La realidad virtual al servicio del bienestar social

La realidad virtual al servicio del bienestar social
Valery Naranjo Ornedo
Departamento de Comunicaciones
Instituto Interuniversitario de Investigación en Bioingeniería y Tecnología Orientada al Ser
Humano (I3BH)
Universidad Politécnica de Valencia
Cátedra Telefónica Nuevas Tecnologías para el Medio Ambiente y la Inclusión Social
La Realidad Virtual al servicio del bienestar social
CONTENIDO
1 Resumen ..................................................................................................................... 2 2 Conceptos básicos ................................................................................................... 3 3 Estado del arte........................................................................................................... 5 4 Nuevas Tendencias e Ideas .................................................................................. 12 5 Bibliografía y Lecturas Recomendadas .............................................................. 15 Página 1
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La Realidad Virtual al servicio del bienestar social
1 RESUMEN
La Sociedad de la Información debe afrontar el reto de hacer frente a los
problemas más importantes que en materia de salud, política social y bienestar
social se presentarán como potenciales pandemias en la sociedad española y
europea del futuro. Entre ellos se encuentran:
Salud física
•
Obesidad
•
Cáncer
•
Enfermedades neurodegenerativas
•
Enfermedades coronarias (rehabilitación cardíaca)
Salud mental
•
Problemas de violencia y agresividad (violencia de género)
•
Acoso escolar
•
Problemas alimentarios (anorexia, bulimia, obesidad)
Hasta la fecha el uso creciente de las redes de comunicaciones ha permitido
estimular un cambio en la manera de suministrar los servicios de salud y
bienestar social. La realidad virtual ha resultado un elemento clave en este
cambio, proliferando su uso en diferentes áreas de la psicología y la medicina.
Como ejemplos de su uso en estos campos se pueden citar las terapias
virtuales para tratamiento de enfermedades y fobias, tratamiento del dolor,
planificaciones quirúrgicas y simuladores de cirugías mínimamente invasivas
para educación de cirujanos.
En el presente informe se explicará brevemente los conceptos de realidad
virtual y realidad aumentada, así como los elementos básicos de este tipo de
sistemas. Posteriormente se presentará un estado del arte de diferentes
aplicaciones de estas nuevas tecnologías aplicadas a la salud, así como la
tendencia futura de las mismas.
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2 CONCEPTOS BÁSICOS
2.1. REALIDAD VIRTUAL Y REALIDAD AUMENTADA
La Realidad Virtual (RV) se puede definir como la forma más avanzada de
relación entre el ordenador y la persona, permitiendo al usuario interactuar
con la máquina y sumergirse en un entorno generado artificialmente. Esta
tecnología se basa en la generación interactiva multisensorial de estímulos con
el objetivo de mantener la sensación completa de inmersión en un mundo
real. Se caracteriza por la ilusión de participación en un entorno sintético, más
que la observación de éste.
El objetivo principal de un sistema de RV es la generación del sentido de
presencia en el usuario, es decir, la experiencia subjetiva de estar en un lugar,
incluso cuando físicamente se está localizado en otro. El sentido de estar en el
entorno virtual en vez del lugar donde físicamente se encuentra el cuerpo
físico del usuario se denomina presencia.
La Realidad Aumentada (RA), por el contrario, es la mezcla de información
computacional o virtual con el mundo real. En una definición clásica, la
realidad aumentada es un tipo de ambiente virtual en el cual el usuario no se
sumerge completamente en un mundo virtual sino en una mezcla de éste con
el mundo real de tal forma que, para el usuario, aparezcan los objetos virtuales
y reales coexistiendo en el mismo espacio [1].
Para Azuma [1] un sistema de RA cuenta con las siguientes características:
o Combina lo real y lo virtual. La información digital es combinada con la
realidad.
o Funciona en tiempo real. La combinación de lo real y lo virtual se hace
en tiempo real.
o Registra en tres dimensiones. La información aumentada (mezcla de
virtual y real) se localiza o “registra” en el espacio. Para conservar ilusión
de ubicación real y virtual, la información aumentada debe moverse
respecto a un punto de referencia en el mundo real.
La figura 1
muestra como a partir de una imagen real y otra virtual, ésta última se
inserta en el mundo real para formar una imagen aumentada. También
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puede observarse cómo de simple es cambiar la escena final sólo
cambiando la información virtual.
La información que se utiliza para aumentar la realidad puede ser no
sólo visual sino también información auditiva, olfativa o táctil.
2.2. Elementos de un sistema de RV/RA
Los elementos de un sistema de RV [2,3] son los dispositivos de entrada, los de
salida y el ordenador.
Dispositivos de entrada. Se utilizan dos tipos de dispositivos de entrada:
•
Los dispositivos de control, que son aquellos mediante los cuales el
usuario comunica órdenes al sistema. En este tipo de dispositivos se
encuentran los de sobremesa, como los teclados, los ratones 2D
(trackballs), tabletas digitalizadoras, los joysticks convencionales y los
dispositivos 3D (spaceballs). En la figura 1 se muestran diferentes
dispositivos de control.
a)
b)
c)
Figura 1. Dispositivos de control: a)ratón 2D, b) joystick, c)spaceball.
•
Los dispositivos de localización o trackers, que son los que utiliza el
sistema para obtener información del entorno, por ejemplo, la posición
3D
del
usuario.
Existen
localizadores
de
diferentes
tipos:
electromagnéticos (fig. 2-c), mecánicos, ópticos (fig. 2-a), ultrasónicos,
inerciales y los híbridos que mezclan diferentes tecnologías para
aumentar la precisión. Otros localizadores más sofisticados son los
guantes de datos (fig. 2-b), los cuáles son muy utilizados para la
comunicación de gestos además de la posición, y los eye-tracking que
consiste en un sistema de localización basado en la detección de la
posición de la pupila para localizar dónde se está mirando.
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a)
b)
c)
Figura 2. Dispositivos de localización: a) óptico, b) guantes de datos, c)
electromagnético.
Dispositivos de salida: son los que proporcionan al usuario información sobre el
mundo y provocan en él determinadas sensaciones que pueden ser visuales,
auditivas o táctiles. Se utilizan en RV dispositvos gráficos o visuales como los
cascos de RV o Head mounted displays (fig. 3-a) y los sistemas de proyección
de una o varias pantallas (fig. 3-b); dispositvos de sonido como altavoces y
auriculares; y dispositivos
de realimentación táctil y de fuerza como los
guantes de Realidad Virtual con realimentación de fuerza (fig. 3-c).
a)
b)
c)
Figura 3. Dispositivos de salida: a) cascos de RV (HMD), b) pantallas, c) guantes
de RV con realimentación de fuerza.
Ordenador: realiza tareas de simulación y control de entrada/salida de datos.
3 ESTADO DEL ARTE
Aunque la RV y la RA son herramientas tecnológicas que se aplican hoy en día
en muy diversas áreas, como la educación, la arquitectura, la tecnología
militar, el marketing, etc., en este informe se realiza una revisión de diferentes
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aplicaciones de estas tecnologías en diversas áreas de la psicología y la
medicina.
3.1. Realidad Virtual en psicología
La Ciberterapia o tratamiento con RV se define como “el uso de ordenadores
como herramientas para posibilitar y/o mejorar el suministro de servicios
terapéuticos”. Las aplicaciones más comunes de la RV y la RA en psicoterapia
se concentran en el área del tratamiento de fobias.
Desde principios de 1990, cuando Hodges et al. [4, 5] trataron pacientes
acrofóbicos con RV, la RV se ha propuesto como un nuevo medio de terapia.
Desde entonces, en estudios controlados, la RV ha demostrado ser tan eficaz
como la terapia ‘in vivo’ para el tratamiento de acrofobia o miedo a las
alturas [6, 7], aracnofobia o fobia a las arañas [8], y miedo a volar [9, 10, 11].
Otras fobias tratadas utilizando RV han sido la agorafobia o miedo a los
espacios abiertos [12, 13], la claustrofobia [14], o el miedo a hablar en público
[15, 16]. La figura 4 muestra algunas imágenes de RA para el tratamiento de la
acrofobia (4-a) y de la aracnofobia (4-b).
Otra aplicación de la ciberterapia en psicología es el tratamiento de estrés
postraumático, como por ejemplo las terapias aplicadas al estrés en veteranos
de Vietnam [17], o en situaciones de violencia de género (proyecto
EMMA)[18], así como en el caso de trastornos alimentarios (proyecto Etiobe)
[19].
a)
b)
Figura 4. Entornos virtuales para el tratamiento de fobias. a)Acrofobia. b) Aracnofobia
La ciberterapia, en los últimos tiempos, utiliza también las redes de
comunicaciones que han permitido estimular un cambio en la manera de
suministrar los servicios de salud y bienestar social, dando lugar al concepto
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de e-Terapia como un proceso global distribuido en el cual la comunicación y
colaboración de usuarios geográficamente dispersos (pacientes y/o clínicos)
juegan un papel clave [20].
3.2. Realidad Virtual en medicina
En el campo de la medicina la RV y la RA han sido ampliamente utilizados en
diferentes áreas tales como rehabilitación cognitiva y motora en pacientes
con daño cerebral [21] o en el tratamiento del dolor en el caso, por ejemplo,
de las dolorosas curas realizadas a pacientes quemados [22].
Pero si existe un campo por excelencia dentro de la medicina donde los
avances tecnológicos han supuesto una gran revolución ha sido en la cirugía.
Las técnicas avanzadas de visualización y guiado son beneficiosas para
ayudar al médico en el diagnóstico de la enfermedad, en la planificación de
la cirugía e incluso en el guiado durante la intervención. Las imágenes
médicas (TAC, Resonancia Magnética, etc.) permiten al cirujano tener un
esencial conocimiento preoperatorio de la anatomía y patologías de un
paciente. Sin embargo, el paciente es representado como un conjunto de
imágenes 2D y su interpretación resulta en muchas ocasiones una tarea difícil.
Uno de los principales retos del tratamiento digital de la imagen médica es
identificar automáticamente estructuras anatómicas y patológicas en una
imagen 3D que represente al paciente para que sirva de ayuda al diagnóstico
o de guiado en la cirugía. El uso de Realidad Virtual (RV) en medicina consiste
en crear un paciente virtual modelando en 3D sus estructuras anatómicas y
patológicas a partir de las estructuras identificadas automáticamente en el
TAC o la resonancia magnética. La RV permite una mejor visualización de la
anatomía interna del paciente que con las imágenes convencionales y un
mejor conocimiento preoperatorio, lo cual ayuda al experto a establecer el
diagnóstico así como a planificar la mejor terapia para cada caso. Además
del soporte en el diagnóstico o la planificación de la cirugía, el modelado 3D
puede usarse para el seguimiento del paciente a lo largo del tiempo,
facilitando la visualización de la eficiencia de la terapia prescrita. En la figura 2
se puede observar el conjunto de imágenes 2D (cortes) procedente de un TAC
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abdominal (a la izquierda) y la reconstrucción 3D del mismo (a la derecha)
[23].
Fig. 5: Imágenes 2D procedentes de TAC abdominal y reconstrucción 3D de dicho
TAC.
Otro importante uso de la RV en el campo de la cirugía ha sido la utilización de
entrenadores quirúrgicos que permiten al cirujano adquirir destrezas en las
diferentes
técnicas
de
cirugía
mínimamente
invasivas
(endoscopias,
laparoscopias, etc.) previamente a la realización de la operación “in vivo”. La
figura muestra la imagen de un entrenador quirúrgico así como un ejemplo de
imagen que ve el cirujano durante la “intervención virtual” [24].
Fig. 6: Imágenes 2D procedentes de TAC abdominal y reconstrucción 3D de dicho
TAC.
Como hemos dicho anteriormente, la planificación quirúrgica es otra
importante labor que lleva a cabo la RV y los sistemas computerizados, como
ayuda a la medicina. El cirujano, previamente a la operación puede
planificarla, detectar con gran precisión la lesión a reparar o la zona a eliminar
(en el caso de tumores), e incluso planificar la “hoja de ruta” de la
intervención. Este mapa virtual le ayudará posteriormente en el quirófano,
tanto si la operación es mínimamente invasiva como si es tradicional. Los
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planificadores quirúrgicos se utilizan hoy en día en todas las ramas de la
medicina: neurocirugía,
cirugía
abdominal, cirugía
ortopédica,
cirugía
maxilofacial, etc. [25]. La figura muestra una vista del sistema Implametric,
desarrollado en la Universidad Politécnica de Valencia y comercializado por la
empresa 3Dent para la planificación de la cirugía en la colocación de
implantes dentales [26,27].
Fig. 7: Vista de una planificación de una implantología dental realizada con el sistema
Implametric.
Cirugía Asistida por Ordenador
La Cirugía Asistida por Ordenador (CAO) constituye un área tecnológica que
intenta desarrollar y suministrar al cirujano una serie de herramientas que le
asistan en la planificación y ejecución de procedimientos quirúrgicos [28]. La
idea subyacente en CAO no es la de la sustitución del cirujano en tareas
quirúrgicas, hecho imposible de llevar a cabo en la actualidad, sino el
desarrollar técnicas y sistemas que permitan ayudar al cirujano en las fases del
procedimiento quirúrgico, esto es, diagnóstico, planificación y ejecución.
El uso de sistemas quirúrgicos guiados por imagen se ha convertido en un
estándar en un gran número de procedimientos quirúrgicos [29, 30, 31]. Existen
numerosos sistemas comercializados desarrollados a partir de los años 90. Estos
sistemas
lo
forman
una
serie
de
compañías
como
Medtronic
(http://www.stealthstation.com ), Medtronic Sofamor Danek (MSD; Memphis,
TN, aplicado a cirugía de columna) y los fabricantes que comprenden el
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consorcio "Surgical Navigation Network" (SNN; Missisagua, Ontario, Canadá). El
SSN fue lanzado en Julio de 1997 y las compañías miembros utilizan un
estándar abierto de software basado en la imagen para soportar sus
productos y tienen acuerdos de no exclusividad respecto a las ventas.
El primer paso básico y fundamental de un sistema CAO consiste en disponer
de un sistema de adquisición y visualización digital de imagen médica. Una
vez realizada la fase de planificación a partir de estas imágenes, se pasa a la
fase de intervención la cual se lleva a cabo en quirófano. El sub-sistema más
importante de un sistema CAO es el navegador quirúrgico. Dichos sistemas
consisten básicamente en un digitalizador tridimensional que proporciona en
tiempo real las coordenadas tridimensionales del instrumental quirúrgico
utilizado. Dichas coordenadas son visualizadas en una pantalla de ordenador
sobre las imágenes médicas previamente tratadas en la fase de planificación.
De esta manera el cirujano ve en todo momento la posición espacial del
instrumental utilizado disponiendo de esta forma de un sistema de navegación
anatómica que le va guiando durante la intervención, de ahí el nombre de
navegador quirúrgico. Existen diversas técnicas de navegación quirúrgica
dependiendo de la tecnología del digitalizador utilizado y de la visualización.
La utilización del navegador exige el desarrollo y puesta a punto de un sistema
de registro 3D de imagen médica. Estas técnicas consisten en hacer que el
navegador identifique la localización espacial de una serie de marcadores en
el cuerpo del paciente que a su vez son identificados en la imagen médica.
Ello permite llevar a cabo un cambio de coordenadas para pasar del sistema
de coordenadas de imagen médica al de coordenadas del digitalizador 3D y
de éste a su vez al de la pantalla de ordenador sobre el cual se visualiza la
posición del instrumental quirúrgico. En la figura se muestra el esquema de un
sistema típico de CAO.
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Antes de la intervención (planificación):
Datos paciente
- Segmentación
- Análisis
- Optimización
- Simulación
Analíticas
Prótesis a medida
Imágenes
Durante la intervención (quirófano):
- Imagen médica
- Digitalización 3D
- Registración paciente-modelos
- Interfaces de cirujano
- Realidad aumentada
- Robótica
Figura 8. Componentes de un sistema CAO
Los sistemas de cirugía asistida que utilizan RV suponen una gran ayuda en el
quirófano ya que permiten una mejor visualización de la anatomía interna del
paciente que con las imágenes convencionales, sin embargo, el cirujano
debe construir mentalmente la relación entre la imagen virtual que representa
al paciente y el paciente real, problema que soluciona la RA. Además, en
técnicas médicas que se desarrollan con visión de video real (como la
laparoscopia), la RA puede resultar de gran ayuda por aportar información
adicional, con el valor añadido de no tener que introducir nuevos elementos
en el quirófano. Aplicado al contexto quirúrgico, los objetos reales en el
sistema de RA serán el paciente y los instrumentos, mientras que los virtuales
pueden ser los modelos de los instrumentos, el modelo del paciente construido
a partir de las imágenes de TAC o RM o información adicional tales como
caminos hacia la región a operar, lo cual se superpone a la vista del cirujano.
En la figura 9 puede observarse la imagen real y su modelo virtual así como la
imagen real aumentada con dicha información virtual. Esta figura muestra un
sistema que emula los “rayos X en los ojos” para visualizar el interior del
paciente con el fin de realizar de manera precisa las incisiones por donde se
introducirá el instrumental en una operación mínimamente invasiva de
laparoscopia [32,33]. La RA es aplicada en la actualidad en diversos campos,
como la ortopedia o la neurocirugía. En la actualidad se investiga en otros
campos quirúrgicos de aplicación como la cirugía abdominal donde la
navegación es más complicada debido a la deformación de los órganos
durante la cirugía.
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Fig. 9: Imágenes real del paciente en el quirófano, imagen virtual e imagen
aumentada.
Fig. 10: Imágenes aumentadas en diversos tipos de cirugía: ortopédica y maxilofacial.
4 NUEVAS TENDENCIAS E IDEAS
La nueva generación del sistema de salud se va a centrar en la convergencia
de cuatro ejes tecnológicos dando lugar a sistemas de e-Salud (sistemas de
salud utilizando las redes de comunicaciones) inteligentes:
• Inteligencia ambiental que permita a través del desarrollo de tecnologías de
redes y sensores inteligentes captar la información fisiológica, psicológica y
contextual del usuario/paciente.
• Computación persuasiva que permita la generación de contenidos con el
objetivo de cambiar y/o reforzar conductas del usuario/paciente.
• Computación ubicua que posibilite que el usuario/paciente pueda acceder
al sistema en cualquier lugar, a cualquier hora y bajo múltiples soportes de
telecomunicaciones.
• Sistemas de terapia virtual que incluyan tecnología de realidad virtual
distribuida, realidad aumentada, interfaces naturales y agentes virtuales.
La convergencia de estos cuatro ejes se manifiesta como la próxima frontera
de las tecnologías de servicios para la sociedad de la información.
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Nuevas tendencias en psicología: los sistemas e-TI
En los sistemas de terapia inteligente (e-TI), el factor inteligente se sustenta en
la utilización de una capa de sensorización que permite obtener del paciente
información relevante (contextual, fisiológica y psicológica) y en la existencia
de aplicaciones de comunicación e informáticas capaces de transferir dicha
información,
almacenarla,
gestionarla,
interpretarla
adecuadamente
y
reaccionar frente a la misma ofreciéndole una serie de contenidos,
susceptibles incluso de ser generados por otros posibles usuarios del sistema,
como por ejemplo los terapeutas, y personalizados en función de las
características, información y respuestas del paciente. El factor terapéutico de
un sistema e-TI se sustenta en la finalidad de dichos contenidos, y el factor
persuasivo en la naturaleza de los mismos y en la manera en la que estos son
ofrecidos al paciente. Por un lado, dichos contenidos estarán orientados a
cambiar y/o reforzar la conducta del paciente, y para que ello se haga de
forma persuasiva se utilizarán, además de los soportes convencionales (texto,
audio, imagen, vídeo), aquellos que están directamente relacionados con la
ciberterapia, tecnología de eficacia terapéutica probada, como hemos visto
anteriormente : escenarios de realidad virtual y realidad aumentada, agentes
virtuales inteligentes e interfaces naturales de interacción con los mismos. La
accesibilidad por parte del usuario/paciente a este tipo de sistemas,
independientemente de dónde se encuentre y de la plataforma que utilice
para ello, conforma el carácter ubicuo de un sistema e-TI, y se sustenta gracias
a la utilización de aplicaciones de comunicación e informáticas capaces de
adecuar las características antes mencionadas a la naturaleza del dispositivo y
de la red de comunicación que se utilice.
En toda problemática de Salud, los posibles usuarios podrían englobarse en
dos grandes bloques: aquellos que directamente están relacionados con la
misma, bien por encontrarse en fase de tratamiento o formar parte del mismo
(pacientes, familiares y terapeutas), bien por padecer dicha problemática o
sufrir las consecuencias de la misma (posibles pacientes y sus familiares), y
aquellos que, aún siendo ajenos a dicha problemática, pudieran estar
interesados, por una u otra razón, en conocer diversos aspectos relevantes
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sobre ella: sus causas, sus efectos, posibles tratamientos, su impacto social
(porcentajes de incidencia sobre la población, grupos más afectados, etc.).
Atendiendo a esto, un sistema e-TI ofrece, a grandes rasgos, tres tipos de
servicios: prevención frente a la problemática, tratamiento de la misma (con
todo lo que ello implica de seguimiento y evaluación del mismo) e información
sobre ella.
Los objetivos de un sistema e-TI una vez implementado son los siguientes:
• Captar información fisiológica, psicológica y contextual del usuario en todo
momento.
• Posibilitar la generación de contenidos para cambiar y/o reforzar conductas
del usuario/paciente.
• Acceder al sistema eTI en cualquier lugar, a cualquier hora y bajo múltiples
soportes TIC.
• Introducir sistemas de terapia virtual que utilicen RV, RA, interfaces naturales
y agentes virtuales.
El Instituto Interuniversitario de Investigación en Bioingeniería y Tecnología
Orientada al Ser Humano de la Universidad Politécnica de Valencia está
trabajando en el desarrollo de sistemas e-TI como eTIOBE [34] que es un
sistema e-TI contra la obesidad o el sistema Mayordomo que es un sistema e-TI
para la tercera edad [35].
Nuevas tendencias en medicina
Además de la implantación de nuevos sistemas de telemedicina (e-Salud),
como el gran avance realizado en la normalización de los sistemas de archivo
y visualización de imágenes digitales, los sistemas PACS, la investigación en
sistemas de RV y RA aplicados a la medicina también sigue avanzando.
En cuanto a los sistemas utilizados para el diagnóstico y planificación
quirúrgica, las últimas tendencias son la fusión de las imágenes procedentes de
diferentes tipos de estudios no invasivos que se complementan, por ejemplo la
utilización en diagnósticos de cáncer de mama de información procedente
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de la Resonancia Magnética y las imágenes PET (Tomografía por emisión de
positrones) [36].
En cuanto a los sistemas de navegación, una vez probada su utilidad en
diferentes campos de la cirugía como la ortopedia y la neurocirugía, las
nuevas investigaciones se centran en desarrollar sistemas de guiado utilizando
RV y RA en zonas donde el registro y el seguimiento son más complicados
debido a la deformación de los órganos durante la cirugía, como por ejemplo
en cirugía abdominal laparoscópica [32, 33].
5 BIBLIOGRAFÍA Y LECTURAS RECOMENDADAS
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