3D技術(shù)：讓傷痛輕些再輕些

本報(bào)記者 霍娜
如今，3D不僅僅可以用來看電影、賣樓盤、觀世博。在神圣、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)纳茖W(xué)領(lǐng)域， 3D技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣泛：華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院的疼痛治療專家正在使用一種SnowWorld 3D虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)轉(zhuǎn)移患者對疼痛的注意力，而新西蘭奧克蘭市立醫(yī)院的胸外科手術(shù)專家也在應(yīng)用3D技術(shù)建模、分析優(yōu)化治療心力衰竭的新方法——心臟泵……
用3D虛擬技術(shù)來重構(gòu)整個世界，這是全球 3D 技術(shù)和產(chǎn)品全生命周期管理解決方案提供商達(dá)索系統(tǒng)的CEO Bernard Charlès，在近日上海舉行的達(dá)索系統(tǒng)2010年P(guān)LM峰會上表達(dá)的愿景。
建模與設(shè)計(jì)、試驗(yàn)與分析、演示與互動，3D技術(shù)的應(yīng)用在今時今日已不可小覷。我們不僅可以看3D電影和3D版世界杯的轉(zhuǎn)播，就在與我們的生命息息相關(guān)的生命科學(xué)領(lǐng)域，，3D技術(shù)的應(yīng)用也在日益推廣、加深。
3D虛擬雪景游戲
減輕燒傷者的治療之苦
燒傷患者在接受治療的時候，除了要忍受受傷初期的傷痛，還要忍受后續(xù)傷口護(hù)理所帶來的疼痛。為了緩解這種疼痛，華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院的疼痛治療專家正在使用一種由醫(yī)生開發(fā)、借助3DVIA Virtools構(gòu)建的SnowWorld 3D虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)游戲，來轉(zhuǎn)移患者對疼痛的注意力。
華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院的虛擬現(xiàn)實(shí)研究員Hunter Hoffman博士以及疼痛與催眠專家Dave Patterson博士，采用視頻游戲技術(shù)在1998年共同開發(fā)了SnowWorld的第一個版本。SnowWorld能夠把燒傷患者的注意力吸引到了一個冰雪峽谷，那里雪花紛飛，患者可以堆雪人、打雪仗。
Hoffman表示：“SnowWorld的良好效果得益于它可以令人身臨其境地感受到冰雪峽谷。對于燒傷患者而言，看著護(hù)士處理他們裸露的燒傷創(chuàng)口并不是一種愉快的經(jīng)歷，特別是對孩子來說。讓他們沉浸在SnowWorld里，可以讓他們暫時脫離現(xiàn)實(shí)世界，轉(zhuǎn)移他們對疼痛的注意力?！?br /> 雖然SnowWorld初見成效，但研究人員感覺如果能夠讓患者更加深入地沉浸在這樣的環(huán)境中，可進(jìn)一步減輕疼痛。于是，Hoffman和 Patterson轉(zhuǎn)而求助于華盛頓大學(xué)的Howard Rose和Ari Hollander，并申請使用該大學(xué)的人機(jī)界面技術(shù)(HIT)實(shí)驗(yàn)室。
Hollander是3D浸入式技術(shù)方面的專家，而Rose則擅長設(shè)計(jì)虛擬環(huán)境。他們共同創(chuàng)建了Firsthand Technology——一家以“讓技術(shù)為人類服務(wù)”為宗旨的嚴(yán)肅游戲(serious game)公司。該公司還開發(fā)其他類型的技術(shù)應(yīng)用，既有治療嚴(yán)重創(chuàng)傷后遺癥的應(yīng)用，也有醫(yī)療場景培訓(xùn)應(yīng)用。此外，他們還進(jìn)行軟件界面優(yōu)化，以增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中聽覺、觸覺和視覺的真實(shí)感。
Hollander表示：“我們原來是用其他軟件應(yīng)用來開發(fā)SnowWorld的各個版本的，但我們需要更加靈活的軟件。于是，我們選擇了達(dá)索系統(tǒng)提供的3DVIA Virtools重新開發(fā)了SnowWorld，使其更加便于修改。3DVIA Virtools的靈活性讓SnowWorld的開發(fā)人員能夠更加簡易靈活地測試各種實(shí)驗(yàn)的假設(shè)，發(fā)現(xiàn)更好控制疼痛的相關(guān)因素。以Hoffman要求我們變換視場范圍為例，如果在其他的平臺上我們需要花費(fèi)大量的時間，但借助3DVIA Virtools，我們可以既快又好地進(jìn)行微調(diào)。”
3DVIA Virtools的優(yōu)勢之一是便于非編程人員使用。Rose表示：“我可以把我的構(gòu)思直接變?yōu)閷?shí)踐。使用3DVIA Virtools，我們不再需要一大群編程人員，一個靈活的小團(tuán)隊(duì)就能做很多事情。Firsthand是一家小公司，Virtools讓我們能夠開發(fā)出各種技術(shù)應(yīng)用，滿足我們客戶各種各樣的需求。”
3DVIA Virtools的渲染功能讓設(shè)計(jì)人員能夠開發(fā)出動態(tài)著色效果和角色動畫，這是3DVIA Virtools在眾多類似價(jià)格的虛擬現(xiàn)實(shí)解決方案中獨(dú)樹一幟的地方。Rose表示：“使用3DVIA Virtools，我們能夠使用顆粒、著色和細(xì)致的紋理來實(shí)現(xiàn)非常逼真的體驗(yàn)?！?br /> Hoffman說：“在由3DVIA Virtools開發(fā)的SnowWorld里，雪花看上去就跟真的一樣”，強(qiáng)烈的逼真感可以令人感覺身臨其境，從而提高減輕疼痛的效果。“這款軟件充分利用了目前計(jì)算機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度加快的優(yōu)勢，3D的應(yīng)用空間顯著增強(qiáng)。”
編程速度是另一項(xiàng)關(guān)鍵優(yōu)勢。Hollander表示：“3DVIA Virtools內(nèi)置的功能和靈活性有助于加快原型設(shè)計(jì)。我們的客戶非常滿意地看到他們的設(shè)計(jì)思路進(jìn)展迅速，通過強(qiáng)化協(xié)作設(shè)計(jì)流程，提高了最終產(chǎn)品的客戶滿意度?！?br /> 現(xiàn)在的臨床治療效果表明，在很多情況下，患者不僅能感覺到疼痛感下降，而且腦部掃描的結(jié)果顯示，患者與疼痛相關(guān)的腦部活動也下降了50%。
3D建模
分析優(yōu)化“第二心臟”
心力衰竭可以通過藥物、去纖顫器、內(nèi)植心臟泵，乃至心臟移植加以治療。但沒有哪一種療法對任何人都適用，而且植入的泵設(shè)備也往往會帶來副作用和各種問題。新西蘭奧克蘭市立醫(yī)院的胸外科手術(shù)專家和高級研究員William Peters博士認(rèn)為應(yīng)該有更好的治療辦法。
Peters曾發(fā)明過一種微創(chuàng)旁路系統(tǒng)。他表示，普通的植入式血接觸設(shè)備(比如左心室輔助器LVAD)可以拯救等待心臟移植病患的生命，但患者必須長期服用抗凝藥。雖然這樣可以避免血液結(jié)塊，但會增加中風(fēng)的危險(xiǎn)，而且某些心臟輔助設(shè)備的可靠性還存在問題。
作為替代方案，Peters構(gòu)思了一種被稱之為“C-Pulse”的新穎泵系統(tǒng)。它在體內(nèi)發(fā)揮作用，但不是在血液循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)。C-Pulse包括一條環(huán)繞主動脈的纏帶，外面有一層可使血管的外壁膨脹和收縮的膜(氣囊)。氣囊產(chǎn)生的正負(fù)壓使主動脈的脈動與心臟同步，從而增加循環(huán)系統(tǒng)中的血液流量，降低心臟的負(fù)荷。該設(shè)備由放置在體外的電池供電泵系統(tǒng)提供動力。
Peters為他的構(gòu)思申請了專利，并組建了Sunshine Heart公司進(jìn)行設(shè)備的開發(fā)和測試。當(dāng)氣囊可以按人體模型比例進(jìn)行放大的時候，公司決定采用更為先進(jìn)的設(shè)計(jì)和開發(fā)方法來縮短交付時間，提供滿足內(nèi)科醫(yī)生要求的長期性能保證。
Sunshine Heart公司的機(jī)械工程經(jīng)理Scott Miller表示：“由于C-Pulse基本上是永久植入的，我們需要保證我們的物理設(shè)計(jì)得到足夠優(yōu)化，能夠?yàn)槲覀兲峁┧枰拈L期抗疲勞性能。我們決定使用有限元分析(一種數(shù)值分析方法，計(jì)算精度高，能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀)，以計(jì)算的視角進(jìn)行研究?！?br /> Miller和一家產(chǎn)品開發(fā)小組與技術(shù)工程軟件服務(wù)公司Matrix Applied Computing Ltd。保持著親密協(xié)作關(guān)系。該公司建議在真實(shí)仿真階段使用達(dá)索系統(tǒng)的Abaqus有限元分析軟件。該軟件主要用來為C-Pulse纏帶、氣囊與主動脈之間的互動情況建立分析模型。Miller表示：“有限元分析是一個迭代過程，由于設(shè)備的工作方式、組裝方式和使用的材料的特殊性，我們需要一些特別的方法?！盵!--empirenews.page--]
在C-Pulse的有限元分析模型構(gòu)建完畢之后，Matrix通過運(yùn)行仿真來確定在通過外科手術(shù)進(jìn)行植入的時候，該設(shè)備的氣囊應(yīng)采用的外形。隨后他們仿真了氣囊完整的凸起、凹下、復(fù)原三態(tài)轉(zhuǎn)換。
設(shè)計(jì)分析的最終目的是為了讓氣囊在工作周期中保持最低的應(yīng)力形變幅度和最大的平均壓縮應(yīng)力形變。Campbell表示：“這是個趣味物理項(xiàng)目，我們最終得到的模型在測試環(huán)境中運(yùn)行良好?！庇邢拊治瞿Ｐ偷墓δ艹隽薙unShine Heart的要求。Miller表示：“我們一次就完成了解決方案的設(shè)計(jì)”。他的研究小組接下來證明了該解決方案能夠適用于不同的尺寸，而這非常適合于針對具體病患的情況對設(shè)備進(jìn)行定制。
(中國計(jì)算機(jī)報(bào))