Nghiên cứu phát triển hệ thống thực tại ảo mô phỏng dữ liệu bộ xương trục người Việt Nam trưởng thành phục vụ cho việc giảng dạy và tra cứu

Trịnh Xuân Đàn và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 89(01/2): 117 - 121<br /> <br /> NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG THỰC TẠI ẢO MÔ PHỎNG DỮ<br /> LIỆU BỘ XƯƠNG TRỤC NGƯỜI VIỆT NAM TRƯỞNG THÀNH<br /> PHỤC VỤ CHO VIỆC GIẢNG DẠY VÀ TRA CỨU<br /> Trịnh Xuân Đàn1; Đỗ Năng Toàn2 & CS<br /> 1<br /> <br /> 2<br /> <br /> Trường Đại học Y Dược Thái Nguyên<br /> Viện Công nghệ Thông tin-Viện Khoa học Việt Nam<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Để khắc phục tình trạng thiếu điều kiện quan sát thực hành và rèn luyện kỹ năng nghề nghiệp về<br /> sự hiểu biết thấu đáo cấu tạo cơ thể người giúp cho quá trình chẩn trị y học trong chăm sóc sức<br /> khỏe. Dựa vào trang thiết bị hiện đại của Phòng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ Mạng của Viện<br /> CNTT-Viện KHVN. Với phần mềm tạo mô hình 3DSMax phiên bản 2010 và các kỹ thuật hỗ trợ,<br /> nhóm tác giả bước đầu xây dựng thành công bộ xương trục mô phỏng với phần mềm VRBODY<br /> 1.0. Kết quả bước đầu giúp người học dễ dàng quan sát từng chi tiết cơ quan, bộ phận cơ thể người<br /> bình thường để phát hiện được những bất thường của chúng khi có tổn thương bệnh lý giúp cho<br /> việc nâng cao hiệu quả trong chẩn đoán và điều trị.<br /> Từ khóa: Giải phẫu; mô phỏng 3D; công nghệ thông tin; phần mềm; phần cứng máy tính.<br /> <br /> ĐẶT VẤN ĐỀ *<br /> Ở nước ta việc giảng dạy và học tập môn Giải<br /> phẫu vẫn còn tình trạng giảng chay, thiếu điều<br /> kiện thực hành quan sát. Đây là môn học mô<br /> tả các chi tiết cấu tạo cơ thể nên cần có nhiều<br /> phương tiện hỗ trợ như xác, xương rời, tiêu<br /> bản, tranh, mô hình...trong đó xác là phương<br /> tiện trực quan tốt nhất giúp cho người học có<br /> thể xác định được từng chi tiết cơ thể một<br /> cách đầy đủ, chính xác. Chỉ khi hiểu được cấu<br /> trúc cơ thể bình thường mới nhận ra được các<br /> biến đổi bất thường do bệnh hoặc chấn<br /> thương gây ra. Vì vậy, kiến thức về giải phẫu<br /> rất cần cho tất cả các thầy thuốc lâm sàng.<br /> Tuy nhiên, xác rất khó kiếm vì hiến xác là<br /> vấn đề tình cảm, phong tục, rất nhạy cảm...<br /> mặc dù có hàng nghìn đơn hiến xác nhưng<br /> trong vòng trên 10 năm nay Viện Giải phẫu<br /> chỉ nhận được 6 xác, BMGP trường ĐHYD<br /> nhận đươc 2 xác hiến. Việc nhận xác vô thừa<br /> nhận phức tạp về các thủ tục pháp lý, xử lý<br /> khó khăn vì đã để lưu ở môi trường không<br /> thuận lợi.<br /> Trên lâm sàng, việc tìm kiếm bệnh nhân có<br /> bệnh quan tâm để học tập, nghiên cứu cũng là<br /> vấn đề khó. Bởi không dễ kiếm bệnh nhân và<br /> ngay trong trường hợp có thì khoảng cách về<br /> *<br /> <br /> địa lý cũng chưa chắc cho ta tiếp cận với bệnh<br /> nhân có loại bệnh ta quan tâm. Vậy câu hỏi<br /> đặt ra là ta có thể tạo dựng bệnh nhân ảo, và<br /> bệnh nhân này có được các bệnh mà ta mong<br /> muốn? Làm được như vậy, chúng ta sẽ có<br /> được kho dữ liệu về các loại bệnh, được thể<br /> hiện mô hình bệnh nhân ảo.<br /> Trên cơ sở sự phát triển của phần cứng máy<br /> tính, các kỹ thuật đồ hoạ và thực tại ảo, hệ<br /> thống đào tạo y học trên bệnh nhân ảo dần<br /> thành hiện thực. Hệ thống đào tạo này bao<br /> gồm hai bộ phận cơ bản: một là khối tương<br /> tác ba chiều là mô hình sinh thể ảo cho phép<br /> thực hiện các thao tác giải phẫu thông qua các<br /> dụng cụ ảo; hai là khối giao diện cung cấp<br /> thông tin phản hồi trực quan từ mô hình<br /> trong phẫu thuật cũng như thông tin hướng<br /> dẫn đào tạo.<br /> Việc phát triển hệ thống mô phỏng tạo ra cái<br /> nhìn trực quan về cơ thể. Khắc phục được<br /> những nhược điểm của giảng dạy thông<br /> thường hiện nay. Hơn nữa, việc xây dựng mô<br /> phỏng này, sẽ giúp cho việc hoàn thiện xây<br /> dựng cơ thể ảo và tiến tới xây dựng bệnh<br /> nhân ảo. Khắc phục được những vấn đề khó<br /> khăn về xác - một vấn đề tình cảm, phong tục<br /> và rất nhạy cảm đồng thời xây dựng được<br /> cho chúng ta một kho cơ sở dữ liệu về các<br /> loại bệnh.<br /> 117<br /> <br /> Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> http://www.lrc-tnu.edu.vn<br /> <br /> Trịnh Xuân Đàn và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> Hiện nay ở Việt Nam, việc xây dựng phần<br /> mềm ứng dụng trong ngành y tế còn có nhiều<br /> hạn chế, vẫn là mảng đang bị bỏ ngỏ, chưa có<br /> đầu tư nào thích đáng. Tương tự, những ứng<br /> dụng về mô phỏng trong chuẩn đoán bệnh<br /> hoặc luyện nghề của các trường học và các<br /> trung tâm y tế cũng chưa có gì.<br /> Kết hợp với các trang thiết bị hiện đại của<br /> Viện CNTT, cộng với kỹ năng và kinh<br /> nghiệm, việc xây dựng các phần mềm mô<br /> phỏng các cơ quan bộ phận cơ thể là khả<br /> quan. Đồng thời có thể tách rời các cơ quan ra<br /> để quan sát một cách chi tiết để mô tả, xác<br /> định những mốc chính, những chi tiết quan<br /> trọng để vận dụng vào thực tế lâm sàng.<br /> Mục tiêu chung<br /> Nghiên cứu, ứng dụng công nghệ thực tại ảo<br /> xây dựng các bộ phận chính của cơ thể con<br /> người, với khả năng cung cấp các giao tiếp<br /> cho phép người sử dụng quan sát tra cứu tìm<br /> kiếm thông tin về các bộ phận chính của cơ<br /> thể con người và một số bệnh liên quan trợ<br /> giúp cho việc giảng dạy và tra cứu. Phục vụ<br /> cho việc tiến tới xây dựng bệnh nhân ảo.<br /> Mục tiêu cụ thể<br /> 1. Bước đầu xây dựng bộ xương trục người<br /> trưởng thành bằng áp dụng công nghệ thực<br /> tại ảo.<br /> 2. Ứng dụng xây dựng bài giảng về hệ xương<br /> cho sinh viên ngành Y-Dược với các hình ảnh<br /> mô phỏng minh họa.<br /> Sách giải<br /> phẫu người<br /> Mô hình thật<br /> <br /> Một số nguồn<br /> thông tin khác<br /> <br /> 89(01/2): 117 - 121<br /> <br /> PHƯƠNG PHÁP CÔNG CỤ TẠO MÔ HÌNH<br /> Thu thập dữ liệu hình thái và cấu trúc<br /> các xương<br /> - Thông tin và tài liệu về xương phải chọn lọc<br /> và phân loại để thuận tiện cho quá trình xử lý<br /> dữ liệu sau này.<br /> - Thông tin thu nhận phải đảm bảo đầy đủ,<br /> chính xác cả về hình ảnh và thông tin từ Hình<br /> ảnh, video để mô tả: Tên chi tiết – bộ phận, vị<br /> trí, đặc điểm giải phẫu …<br /> Trên cơ sở các dữ liệu thu thập, với các thiết<br /> bị của Phòng thí nghiệm trọng điểm Công<br /> nghệ Mạng và Đa phương tiện do Viện CNTT<br /> chủ trì thực hiện: các thiết bị phần cứng và<br /> các bộ chương trình phần mềm hỗ trợ xây<br /> dựng các dữ liệu đa phương tiện như âm<br /> thanh, hình ảnh, hình ảnh động; hỗ trợ biên<br /> tập dữ liệu đa phương tiện, ...<br /> Sử dụng hệ quản trị CSDL hướng đối tượng,<br /> hướng đối tượng -quan hệ, cơ sở dữ liệu quan<br /> hệ. Các ngôn ngữ, công cụ mô hình hóa trong<br /> thực tại ảo. Phương pháp phân tích thiết kế hệ<br /> thống thông tin cho hệ thống phức tạp liên kết<br /> giữa CSDL và thực tại ảo. Kỹ thuật tiên tiến<br /> của đồ họa máy tính và giao diện người máy<br /> HCI (Human-Machine Interaction).<br /> Phần mềm được sử dụng tạo mô hình là<br /> 3DSMax phiên bản 2010 sau đó sử dụng các kỹ<br /> thuật hỗ trợ để hiệu chỉnh mô hình như mô hình<br /> đa giác (polygon), mô hình dựa trên kết nối<br /> đường cong (NURBs) và một số kỹ thuật hiệu<br /> chỉnh khác như chất liệu, màu sắc, ánh sáng…<br /> <br /> Cơ sở dữ liệu thu nhận<br /> <br /> Chọn lọc<br /> thông tin và<br /> phân loại<br /> <br /> Ảnh chụp cắt lớp<br /> CT (DICOM)<br /> Mô hình mô phỏng<br /> <br /> Tranh Atlas<br /> giải phẫu<br /> <br /> Hình 1: Một số phương pháp thu nhận dữ liệu<br /> <br /> 118<br /> <br /> Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> http://www.lrc-tnu.edu.vn<br /> <br /> Trịnh Xuân Đàn và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> THIẾT KẾ PHẦN MỀM -VRBODY 1.0<br /> Mục đích của hệ thống<br /> Xây dựng chương trình mô phỏng các cơ<br /> quan, bộ phận trên cơ thể người, phục vụ cho<br /> việc giảng dạy và tra cứu.<br /> Các yêu cầu của phần mềm-VRBODY 1.0<br /> Các yêu cầu của hệ thống<br /> - Sử dụng các đối tượng 3D được định nghĩa<br /> theo cấu trúc VRML.<br /> - Đọc các mô hình cơ quan, bộ phận 3D theo<br /> cấu trúc VRML.<br /> - Cho phép hiển thị mô hình của các hệ cơ<br /> quan theo cả hai chế độ là MONO hoặc<br /> STEREO. Cho phép hiển thị toàn bộ hoặc<br /> hiển thị riêng lẻ từng cơ quan bộ phận. Cho<br /> phép thực hiện các thao tác trên mô hình như:<br /> xoay, phóng to, thu nhỏ, dịch chuyển, ẩn,<br /> Biểu đồ các ca sử dụng của hệ thống<br /> <br /> 89(01/2): 117 - 121<br /> <br /> hiện, lựa chọn đối tượng. Cho phép hiển thị<br /> thông tin cho từng đối tượng cụ thể được lựa<br /> chọn. Hệ thống chạy được trên môi trường<br /> Window.<br /> Các chức năng của hệ thống<br /> Chức năng đọc mô hình 3D các cơ quan, bộ<br /> phận cơ thể người vào chương trình. Chức<br /> năng tương tác với mô hình gồm: xoay,<br /> phóng to, thu nhỏ, dịch chuyển, ẩn, hiện, lựa<br /> chọn đối tượng. Chức năng hiển thị thông tin,<br /> mô tả về đối tượng.<br /> Yêu cầu hệ thống<br /> Yêu cầu phần cứng máy tính có hệ điều hành<br /> WinXP hoặc Win7, CPU Pentium4 (2.4GHZ)<br /> trở lên, RAM 1GB trở lên, bộ nhớ tối thiểu 1GB.<br /> Yêu cầu file phần mềm có đầy đủ các file:<br /> VirtualBodySystem.rar.<br /> <br /> Chọn và đọc các mô hình vào hệ thống<br /> Hiển thị các mô hình 3D của hệ thống<br /> Người sử dụng<br /> <br /> Tương tác với các mô hình 3D<br /> <br /> Hình 2: Biểu đồ các ca sử dụng của hệ thống<br /> - Các tính năng chính của chương trình<br /> Đọc mô hình 3D hệ xương: chương trình cho phép người sử dụng đọc các mô hình 3D các hệ của<br /> cơ thể người vào chương trình, cho phép xoay, di chuyển mô hình hộp sọ 3D ở các vị trí và các<br /> góc độ khác nhau để quan sát và nghiên cứu. Chương trình hỗn trợ định dạng file mô hình 3D là<br /> (*.ISB).<br /> Lựa chọn và hiển thị thông tin các thành phần trong mô hình: chương trình hỗ trợ việc việc lựa<br /> chọn, hiển thị thông tin các đối tượng trong mô hình 3D của các hệ cơ quan trong cơ thể.<br /> Hướng dẫn sử dụng chi tiết:Click đúp chuột vào file VirtualBodySystem.exe, khi đó giao diện<br /> chương trình như sau:<br /> <br /> 119<br /> <br /> Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> http://www.lrc-tnu.edu.vn<br /> <br /> Trịnh Xuân Đàn và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 89(01/2): 117 - 121<br /> <br /> Một số kết quả xây dựng mô hình<br /> <br /> Một số kết quả xây dựng bài giảng từ<br /> chương trình<br /> Chương trình là công cụ để các chuyên gia,<br /> các thầy cô giáo giảng dạy bộ môn giải phẫu<br /> sinh ra các bài giảng, phục vụ quá trình giảng<br /> dạy và học tập. Bài giảng có thể là ở dạng<br /> hình ảnh, dạng powerpoint hoặc là dạng<br /> video. Kết quả một số bài giảng đã được<br /> tạo và ghi ra đĩa CD (có đĩa kèm theo tài<br /> liệu này).<br /> KẾT LUẬN<br /> Đề tài đã xây dựng quy trình công nghệ xây<br /> dựng một phần mềm thực tại ảo và các kỹ<br /> thuật liên quan như: Xây dựng mô hình, điều<br /> khiển mô hình, tích hợp âm thanh, ánh sáng<br /> v.v.. trên cơ sở đó xây dựng hệ thống phần<br /> mềm thực tại ảo mô phỏng bộ xương trục của<br /> người Việt trưởng thành có thể thể hiện<br /> theo các bài học cơ bản đã đạt được các kết<br /> quả sau:<br /> <br /> 1. Nghiên cứu tổng quan về thực tại ảo và ứng<br /> dụng thực tại ảo vào việc mô phỏng trong y tế<br /> bao gồm về mặt thiết bị với các khối: Thu<br /> nhận, trình chiếu, tương tác v.v.. Ngôn ngữ,<br /> công cụ phát triển, các ứng dụng cơ bản v.v..<br /> 2. Hệ thống hóa và nghiên cứu các kỹ thuật<br /> tạo mô hình, các kỹ thuật điều khiển mô hình<br /> và tích hợp ánh sáng trong hệ thống.<br /> 3. Cài đặt Phần mềm Thực tại ảo mô phỏng<br /> bộ xương trục của người Việt trưởng thành có<br /> thể thể hiện theo các bài học cơ bản<br /> KHUYẾN NGHỊ<br /> 1. Ứng dụng công nghệ thực tại ảo trong việc<br /> xây dựng các cơ quan bộ phận cơ thể người<br /> phục vụ cho công tác đào tạo của các trường<br /> Đại học Y Dược, giúp cho sinh viên y tránh<br /> được tình trạng học chay, đồng thời giúp cho<br /> các giảng viên giảng dạy sinh động gây<br /> hứng thú cho sinh viên để tiếp thu bài học<br /> có hiệu quả.<br /> <br /> 120<br /> <br /> Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> http://www.lrc-tnu.edu.vn<br /> <br /> Trịnh Xuân Đàn và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 2. Tiến tới xây dựng cơ thể ảo cho sinh viên<br /> cũng như các thầy thuốc co cơ hội tiến hành<br /> thực hiện các thủ thuwtj trong công tác thăm<br /> khám, điều trị, phẫu thuật để ren luyện các kỹ<br /> năng chuyên môn của bản thân.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. Trịnh Xuân Đàn chủ biên (2008): Bài giảng<br /> Giải phẫu học tập 1, tập 2; Trường Đại học Y<br /> Dược Thái Nguyên-Bộ môn giải phẫu học, Nhà<br /> xuất bản Y học, Hà Nội 2008.<br /> [2]. Nguyễn Văn Huân, Trịnh Xuân Hùng, Phạm<br /> Bá Mấy, “CẢI TIẾN KỸ THUẬT BIỂU DIỄN<br /> BỀ MẶT NURBs” ”, Báo cáo khoa học tại Hội<br /> thảo Quốc gia “Một số vấn đề chọn lọc về<br /> CNTT”, Biên Hòa – Đồng Nai 05-06/08/2009.<br /> [3]. Lê Hải Khôi, Đỗ Năng Toàn, Phạm Thế Anh,<br /> Trịnh Xuân Hùng (2005), Một cách tiếp cận cho<br /> hiển thị hình ảnh 3 chiều, Hội thảo Quốc gia về<br /> “Các vấn đề chọn lọc của CNTT, Hải Phòng 2527/8/2005.<br /> <br /> 89(01/2): 117 - 121<br /> <br /> [4]. Nguyễn Quang Quyền, Phạm Đăng Diệu,<br /> Atlas giải phẫu người (tài liệu dịch từ Frank<br /> A.Netter). NXB Y học.<br /> [5]. Đỗ Năng Toàn, Phạm Tấn Năm, Trần Thanh<br /> Hiệp, Trịnh Hiền Anh (2005), “Một kỹ thuật tiếp<br /> cận trong tạo mô hình 3 chiều”, Báo cáo khoa học<br /> tại Hội thảo Quốc gia “Một số vấn đề chọn lọc về<br /> CNTT”, Hải Phòng 25-27/08/2005.<br /> [6]. Video Bài giảng hướng dẫn học 3DSMAX<br /> của trung tâm đồ họa Nami, tại website<br /> http://www.hoc3d.com/<br /> [7]. Character-Animation Tutorials, Autodes<br /> 3DSMAX 2010<br /> [8]. Gray J.: (1985): Anatomy descriptive and<br /> applied, 34th edition, London.<br /> [9]. Les Piegl (1991) "On NURBs: A Survey", Jan<br /> 01, 1991, IEEE Computer Graphics and<br /> Applications, Vol. 11, No. 1, pp. 55 - 71<br /> [10]. Tutorial<br /> © CSC, “Advanced Texture<br /> Mapping”.<br /> <br /> SUMMARY<br /> DEVELOPMENT OF VIRTUAL SYSTEM FOR DATA SIMULATION OF<br /> AXIAL SKELETON IN VIETNAMESE ADULTS FOR TEACHING AND<br /> SEARCHING<br /> Trinh Xuan Đan1*; Do Nang Toan2 et al<br /> 2<br /> <br /> 1 Thai Nguyen University of Medicine & Pharmacy<br /> Institute of Information Technology - Viet Nam Academy of Science & Technology<br /> <br /> It is to overcome insufficient condition for observational practice and professional skills training<br /> on thorough understanding of the body structure to helps process of medical diagnosis and<br /> treatment in health care. It is based on the modern equipment of the Key Laboratory of Network<br /> Technology of Institute of Information Technology - Viet Nam Academy of Science &<br /> Technology. With software creating models of 3dsmax of version 2010 and support techniques, at<br /> the beginning authors built successfully simulated axial skeleton with VRBODY 1.0 software.<br /> Initial results help leaners to observation more easily detail organs, body parts in normal bodies to<br /> detect abnormalities of the pathological lesions, which helps to improve efficiency in the diagnosis<br /> and treatment.<br /> Keywords: Anatomy; 3D simulation; IT; software; computer hardware.<br /> <br /> *<br /> <br /> 121<br /> <br /> Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> http://www.lrc-tnu.edu.vn<br /> <br />