让伤痛轻些,再轻些
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如今,3D不仅仅可以用来看电影、卖楼盘、观世博。在神圣、严谨的生命科学领域, 3D技术的应用也越来越广泛:华盛顿大学医学院的疼痛治疗专家正在使用一种SnowWorld 3D虚拟现实(VR)技术转移患者对疼痛的注意力,而新西兰奥克兰市立医院的胸外科手术专家也在应用3D技术建模、分析优化治疗心力衰竭的新方法――心脏泵……
用3D虚拟技术来重构整个世界,这是全球 3D 技术和产品全生命周期管理解决方案提供商达索系统的CEO Bernard Charlès,在近日上海举行的达索系统2010年PLM峰会上表达的愿景。
建模与设计、试验与分析、演示与互动,3D技术的应用在今时今日已不可小觑。我们不仅可以看3D电影和3D版世界杯的转播,就在与我们的生命息息相关的生命科学领域,,3D技术的应用也在日益推广、加深。
3D虚拟雪景游戏
减轻烧伤者的治疗之苦
烧伤患者在接受治疗的时候,除了要忍受受伤初期的伤痛,还要忍受后续伤口护理所带来的疼痛。为了缓解这种疼痛,华盛顿大学医学院的疼痛治疗专家正在使用一种由医生开发、借助3DVIA Virtools构建的SnowWorld 3D虚拟现实(VR)游戏,来转移患者对疼痛的注意力。
华盛顿大学医学院的虚拟现实研究员Hunter Hoffman博士以及疼痛与催眠专家Dave Patterson博士,采用视频游戏技术在1998年共同开发了SnowWorld的第一个版本。SnowWorld能够把烧伤患者的注意力吸引到了一个冰雪峡谷,那里雪花纷飞,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临其境地感受到冰雪峡谷。对于烧伤患者而言,看着护士处理他们的烧伤创口并不是一种愉快的经历,特别是对孩子来说。让他们沉浸在SnowWorld里,可以让他们暂时脱离现实世界,转移他们对疼痛的注意力。”
虽然SnowWorld初见成效,但研究人员感觉如果能够让患者更加深入地沉浸在这样的环境中,可进一步减轻疼痛。于是,Hoffman和Patterson转而求助于华盛顿大学的Howard Rose和Ari Hollander,并申请使用该大学的人机界面技术(HIT)实验室。
Hollander是3D浸入式技术方面的专家,而Rose则擅长设计虚拟环境。他们共同创建了Firsthand Technology――一家以“让技术为人类服务”为宗旨的严肃游戏(serious game)公司。该公司还开发其他类型的技术应用,既有治疗严重创伤后遗症的应用,也有医疗场景培训应用。此外,他们还进行软件界面优化,以增强虚拟现实环境中听觉、触觉和视觉的真实感。
Hollander表示:“我们原来是用其他软件应用来开发SnowWorld的各个版本的,但我们需要更加灵活的软件。于是,我们选择了达索系统提供的3DVIA Virtools重新开发了SnowWorld,使其更加便于修改。3DVIA Virtools的灵活性让SnowWorld的开发人员能够更加简易灵活地测试各种实验的假设,发现更好控制疼痛的相关因素。以Hoffman要求我们变换视场范围为例,如果在其他的平台上我们需要花费大量的时间,但借助3DVIA Virtools,我们可以既快又好地进行微调。”
3DVIA Virtools的优势之一是便于非编程人员使用。Rose表示:“我可以把我的构思直接变为实践。使用3DVIA Virtools,我们不再需要一大群编程人员,一个灵活的小团队就能做很多事情。Firsthand是一家小公司,Virtools让我们能够开发出各种技术应用,满足我们客户各种各样的需求。”
3DVIA Virtools的渲染功能让设计人员能够开发出动态着色效果和角色动画,这是3DVIA Virtools在众多类似价格的虚拟现实解决方案中独树一帜的地方。Rose表示:“使用3DVIA Virtools,我们能够使用颗粒、着色和细致的纹理来实现非常逼真的体验。”
Hoffman说:“在由3DVIA Virtools开发的SnowWorld里,雪花看上去就跟真的一样”,强烈的逼真感可以令人感觉身临其境,从而提高减轻疼痛的效果。“这款软件充分利用了目前计算机运转速度加快的优势,3D的应用空间显著增强。”
编程速度是另一项关键优势。Hollander表示:“3DVIA Virtools内置的功能和灵活性有助于加快原型设计。我们的客户非常满意地看到他们的设计思路进展迅速,通过强化协作设计流程,提高了最终产品的客户满意度。”
现在的临床治疗效果表明,在很多情况下,患者不仅能感觉到疼痛感下降,而且脑部扫描的结果显示,患者与疼痛相关的脑部活动也下降了50%。
3D建模
分析优化“第二心脏”
心力衰竭可以通过药物、去纤颤器、内植心脏泵,乃至心脏移植加以治疗。但没有哪一种疗法对任何人都适用,而且植入的泵设备也往往会带来副作用和各种问题。新西兰奥克兰市立医院的胸外科手术专家和高级研究员William Peters博士认为应该有更好的治疗办法。
Peters曾发明过一种微创旁路系统。他表示,普通的植入式血接触设备(比如左心室辅助器LVAD)可以拯救等待心脏移植病患的生命,但患者必须长期服用抗凝药。虽然这样可以避免血液结块,但会增加中风的危险,而且某些心脏辅助设备的可靠性还存在问题。
作为替代方案,Peters构思了一种被称之为“C-Pulse”的新颖泵系统。它在体内发挥作用,但不是在血液循环系统内。C-Pulse包括一条环绕主动脉的缠带,外面有一层可使血管的外壁膨胀和收缩的膜(气囊)。气囊产生的正负压使主动脉的脉动与心脏同步,从而增加循环系统中的血液流量,降低心脏的负荷。该设备由放置在体外的电池供电泵系统提供动力。
Peters为他的构思申请了专利,并组建了Sunshine Heart公司进行设备的开发和测试。当气囊可以按人体模型比例进行放大的时候,公司决定采用更为先进的设计和开发方法来缩短交付时间,提供满足内科医生要求的长期性能保证。
Sunshine Heart公司的机械工程经理Scott Miller表示:“由于C-Pulse基本上是永久植入的,我们需要保证我们的物理设计得到足够优化,能够为我们提供所需要的长期抗疲劳性能。我们决定使用有限元分析(一种数值分析方法,计算精度高,能适应各种复杂形状),以计算的视角进行研究。”
Miller和一家产品开发小组与技术工程软件服务公司Matrix Applied Computing Ltd.保持着亲密协作关系。该公司建议在真实仿真阶段使用达索系统的Abaqus有限元分析软件。该软件主要用来为C-Pulse缠带、气囊与主动脉之间的互动情况建立分析模型。Miller表示:“有限元分析是一个迭代过程,由于设备的工作方式、组装方式和使用的材料的特殊性,我们需要一些特别的方法。”
在C-Pulse的有限元分析模型构建完毕之后,Matrix通过运行仿真来确定在通过外科手术进行植入的时候,该设备的气囊应采用的外形。随后他们仿真了气囊完整的凸起、凹下、复原三态转换。
设计分析的最终目的是为了让气囊在工作周期中保持最低的应力形变幅度和最大的平均压缩应力形变。Campbell表示:“这是个趣味物理项目,我们最终得到的模型在测试环境中运行良好。”有限元分析模型的功能超出了SunShine Heart的要求。Miller表示:“我们一次就完成了解决方案的设计”。他的研究小组接下来证明了该解决方案能够适用于不同的尺寸,而这非常适合于针对具体病患的情况对设备进行定制。