RAPORT ŞTIINŢIFIC ŞI TEHNIC Etapa II (ianuarie-decembrie 2013) Titlu proiect: Sistem pentru palpare virtuală şi training avansat, diagnostic medical şi tratament (VIPsystem) Contractul de finanțare nr: 2011‐3.2‐0503 Director: Ș.L. Univ. Dr. Dan Gheonea REZUMAT ETAPĂ: A doua etapă a proiectului s-a întins pe 12 luni (ianuarie‐decembrie 2013) şi a inclus mai multe activități: Diagnosticul complex imagistic prin tomografie computerizată şi metode elastografice (activitatea 2.1), Stocarea datelor într-un sistem centralizat modular de baze de date computerizate (activitatea 2.2), Reconstrucția volumetrica tridimensională şi maparea texturilor rezultate din datele de elastografie (activitatea 2.3), Interacțiunea cu modelul tridimensional în cadrul realității virtuale (activitatea 2.4) și participarea la congrese şi diseminarea rezultatelor (activitatea 2.5). În cadrul primei activităţi am inclus conform criteriilor stabilite în cadrul primei etape un număr total de 25 pacienți (15 cu formațiuni hepatice și 10 cu tumori pancreatice) cărora le- au fost efectuate cele două investigații care furnizează date despre volumul tumoral, respectiv caracteristicile de duritate. Am efectuat astfel examinare CT și elastografie pentru acest lot, iar datele au fost stocate în cadrul bazei de date dezvoltată în cadrul activității 2.2, odată cu informații legate de identificarea acestora. A urmat apoi reconstrucția volumetrică în trei dimensiuni, pornind de la informațiile DICOM furnizate de investigarea CT și completarea acestora cu informațiile despre elasticitate. Modelul astfel obținut a fost integrat într-un mediu virtual care permite Rezultatele obținute au fost valorificate prin intermediul unui articol într-o revistă cotată ISI cu factor de impact, două articole în reviste internaționale incluse în baze de date și prin elaborarea unui rezumat, publicat de asemenea într-o revistă cotată ISI. Acesta a fost prezentat în cadrul celui mai prestigios congres mondial de gastroenterologie (Digestive Disease Week 2013, 18–21 Mai, Orlando, Statele Unite ale Americii). Astfel am asigurat diseminarea rezultatelor la un nivel comparabil cu cel de la nivelul centrelor de prestigiu de la nivelul UE.
18
Embed
RAPORT ŞTIINŢIFIC ŞI TEHNIC Etapa II (ianuarie-decembrie 2013) VIP System etapa II (2013).pdf · • Pregătirea pacienților anterior examinării o ajunare cu cel puțin 4 ore
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
RAPORT ŞTIINŢIFIC ŞI TEHNIC
Etapa II (ianuarie-decembrie 2013)
Titlu proiect: Sistem pentru palpare virtuală şi training avansat, diagnostic medical şi
tratament (VIPsystem)
Contractul de finanțare nr: 2011‐3.2‐0503
Director: Ș.L. Univ. Dr. Dan Gheonea
REZUMAT ETAPĂ:
A doua etapă a proiectului s-a întins pe 12 luni (ianuarie‐decembrie 2013) şi a inclus
mai multe activități: Diagnosticul complex imagistic prin tomografie computerizată şi metode
elastografice (activitatea 2.1), Stocarea datelor într-un sistem centralizat modular de baze de
date computerizate (activitatea 2.2), Reconstrucția volumetrica tridimensională şi maparea
texturilor rezultate din datele de elastografie (activitatea 2.3), Interacțiunea cu modelul
tridimensional în cadrul realității virtuale (activitatea 2.4) și participarea la congrese şi
diseminarea rezultatelor (activitatea 2.5).
În cadrul primei activităţi am inclus conform criteriilor stabilite în cadrul primei etape
un număr total de 25 pacienți (15 cu formațiuni hepatice și 10 cu tumori pancreatice) cărora le-
au fost efectuate cele două investigații care furnizează date despre volumul tumoral, respectiv
caracteristicile de duritate. Am efectuat astfel examinare CT și elastografie pentru acest lot, iar
datele au fost stocate în cadrul bazei de date dezvoltată în cadrul activității 2.2, odată cu
informații legate de identificarea acestora. A urmat apoi reconstrucția volumetrică în trei
dimensiuni, pornind de la informațiile DICOM furnizate de investigarea CT și completarea
acestora cu informațiile despre elasticitate. Modelul astfel obținut a fost integrat într-un mediu
virtual care permite
Rezultatele obținute au fost valorificate prin intermediul unui articol într-o revistă cotată
ISI cu factor de impact, două articole în reviste internaționale incluse în baze de date și prin
elaborarea unui rezumat, publicat de asemenea într-o revistă cotată ISI. Acesta a fost prezentat
în cadrul celui mai prestigios congres mondial de gastroenterologie (Digestive Disease Week
2013, 18–21 Mai, Orlando, Statele Unite ale Americii).
Astfel am asigurat diseminarea rezultatelor la un nivel comparabil cu cel de la nivelul centrelor
de prestigiu de la nivelul UE.
A2.1. Diagnosticul complex imagistic prin tomografie computerizată şi metode
elastografice.
Am inclus până în prezent un număr de 15 pacienți cu formațiuni hepatice și 10 pacienți
cu tumori de pancreas, care s-au conformat criteriilor de includere stabilite în cadrul etapei I:
În cazul pacienților cu tumori hepatice
• Criterii de includere
o vârsta peste 18 de ani
o dimensiunea formațiunii cuprinsa intre 1 si 7 cm astfel încât tumoarea sa fie
înconjurată de parenchim hepatic in fereastra de elastografie
o formațiune situata la o profunzime mai mica de 10 cm fata de sonda ecografica
• Criterii de excludere
o tumori profunde, de dimensiuni mari sau greu vizibile in ecografia standard
o pacienți alergici la substanța de contrast administrata la examenul computer
tomografic
o pacienți cu insuficienta renala sau hepatica severa
Pentru pacienții cu tumori pancreatice
• Criterii de includere
o Pacienți diagnosticați cu tumoră pancreatică solidă cu confirmare citologică sau
histologică
o Vârsta între 30 şi 75 de ani, bărbați sau femei
o Semnarea consimțământului informat pentru efectuarea EUS
• Criterii de excludere
o Tratament chirurgical cu intenție curativă sau chimio/radioterapie
o Pacienți diagnosticați cu tumori producătoare de mucină sau tumori chistice
În continuare, pentru toți acești pacienți au fost înregistrate datele imagistice necesare
alcătuirii modelului virtual tumoral. Am urmărit date computer tomografice și date elastografice,
necesare reconstruirii volumului tumoral dar și pentru înregistrarea caracteristicilor de
deformabilitate ale mulajului virtual.
Examinările CT se efectuează cu un computer tomograf multislice (16 spire), obţinând
astfel reconstrucţii tridimensionale, multiplanare şi volumetrice ale formațiunilor tumorale.
• Pregătirea pacienților anterior examinării
o ajunare cu cel puțin 4 ore înaintea examinării,
o hidratare corespunzătoare
o contrast oral – 500 mL cu 30/60 minute anterior examinării,
o 250–300ml de apă când pacientul se află pe masa de scanare.
• Am administrat substanța de contrast intravenosă cu o rată de 3-5 ml-sec
o cantitate netă de 100-150 ml
• Achiziția imaginilor s-a efectuat în timpul unei singure apnei, cu pacienți hiperventilaţi
anterior.
Hepatocarcinom:
• Pacienții non-cirotici:
o faza arterială, portală şi de echilibru. o Achiziție de imagini cu grosime de 5mm, cu reconstrucții fine de 1,5 mm. o Faza arterială – la 30 sec de la injectare, o Faza portală – la 80 de sec, cu o scanare a întregului abdomen o faza tardivă – la 3 min de la injectare. O fază tardivă la 10-15 min este necesară
în cazul suspiciunii unui hemangiom sau colangicarcinom. • Pacienți cu carcinom hepatocelular grefat pe un ficat cirotic
o Faza triplă.
o Pacienții cu greutate peste 80 de kg – 150 ml substanță de contrast intravenoasă
o Faza triplă include o scanare nativă a întregului ficat, o fază arterială la 30 de
sec, scanare portală la 70 de sec şi o fază tardivă la 180 sec a întregului abdomen.
Cancer pancreatic
• Secțiuni native / secțiuni postcontrast oral şi intravenos.
o Contrast oral iodat sau apa ca şi contrast negativ,
o 200 ml cu 20 de minute anterior examinării
o 400 ml pe masă.
o Achiziție de imagini în inspir profund, cu indicația ca pacienții să inspire similar
în toți timpii de explorare pentru a scana întregul parenchim pancreatic.
o Scanările native – imagini cu grosime de 5 mm şi reconstrucții de 1,5 mm.
o Faza arterială – imagini cu grosime de 2,5 mm, reconstrucții de 1,25 mm.
o Faza venoasa la 80 de sec – imagini ale întregului abdomen, cu grosime de 5
mm şi reconstrucții de 1,5 mm.
Achiziția datelor elastografice a urmat un set de etape standardizate:
o Examinarea ecografica standard si Doppler. Examenul ecografic se realizează cu ajutorul
sistemului Hitachi HI Visions Preirus (Hitachi Medical Systems Europe Holding AG, Zug,
Switzerland) cu sonda convexa cu frecventa de 8-4 MHz sau sonda ecoendoscopică.
o Se activează modulul de elastografie in timp real.
o Examinarea se realizează prin abord intercostal pentru formațiunile situate in lobul drept
hepatic si prin abord epigastric pentru formațiunile situate in lobul stâng hepatic şi prin abord
transgastric sau transduodenal pentru formațiunile pancreatice
o Examinarea se realizează in apnee postexpiratorie pentru aborda transabdominal şi fără
apnee prin EUS
o Aria de interes este setata astfel încât sa cuprindă tumora si parenchim înconjurător.
o Pentru abordul intercostal se realizează compresiuni ușoare, egale ca intensitate cu ajutorul
sondei ecografice. Pentru abordul epigastric, imaginea elastografică se obține prin mișcările
induse de bătăile cordului.
o Se înregistrează 3 filme elastografice cu durata de 10 sec.
o Pentru fiecare film se calculează histograma medie (valoarea medie a histogramelor) la
nivelul tumorii. Se obțin valori numerice.
o Pentru fiecare film se calculează strain ratio (raportul intre duritatea tumorii si a
parenchimului înconjurător). Se obțin valori numerice.
A2.2. Stocarea datelor într-un sistem centralizat modular de baze de date computerizate.
Am respectat structura deja stabilită pentru baza de date. Aceasta a cuprins o cantitate
optimă de informații pentru realizarea dezideratului, câmpurile incluse fiind cele deja convenite
în cadrul primei etape a proiectului.
Am avut astfel nevoie de:
• Datele de identificare ale pacientului
o Inițialele pacientului
o CNP
o Vârsta
o Sex
• Elastografie
o Data examinării
o Diagnostic final al tumorii stabilit prin coroborarea datelor clinice,
imagistice și histopatologice
o Dimensiunea tumorii
o Aspectul parenchimului hepatic sau pancreatic
o Clasificarea tumorii hepatice în sistemul ETLT (elasticity type of liver
tumour) în 4 tipuri posibile: A, B, C, sau D
o Histograma medie și parametrii histogramei (circumferință, arie, derivația
standard, media, procentul zonelor cu duritate înaltă, complexitatea,
procentul de dispersarea a culorilor, omogenitatea tumorii)
o Strain histogram
o Stocare DICOM standard a înregistrării elastografice
• Tomografie computerizată
o Dimensiunea tumorii
o Coordonatele localizării
o Stocare DICOM standard a înregistrării tridimensionale a tumorii
Prezentăm schematic mai jos o reprezentare a sistemului imaginat în prima etapă, așa
cum a fost el implementat în cadrul acestei activități din etapa a II-a. Datele pacienților sunt
stocate în mod dinamic în baza de date, accesibilă local prin interfața de autentificare folosindu-
se criptare locală. Aceste informații sunt oricând vizualizabile de la distanță prin interfața de
utilizator, putând fi de asemenea modificate prin interfața de administrare. Ambele tipuri de
interfețe on-line beneficiază de criptare la nivel SSL, asigurând standardul de securitate impus
de natura proiectului. Acesta este descris pe larg în paragrafele următoare.
Reprezentarea schematică a platformei on-line create pentru interacțiunea cu baza de date
Bazele de date care au stocat datele pacienților au fost securizate folosind protocoalele
Secure Socket Layer (SSL) și Transport Layer Security (TLS). Acestea sunt protocoalele de
securitate cel mai des utilizate astăzi, definind de fapt un singur protocol standardizat. Astfel,
datele au fost securizate cu ajutorul unui protocol care prevede un canal securizat intre doua
mașini care operează pe Internet sau pe o rețea internă. Sistemul de baze de date conceput
permite conectarea printr-un browser web în siguranță la un server de web de pe Internet, lucru
nesigur în mod normal care însă a fost posibil folosind protocolul SSL.
Din punct de vedere tehnic, TLS este un protocol transparent, care necesită interacțiune
minimă din partea utilizatorului final atunci când se stabilește o sesiune securizată. TLS
reprezintă astfel evoluția SSL. De obicei, SSL este utilizat pentru a securiza tranzactiile bancare,
transferul de date și datele de identificare.
Am folosit certificate SSL – mici fișiere de date la care se leagă digital o cheie
criptografică ce conține detalii ale organizației noastre. Acestea au fost instalate pe un server
de web, acesta activând lacătul și protocolul https prin portul 443, permițând conexiuni sigure
de la server-ul web ce conținea bazele de date (și deci datele pacienților) și orice browser web
folosit de către noi. Certificatele SSL au fost emise de către o Autoritate de Certificare de
încredere, provenind dintr-un certificat “root” pe 2048 de biți. Certificatul de bază este prezent
pe calculatoarele de pe care se accesează datele, pentru validarea certificatului individual. În
cazul în care s-ar încerca accesarea de pe un alt calculator, neautorizat, browser-ul prezintă un
mesaje de eroare.
A2.3. Reconstrucția volumetrica tridimensională şi maparea texturilor rezultate din
datele de elastografie.
Aceasta etapa a presupus initial realizarea primelor achizitii de date medicale de la
pacienti, cu stocarea lor intr-un format special care sa includa atat geometria anatomica cat si a
date calitative ale tesutului tumoral, in comparatie directa cu tesutul normal adiacent.
Achizitia datelor a presupus urmatoarele operatiuni specifice: tomografie pacient,
elastografie/ecografie, imagistica hibrida cu registrare CT/elastografie.
Operatia complexa de imagistica hibrida a fost realizata cu sistemul original TRIGER
dezvoltat anterior de catre echipa acestui proiect in cadrul grantului POSCCE-A2-O2.3.1 cu
titlul "Sistem inovativ pentru diagnosticul precoce, stadializarea exactă şi monitorizarea
tratamentului pacientţilor cu tumori digestive şi bronhopulmonare (TRIGER)" Contractul de
finanţare nr. 285/16.12.2010.
Imagistica hibrida presupune prezentarea simultana, in timp real, a imaginii unei zone
anatomice, obtinuta prin diverse procedee: CT, RMN, PET, EUS, EBUS, etc. Utilitatea
medicala acestei metode este data de informatia aditionala oferita, si care poate fi folosita pentru
un diagnostic mai precis sau o ghidare in timpul unei proceduri.
Trackingul electromagnetic presupune obtinerea pozitiei (distante) si orientarii
(unghiuri) unui senzor aflat intr-un camp magnetic delimitat ca volum (500x500x500mm),
relativ la generatorul de camp magnetic. Acest senzor se poate introduce in instrumente
medicale utilizate in diverse proceduri.
Pentru a utiliza trackingul electromagnetic in imagistica hibrida trebuie sa se alinieze
un volum scanat anterior (prin CT, RMN, PET, etc) cu volumul in care se efectueaza procedura
utilizand instrumentul ce contine senzorul. Cu alte cuvinte se aliniaza in timpul procedurii,
volumul scanat al pacientului cu pacientul fizic. Alinierea se numeste "registration".
Alinierea a doua volume presupune identificarea unor puncte similar pe ambele volume
si suprapunerea punctelor. Punctele identificate pot fi interne sau externe, anatomice sau
artificiale (aplicate pe pielea pacientului). Cea mai precisa metoda presupune fixarea pe pacient
a unor markeri externi inainte de scanarea CT, si care sa se pastreze si la procedura de EUS.
Erorile ce intervin in imagistica hibrida cu orientare electromagnetica:
- volumul scanat initial este diferit de volumul din timpul procedurii (țesuturile moi,
- sistemul de tracking are erori (aprox. 1mm),
- senzorul plasat in instrument poate avea erori (la, senzorul fiind un tub cu diam. de 0.3
mm si lung de 8 mm, are o eroare variabila de rotatie dupa axa tubului de pana la 10 grade,
pentru ca senzorul care este intr-un cateter se roteste diferit fata de endoscop, mai ales cand
acesta este torsionat in timpul procedurii, si o eroare de 1-2 mm translatie de-a lungul axei,
provenita tot din miscarile diferite fata de endoscop).
- erori din identificarea markerilor anatomici sau externi. La cei anatomici eroarea este
inevitabila, depinde de abilitatea medicului de a identifica o structura anatomica si pe CT si pe
EUS.
TRIGER este un sistem de imagistica hibridă care cu minime modificari poate fi utilizat
in eco-endoscopie, eco-bronhoscopie, endoscopie, colonoscopie, bronhoscopie etc., ce prezintă
pe ecran sectiunea reconstruita dintr-un stack CT sau RMN corespunzatoare pozitiei senzorului
din instrument. In prezent este particularizat pentru EUS.
Componență: un sistem de tracking electromagnetic (Aurora, NDI), un software, un
computer, un cateter cu senzor electromagnetic, un disc cu senzor electromagnetic.
Pentru utilizarea sistemului TRIGER in timpul procedurii de ecografie/elastografie a
pacientului cu tumora hepatica s-au realizat urmatoarele operatii:
a. computerul cu software-ul TRIGER s-a adus in sala de procedura eco/elastografie si
s-a conectat la ecograf printr-un cablu s-video.
b. s-a montat pe targa de procedura, bratul care sustine generatorul de camp magnetic al
AURORA astfel incat volumul campului magnetic generat sa cuprinda zona anatomica ce va fi
investigata. S-au instalat restul componentelor sistemului AURORA.
c. pacientul a fost asezat pe targa de procedura eco/elastografie,
d. s-a fixat pe proba ecografica un senzor electromagnetic de pozitie care s-a conectat la
sistemul Aurora.
e. s-a lansat in executie software-ul TRIGER care intra automat in modul Calibration,
si s-a incarcat stack-ul de sectiuni CT ale pacientului,
f. s-a identificat si s-a selectat prin click cu mouse-ul, pe stackul CT, un marker anatomic
extern (osul xifoid) si s-a plasat in acea pozitie, pe pielea pacientului, discul cu senzor.
g. s-a identificat si s-a selectat prin click cu mouse-ul, pe stackul CT, cel de-al doilea
marker. Acesta trebuie sa fie un marker anatomic intern, spre exemplu trunchiul celiac.
h. s-a selectat pe stackul CT tinta care va fi urmarita in timpul procedurii (ex: tumora ce
urmeaza a fi punctionata).
i. s-a inceput procedura de eco/elastografie asistata de sistemul TRIGER prin selectia
din menu-ul superior a butonului Settings si Operation prin care TRIGER aliniaza CT cu
volumul fizic al pacientului aflat pe targa. Fereastra de lucru a TRIGER contine 3 ecrane: stanga
sus - sectiunea virtuala CT (este o sectiune reconstruita conform pozitie instrumentului medical,
nu este o sectiune obisnuita din stackul CT), in dreapta sus este fereastra cu imaginea
elastografiei preluata prin cablu s-video de la ecograf, si in stanga jos, un model 3D al anatomiei
reconstruit dupa stack-ul CT.
j. In acest moment sistemul TRIGER este functional, s-a realizat o prima calibrare, dar
intra automat in modul Calibration cu CT blocat pentru a da posibilitatea medicului sa identifice
si ce-l de-al doilea marker intern, adica trunchiul celiac. Medicul incepe procedura elastografiei
si in momentul in care identifica pe ecranul de eco o imagine "identica" cu cea de CT blocata,
deblocheaza sistemul. In acest moment TRIGER recalculeaza alinierea volumelor adaugand
un offset translatie+rotatie si trece in modul Operation, prezentand in timp real in ecranul din
stanga sus, imaginea CT reconstruita corespunzatoare celei de eco din dreapta.
k. S-au inregistrat succesiv scanari ale tumorii prin elastografie impreuna cu sectiunea
CT virtuala corespunzatoare, reconstruita in stanga ecranului.
Aceste sectiuni seriate prin tumora CT-elastografie permit maparea pe zona tumorala a codului
de culori obtinut la elastografie, deci a proprietatilor elastice ale tesutului tumoral. Informatia
este strict calitativa, prin comparatie cu elasticitatea/rigiditatea tesutului invecinat. Din
literatura de specialitate s-au obtinut informatii cantitative pentru intrepretarea codului de culori,
respectiv a modulului de elasticitate a tesutului hepatic normal si tumoral.
Prin identificarea conturului ficatului si a zonei tumorale pe fiecare sectiune din stackul
CT s-a realizat utilizand SolidWorks un model tridimensional care apoi a fost exportat intr-un
program de calcul prin metoda elementelor finite Ansys. In cadrului programului Ansys au fost
realizate primele simulari ale palparii ficatului in zona formatiunii tumorale cu bune rezultate
privind raspunsul elastic al structurii cu evidentierea tesutului tumoral.
Acest model elastic va fi transferat in etapa urmatoare catre manusa cu interfata haptica prin
intermediul unui modul software de interfata ce va calcula in timp real raspunsul structurii la
operatia de palpare.
Diagrama activitatilor etapei II
Activitatea 2.4 Interacţiunea cu modelul tridimensional în cadrul realităţii virtuale
Identificarea particularităților anatomice și fiziologice ale sistemului senzorial tactil utilizate în
proiectarea și realizarea sistemului haptic
Utilitatea dispozitivelor haptice constă în faptul că utilizatorul reușește să cunoască
mediul cu care interacționează prin contactul direct, fizic cu mediul.
In esență, prin contactul tactil, utilizatorul identifică două tipuri de informații:
• Informații primare – identificate direct de sistemul senzorial tactil:
- Existența corpului de contact
- textura suprafeței de contact
- consistența suprafeței de contact
• Informații complementare – identificate în conjuncție cu mișcarea mâinii:
- forma corpului de contact
- volumul corpului de contact
- greutatea corpului de contact
- caracteristicile mediului în care se află corpul de contact, privind umiditatea,
vibrații, temperatura, presiune, eventual pH-ul
- modul în care corpul de contact reacționează mecanic (forțe de rezistență,
moment de torsiune) cu mediul in care acesta din urma este integrat
Din punct de vedere al explorării tactile au fost identificate o serie de mișcări standard
– proceduri exploratorii, care permit achiziția atât a informațiilor primare, cât și a informațiilor
complementare (S. J. Lederman and R. Klatzky ,1987; S. J. Lederman and R. L. Klatzky,1996):
Procedura
explorator
ie
Proprieta
tea
explorata
Descriere: Descriere
grafica
Gradul de identificare a proprietatii obiectului explorat
Textura Consist
enta
Temper
atura
Greut
atea
Volum
ul
Forma
globala
Forma
exacta
Mișcare
laterala
Textura
suprafetei
Mâna
executa
mișcări
circulare
exploratorii,
producând
forte reduse
de frecare cu
suprafața
explorata
2 1 1 0 0 0 0
Mișcarea
de apăsare
Existenta
obiectului,
elasticitate
,
consistent
a
Mâna apasă
corpul
explorat în
vederea
determinării
consistentei
acestuia
1 2 1 0 0 0 0
Contactul
static
Temperatu
ra
Mâna este în
contact cu
obiectul fără
a imprima
vreo mișcare
1 0 2 0 1 1 0
Mișcări de
ridicare-
coborâre
ale
obiectului
Greutate Mâna ridica,
coboară
obiectul, fără
a beneficia
de un suport
extern
0 1 1 2 1 1 0
Cuprindere
a obiectului
Volumul
obiectului,
forma
globala
Mâinile
cuprind
forma
obiectului
fără a ii
imprima vreo
deformare
1 1 1 1 2 2 0
Mișcarea
de urmărire
a
conturului
obiectului
Forma
exacta
Mâna
explorează
prin atingere
(cu o forța
constantă)
întreaga
suprafață a
obiectului
sau muchiile
acestuia.
1 1 1 1 1 1 3
Din analiza acestor proceduri exploratorii se poate concluziona faptul că
extragerea/recreerea informației haptice este dependenta atât de sistemul senzorial anatomic de
care dispune subiectul uman, dar și de completarea dinamică pe care mișcările mâinilor
contribuie la recreerea conceptuală a mediului explorat.
Identificarea sistemului senzorial anatomic și a particularităților acestuia trebuie
realizată urmărindu-se o separare a senzorilor statici și dinamici axându-ne în special pe
localizarea și dimensiunea perceptuală a sistemului senzorial tactil uman.
Astfel sunt identificați receptori tactili punctuali dinamici (FA I) și statici (SA I),
respectiv receptori tactili de suprafața dinamici (FA II) și statici (SA II) (Phillips, J. and Johnson,
K. O. 1981;Johansson RS, Landström U, Lundström R.,1982).
Tipul
receptorului
Diametrul suprafeței
senzoriale
Domeniul de
frecventa
Proprietatea senzorială
identificată
FA I 3 – 4 mm 10 – 60 Hz Elasticitatea locală
SA I 3 – 4 mm CC – 30 Hz Forta compresiva –
curbura
FA II > 20 mm 50 – 1000 Hz Vibrațiile
SA II > 10 mm CC – 15 Hz Gradientul de
elasticitate
Localizarea acestora la nivelul subiectului uman și principalele caracteristici senzoriale
sunt prezentate în figura următoare (Vallbo AB, Johansson RS.,1984):
Modul în care amprenta unui obiect explorat este percepută de sistemul senzorial uman
este principalul element de la care trebuie pornită proiectarea si realizarea unui sistem haptic
eficient. În acest sens modul în care este perceput alfabetul Braille conduce la concluzia că
utilizarea unor elemente actuatorice virtuale care să recreeze senzatia tactilă de contact cu un
corp, trebuie obligatoriu să se bazeze pe suprafețe reactive și nu pe sisteme reactive punctuale
(Phillips JR, Johansson RS, Johnson KO., 1990)
.
O altă direcție perceptual tactilă este datorată modalității de prindere a obiectelor supuse
interacțiunii. Prinderea fermă, minimală, dar exploratorie, necesită minim 3 puncte de contact.
Informațiile pe care această acțiune le oferă subiectului investigator sunt:
- informațiile statice, referitoare la suprafețele de contact – elasticitate, duritate, reactivitate
locală
- informațiile dinamice referitoare la forma și consistența obiectului explorat.
(Pont, S.C., Kappers, A. M. L., Koenderink, J.J.,1999)
Cele 3 puncte de contact permit
identificarea formei/curburii
corpului cercetat în două moduri:
- un mod de tip referință locală –
contactul degetelor laterale cu
corpul explorat oferă, prin
amprenta suprafeței de contact,
informații privind curbura locală a
corpului, lungimea suprafeței
cuprinse între punctele de contact,
elasticitatea locală a corpului
- un mod de referință relativ la
punctele de contact laterale, cât
informația referitoare la corpul
investigat este raportată la nivelul
considerat ca referință al celor două
puncte de contact laterale
Concluzii
Sistemul haptic ce urmează a fi dezvoltat va trebui să:
- ofere stimuli reactivi la nivel de suprafață
- asigure excitarea reactivă la nivelul receptorilor nervoși punctuali FA I și SA I,
respectiv receptorilor nervoși de suprafață SA II și FA II
- interacționeze dinamic cel puțin pentru procedurile exploratorii standard, în vederea
recreerii realiste a mediului real.
Studiile orientate spre utilizarea dispozitivelor haptice în medicină, realizate în ultima
perioadă, au cuprins două direcții majore:
- realizarea unui dispozitiv haptic care să permită investigarea medicală minimal invazivă,
respectiv utilizarea de sisteme hipersensibile care să ofere suficiente informații pentru a ajuta
medicul să facă diferența cu o mare probabilitate, între țesutul, organul sănătos și cel bolnav
- realizarea unui dispozitiv haptic care să permită antrenarea medicilor, în condiții cvasi-
reale, utilizând mediul virtual, astfel încât aceștia să poată localiza cu succes, în condiții reale,
zona bolnavă.
Primul tip de dispozitiv haptic – sistem haptic de investigație sau sistem haptic investigator,
impune următoarele elemente definitorii:
• Încarcare hardware redusă – scopul acestui desiderat este ca efortul tehnologic să se
concentreze spre minima încărcare a medicului, în cadrul procedurii de investigare,
pentru a nu transmite informații eronate privind elasticitatea, la contact , a zonei
explorate
• Sistem senzorial extern hipersensibil, în special sistem senzorial compliant (de
contact) avansat. Rolul acestei componente este de a permite colectarea
informațiilor senzoriale, cu o precizie și sensibilitate senzorială mult mai mare decât
o poate face medicul investigator
• Software avansat care pe baza informațiilor primite de la sistemul senzorial să
interogheze o bază de date care cuprinde elemente definitorii referitoare la zonele
explorate, astfel încât anomaliile să poată fi încadrate, cu un grad de încredere
ridicat, în patologie sau în particularități fiziologice.
• Respectarea unor protocoale cinematice de investigare care să permită calibrarea
informațiilor achiziționate senzorial la setul de informații stocate în cadrul bazei de
date cu patologie
Cel de-al doilea tip de sistem haptic, sistemul haptic de antrenament, care face obiectul
prezentei cercetări impune un set de elemente definitorii, elemente care parțial se pot suprapune
cu cele ale sistemului haptic investigator:
• Încarcare hardware redusă – sistemul haptic tebuie să intervină cât mai puțin, prin
încarcarea suplimentară pe care o conferă structura haptică (greutate, sistemul de
prindere pe mâna medicului ce urmează a fi antrenat) în activitatea de antrenare a