Mô phỏng ba chiều và ứng dụng trong y học

LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập và nghiên cứu tại lớp Cao học khóa 8 chuyên ngành Khoa học máy tính tại Trường Công nghệ thông tin – Truyền thông Đại học Thái Nguyên, em đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy, cô giáo trong Trường Công nghệ thông tin – Truyền thông và Viện công nghệ thông tin Việt Nam. Các thầy, cô luôn giúp đỡ, tạo điều kiện cho em trong quá trình học tập. Em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới tập thể các thầy, cô giáo trong Trường Công nghệ thông tin – Truyền thông và Viện công nghệ thông tin Việt Nam. Em xin cảm ơn sự giúp đỡ của các anh, chị phòng Công nghệ Thực tại ảo Viện Công nghệ thông tin. Đặc biệt thầy giáo PGS.TS Đỗ Năng Toàn đã hướng dẫn và tạo điều kiện giúp đỡ em hoàn thành quyển luận văn tốt nghiệp này. Tôi xin cảm ơn các bạn đồng nghiệp và người thân đã động viên, giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn. Quá trình thực hiện đề tài không tránh khỏi thiếu sót em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo và các bạn đồng nghiệp đối với đề tài nghiên cứu của em để đề tài được hoàn thiện hơn. Em xin trân trọng cảm ơn! Thái Nguyên, ngày tháng năm 2011 Hồ Xuân Nhàn Hồ Xuân Nhàn Mô phỏng ba chiều và ứng dụng trong y học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ii LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan toàn bộ nội dung bản luận văn này là do em tự sưu tầm, tra cứu và sắp xếp cho phù hợp với nội dung yêu cầu của đề tài. Nội dung luận văn này chưa từng được công bố hay xuất bản dưới bất kỳ hình thức nào và cũng không được sao chép từ bất kỳ một công trình nghiên cứu nào. Tất cả phần ứng dụng đều do em tự thiết kế và xây dựng, trong đó có sử dụng một số thư viện chuẩn và các thuật toán được các tác giả xuất bản công khai và miễn phí trên mạng Internet. Nếu sai em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Thái Nguyên, ngày tháng năm 2011 Ngƣời cam đoan Hồ Xuân Nhàn Hồ Xuân Nhàn Mô phỏng ba chiều và ứng dụng trong y học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn i Mục lục Lời cảm ơn Lời cam đoan Mục lục i Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ii Danh mục các hình ảnh iii MỞ ĐẦU 1 Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ MÔ PHỎNG VÀ MÔ PHỎNG 3D TRONG Y HỌC 3 1.1. Khái quát về mô phỏng và mô phỏng 3D 3 1.1.1. Thế nào là mô phỏng? 3 1.1.2. Phân loại các hệ thống mô phỏng 4 1.1.3. Một số ứng dụng mô phỏng và mô phỏng 3D 10 1.2. Mô phỏng 3D trong Y học 14 Chương 2: MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG MÔ PHỎNG 3D 19 2.1. Tạo mô hình 3D 19 2.1.1. Chất liệu 19 2.1.2. Các phép hiệu chỉnh 23 2.1.3. Ánh sáng 24 2.1.4. Hiệu chỉnh nguồn sáng 26 2.2. Một số kỹ thuật tạo chuyển động cho đối tượng 3D … ………………. 31 2.2.1. Tạo chuyển động áp dụng cho đối tượng không có xương 31 2.2.2. Tạo chuyển động áp dụng cho đối tượng có xương 35 Chương 3: THỰC NGHIỆM VÀ ỨNG DỤNG 45 3.1. Bài toán 45 3.2. Lưới đối tượng 46 3.2.1. Mô hình đa giác (Polygon) 46 3.2.2. Mô hình dựa trên kết nối đường cong (NURBS) 46 3.3. Một số kết quả. 49 3.3.1. Mô hình. 49 3.3.2. Một số hình ảnh ứng dụng mô hình trong bài giảng 52 PHẦN KẾT LUẬN 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 Hồ Xuân Nhàn Mô phỏng ba chiều và ứng dụng trong y học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Ký hiệu/ Chữ viết tắt Viết đầy đủ Ý nghĩa 1 VR Virtual Reality Thực tại ảo 2 3D 3 Dimentional 3 Chiều 3 HMD Head Mounted Displays Mũ đội đầu có màn hiển thị 5 FK forward kinematics Điều khiển tiến 6 IK inverse kinematics Điều khiển ngược 7 CT scanner tomography Chụp cắt lớp 8 MRI Magnetic resonance imaging Chụp cộng hưởng từ Hồ Xuân Nhàn Mô phỏng ba chiều và ứng dụng trong y học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Giao diện giữa người sử dụng và hệ thống máy tính 3D Hình 1.2. Dàn máy tính HP cấu hình cao hỗ trợ xử lý đồ hoạ 3D Hình 1.3. Chuột SpaceBall trong hệ thống không có tính nhúng Hình 1.4. Máy chiếu công nghệ DLP trong hệ thống bán nhúng Hình 1.5. Kính ShutterGlasses trong hệ thống Bán nhúng Hình 1.6. Hệ thống chiếu màn ảnh rộng kết hợp kính ShutterGlasses trong hệ thống Bán nhúng Hình 1.7. Thiết bị Data glove trong hệ thống nhúng toàn phần Hình 1.8. Thiết bị HMD trong hệ thống nhúng toàn phần Hình 1.9. Ứng dụng công nghệ mô phỏng trong huấn luyện tập nhảy dù Hình 1.10. Ứng dụng công nghệ mô phỏng 3D trong Du lịch Hình 1.11 Các logo phim dùng 3D ảo Hình 1.12. Hệ thống trong lĩnh vực giải trí 3D Hình 1.13. Phẫu thuật ảo – Phương pháp đào tạo phẫu thuật mới dùng công nghệ mô phỏng Hình 2.1: Sử dụng chất liệu mở rộng cho sản phẩm Hình 2.2: Chiếc ghế bành khi được áp phép hiệu chỉnh UVWs Hình 2.3. Nguồn sáng omni Hình 2.4. Từ trái sang phải nguồn sáng free stop và target stop Hình 2.5. Từ trái sang phải nguồn sáng free direct và target direct Hình 2.6. Bóng đổ tạo bởi đèn Omni Hình 2.7. Nguồn sáng Target Stop Hình 2.8. Nguồn sáng Free Stop Hình 2.9. Nguồn sáng Target Direct Hình 2.10. Nguồn sáng Free Direct Hình 2.11. Mô tả chuyển động theo các thời điểm chính Hồ Xuân Nhàn Mô phỏng ba chiều và ứng dụng trong y học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iv Hình 2.12. Mô tả chuyển động theo đường cong xác định trước Hình 2.13. Mô tả chuyển động theo sự ràng buộc giữa các thuộc tính Hình 2.14. Hình ảnh một điều khiển IK được thêm cho một nhánh xương Hình 2.15 Sử dụng IK để tạo chuyển động cho cánh tay Hình 2.16. Hệ thống xương ứng dụng bộ xử lí HI solver Hình 2.17. Xác định chốt của chuỗi xương Hình 2.18. Sử dụng điều khiển IK để tạo chuyển động cho chân thao tác với quả bóng Hình 3.1. Các đối tượng nguyên thuỷ của polygon Hình 3.2. Tạo cốc từ đường cong Hình 3.3. Các đối tượng nguyên thủy của Nurbs Hồ Xuân Nhàn Mô phỏng ba chiều và ứng dụng trong y học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, công nghệ thông tin phát triển triển mạnh mẽ đã đem lại những thành tựu đáng kể cho nhiều lĩnh vực như y tế, giáo dục, kiến trúc, du lịch, giải trí,…Trên đà phát triển ấy đã xuất hiện một mô hình phát triển mới mà phạm vi ứng dụng có tiềm năng rộng lớn đó là mô phỏng 3D. Mô phỏng 3D là công nghệ sử dụng các kỹ thuật mô hình hóa không gian với sự hỗ trợ của các thiết bị đa phương tiện để xây dựng một thế giới mô phỏng (môi trường ảo) bằng máy vi tính để đưa người ta vào một thế giới nhân tạo với không gian như thật. Người sử dụng sẽ không như người quan sát bên ngoài, mà trở thành một phần của hệ thống. Thế giới “nhân tạo” này không tĩnh tại, mà lại phản ứng, thay đổi theo ý muốn (tín hiệu vào) của người sử dụng (nhờ hành động, lời nói, ). Người sử dụng nhìn thấy sự vật thay đổi trên màn hình ngay theo ý muốn của họ và bị thu hút và cảm nhận bằng các giác quan bởi sự mô phỏng này. Mô hình hoá và mô phỏng là một phương pháp nghiên cứu khoa học được ứng dụng rất rộng rãi từ nghiên cứu, thiết kế, chế tạo đến vận hành các hệ thống. Ngày nay nhờ sự trợ giúp của máy tính có tốc độ tính toán cao và bộ nhớ lớn mà phương pháp mô hình hoá được phát triển mạnh mẽ, đem lại hiệu quả to lớn trong việc nghiên cứu khoa học và thực tiễn sản xuất. Mô hình hoá và mô phỏng được ứng dụng rộng dãi trong các lĩnh vực khoa học công nghệ. Tại các nước phát triển như Mỹ và châu Âu, mô phỏng đã và đang trở thành một công nghệ mũi nhọn nhờ khả năng ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực: khoa học kỹ thuật, kiến trúc, quân sự, giải trí, giáo dục, thương mại, sản xuất, y học,… [18] Hiện nay, các sinh viên ngành y dược đang phải thực hành nhiều trên động vật, mô hình bằng nhựa và những xác người chết đã qua xử lý, một số bộ Hồ Xuân Nhàn Mô phỏng ba chiều và ứng dụng trong y học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 phận không còn chính xác. Không có nhiều xác để cho sinh viên học tập nên sinh viên khó hình dung chính xác được một số bộ phận trên cơ thể. Mô phỏng đang dần trở thành một phần của chuẩn đào tạo chuyên nghiệp, các hoạt động phẫu thuật, nha khoa và chăm sóc điều dưỡng, Ứng dụng Mô phỏng trong các chuyên khoa đặc thù vào việc đào tạo bác sĩ, giúp bác sỹ rèn luyện các kỹ năng lâm sàng, phục vụ cho số đông sinh viên, tiết kiệm được chi phí và giúp cho sinh viên rễ hiểu hơn các kỹ thuật thực hành trong ngành y tế.[19] Xuất phát từ những vấn đề nêu trên luận văn lựa trọn đề tài “Mô phỏng ba chiều và ứng dụng trong y học” nhằm tìm hiểu về mô phỏng và các kỹ thuật tính toán mô phỏng trên cơ sở đó cài đặt mô phỏng ba chiều xương sọ của cơ thể người. Nội dung của luận văn được trình bày trong 3 chương: Chương 1: Khái quát về mô phỏng và mô phỏng 3D trong y học Trong chương này cung cấp cho ta cái nhìn tổng quan về mô phỏng và mô phỏng 3D, đồng thời cung cấp một cái nhìn khái quát về ứng dụng mô phỏng 3D trong y học. Chương 2: Một số vấn đề trong mô phỏng 3D. Tại chương này đưa ra những cơ sở lý thuyết để làm cơ sở trình bày về một số kỹ thuật cơ bản để tạo mô hình trong mô phỏng 3D, trình bày chuyển động trong mô phỏng cho đối tượng có xương và không có xương. Chương 3: Thực nghiệm và ứng dụng Ở chương 3 em trình bày lưới đối tượng tạo nên sự liên kết trong mô phỏng. Trình bày một số mô hình cơ bản để xây dựng hình ảnh ba chiều xương sọ. Ứng dụng mô phỏng xương sọ và xây dựng bài giảng cho sinh viên. Hồ Xuân Nhàn Mô phỏng ba chiều và ứng dụng trong y học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 Chƣơng 1 KHÁI QUÁT VỀ MÔ PHỎNG VÀ MÔ PHỎNG 3D TRONG Y HỌC 1.1. Khái quát về mô phỏng và mô phỏng 3D 1.1.1. Thế nào là mô phỏng? Mô phỏng là một thuật ngữ mới xuất hiện phát triển mạnh trong vòng vài năm trở lại đây, đang trở thành một ngành công nghệ mũi nhọn nhờ khả năng ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực như: y tế, giáo dục, kiến trúc, quân sự, du lịch, giải trí, Hiện nay, có nhiều định nghĩa về mô phỏng, một trong các định nghĩa được chấp nhận rộng rãi là của C.Burdea và P.Coiffet thì có thể hiểu mô phỏng tƣơng đối chính xác như sau: Mô phỏng là một hệ thống giao diện cấp cao giữa Người sử dụng và Máy tính. Hệ thống này mô phỏng các sự vật và hiện tượng theo thời gian thực có tương tác với người sử dụng qua tổng hợp các kênh cảm giác. Đó là ngũ giác gồm: thị giác, thính giác, xúc giác, khứu giác và vị giác [6]. Hình 1.1. Giao diện giữa người sử dụng và hệ thống máy tính 3D Hồ Xuân Nhàn Mô phỏng ba chiều và ứng dụng trong y học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 Hay nói một cách cụ thể mô phỏng là công nghệ sử dụng các kỹ thuật mô hình hoá không gian ba chiều, với sự hỗ trợ của thiết bị hiện đại để xây dựng một thế giới mô phỏng để đưa người ta vào một thế giới nhân tạo với không gian như thật. Trong thế giới ảo này, người sử dụng không còn được xem như người quan sát bên ngoài, mà đã thực sự trở thành một phần của hệ thống. Thế giới “nhân tạo” này không tĩnh tại mà lại phản ứng, thay đổi theo ý muốn của người sử dụng nhờ những cử chỉ, hành động, Tức là người sử dụng nhìn thấy sự vật thay đổi trên màn hình ngay theo ý muốn của họ. Một cách lý tưởng, người sử dụng có thể tự do chuyển động trong không gian ba chiều, tương tác với các vật thể ảo, quan sát và khảo cứu thế giới ảo ở những góc độ khác nhau về mặt không gian. Ngược lại, môi trường ảo lại có những phản ứng tương ứng với mỗi hành động của người sử dụng, tác động vào các giác quan như thị giác, thính giác, xúc giác của người sử dụng trong thời gian thực làm người sử dụng có cảm giác như đang tồn tại trong một thế giới thực [6]. 1.1.2 Phân loại các hệ thống mô phỏng Mặc dù khó có thể phân loại được tất cả các hệ thống mô phỏng, nhưng phần lớn các hình thái hệ thống rơi vào ba nhóm chính, mỗi nhóm được xếp hạng theo khả năng cung cấp tính “thực” hay độ “nhúng” của người sử dụng trong môi trường ảo do hệ thống tạo ra. Tính thực hay độ nhúng được xem là kết quả của sự phối hợp nhiều yếu tố bao gồm mức độ tương tác với môi trường, mức độ nhìn lập thể, trường quan sát và tốc độ cập nhật ảnh của màn hình trong sự thay đổi về mặt không gian của người dùng [7]. [...]... nghệ n y trong lĩnh vực giải trí Hình 1.12 Hệ thống trong lĩnh vực giải trí 3D Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 14 Hồ Xuân Nhàn Mô phỏng ba chiều và ứng dụng trong y học 1.2 Mô phỏng 3D trong Y học Ng y nay, công nghệ hình ảnh mô phỏng 3D đang thu hut sư chu y cua ́ ̣ ́ ́ ̉ nhiêu ngươi va lĩnh vực y học cũng không phải là một ngoại lệ Y học là một ̀ ̀ ̀ trong. .. lĩnh vực ứng dụng tiềm năng và là một trong số ít lĩnh vực ứng dụng thuộc ngành khoa học của mô phỏng Cho đến nay, lĩnh vực nổi bật trong y học áp dụng thành công công nghệ mô phỏng là giả lập giải phẫu (Surgical Simulation) Trên cơ sở các kỹ thuật đồ hoạ m y tính và Mô phỏng, hệ thống đào tạo y học n y bao gồm hai bộ phận cơ bản: Khối tương tác ba chiều là mô hình sinh thể ảo cho phép người sử dụng thực... d y trong y tế vẫn là mảng đang bị bỏ ngỏ, chưa có đầu tư nào thích đáng phù hợp cho tình hình hiện nay Tương tự là những ứng dụng về mô phỏng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 18 Hồ Xuân Nhàn Mô phỏng ba chiều và ứng dụng trong y học trong chuẩn đoán bệnh hoặc luyện nghề của các trường học và các trung tâm y tế cũng chưa có gì Việc x y dựng các phần mềm mô. .. diện trong môi trường ảo Không - Thấp Trung bình Cao Trung bình Cao 1.1.3 Một số ứng dụng mô phỏng và mô phỏng 3D Cũng như nhiều ngành công nghệ khác, Mô phỏng chỉ thực sự được phát triển ứng dụng rộng rãi trong những năm gần đ y nhờ vào sự phát triển của tin học (phần mềm và phần cứng) Ng y nay mô phỏng đã trở thành một ngành công nghiệp và thị trường mô phỏng tăng trưởng hàng năm khoảng 21% và dự... Giải trí hiện nay đ y là ngành đạt được nhiều thành tựu và lợi nhuận về tài chính Trong giải trí nó có thể chia làm hai lĩnh vực chính đó là điện ảnh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 13 Hồ Xuân Nhàn Mô phỏng ba chiều và ứng dụng trong y học và game Trong điện ảnh ng y nay với sự phát triển của kỹ thuật và công nghệ mô phỏng người ta đã có thể x y dựng các bộ... vào giúp cho người dùng thực hiện các thao tác như: phóng to hay thu nhỏ, theo dõi và xoay chuyển các vật thể trong môi trường không gian 3 chiều giống y như trong thế giới thực Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 Hồ Xuân Nhàn Mô phỏng ba chiều và ứng dụng trong y học Hình 1.3 Chuột SpaceBall trong hệ thống không có tính nhúng Ưu điểm của các hệ thống không... nguy hiểm đòi hỏi phải thực hành, ví dụ như: huấn luyện tập nh y dù, tập lái xe, v.v thì việc ứng dụng mô phỏng là cực kỳ cần thiết Hình 1.9 Ứng dụng công nghệ mô phỏng trong huấn luyện tập nh y dù Tất cả những đặc tính n y khiến công nghệ mô phỏng trở nên rất phù hợp cho các ứng dụng có tính chất giáo dục hay đào tạo Tính chất trực quan của bài giảng được nâng cao, làm tăng sự hứng thú trong học. .. cầu), mô phỏng ứng đầu danh sách 10 công nghệ chiến lược năm 2009 Thị trường mô phỏng tại Mỹ trong các lĩnh vực giáo dục phẫu thuật y khoa và một số lĩnh vực khác được ước đạt 290 triệu USD vào năm 2010 (theo Neurovr.org) Ứng dụng của Mô phỏng có thể th y được rất nhiều trong thế giới hàng ng y của chúng ta Xét về khía cạnh ứng dụng một số lĩnh vực ứng dụng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái... 3 chiều và dê dang lam lưu ̃ ̀ ̀ thông các mạch máu bị nghẽn Theo cách truyền thống, việc tương tác với m y tính được thực hiện thông qua các thiết bị như bàn phím, chuột hay joystick/trackball để cung cấp thông tin đầu vào và sử dụng khối hiển thị trực quan để nhận thông tin Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 17 Hồ Xuân Nhàn Mô phỏng ba chiều và ứng dụng trong. .. khả Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 12 Hồ Xuân Nhàn Mô phỏng ba chiều và ứng dụng trong y học năng ghi nhớ các khái niệm quan trọng trong bài giảng Từ đó, học viên nắm bắt được nhanh chóng và có ý thức hơn với những tính huống đã được học 1.1.3.2 Thương mại - Du lịch Trong thương mại đặc biệt là trong ngành quảng cáo công nghệ mô phỏng đang có một vị trí . MÔ PHỎNG VÀ MÔ PHỎNG 3D TRONG Y HỌC 3 1.1. Khái quát về mô phỏng và mô phỏng 3D 3 1.1.1. Thế nào là mô phỏng? 3 1.1.2. Phân loại các hệ thống mô phỏng 4 1.1.3. Một số ứng dụng mô phỏng và. trong mô phỏng. Trình b y một số mô hình cơ bản để x y dựng hình ảnh ba chiều xương sọ. Ứng dụng mô phỏng xương sọ và x y dựng bài giảng cho sinh viên. Hồ Xuân Nhàn Mô phỏng ba chiều và ứng dụng. luận văn lựa trọn đề tài Mô phỏng ba chiều và ứng dụng trong y học nhằm tìm hiểu về mô phỏng và các kỹ thuật tính toán mô phỏng trên cơ sở đó cài đặt mô phỏng ba chiều xương sọ của cơ thể