đầy vất vả như đảm bảo các yếu tố về việc lưu trữ trong

bể formol trong ít nhất 06 tháng trước khi dùng để học tập, nghiên cứu

Việc nghiên cứu học tập trên động vật không thay thế được hoàn toàn trên xác người, bên cạnh đó quyền giết mổ động vật cũng đang dần bị hạn chế

- Tại sao phải phát triển khi có thể dùng của Human Anatomy Atlas?

Mặc dù trên thế giới có nhiều hãng phát triển sản phẩm này, đặc biệt là của Human Anatomy Atlas rất nổi tiếng Tuy nhiên với việc sử dụng sản phẩm của Human Anatomy là chỉ Atlas (chỉ có các mặt hình ảnh) không có các mặt cắt

Các bài giảng không được thiết kế riêng cho từng case study, không tùy biến sửa đổi dữ liệu, nội dung

Đặt biệt ngôn ngữ là tiếng Anh là một rào cản lớn cho sinh viên Việt Nam