Modelagem e Implementação de um Sistema para Treinamento de Técnicos em Radiologia Baseado em Realidade Virtual não Imersiva

Emmanuel Nazareno de Lima Ferro, Anselmo Cardoso de Paiva

Grupo de Informática Aplicada - GIA

Departamento de Informática - Universidade Federal do Maranhão Prédio CCET - Campus do Bacanga, Av. dos Portugueses, S/N - São Luis - MA, CEP 65085-580

eferro@bol.com.br, paiva@deinf.ufma.br

Abstract. Over the past few years, is increasing the importance of new and improved training techniques. Virtual Reality is a technology that holds a lot of potential for the medical training sector. This work describes the architecture of a system based on desktop virtual reality to provide a stimulating and reduced cost environment to train radiology technologists. The system is based on an virtual room that provides the ability to position an avatar of a virtual patient adequately to the exams prescription, to calibrate the X-Ray machine and to simulate the taken radiography. Also the system may be used as a digital reference to the radiographers, giving the right position and machine parameters for a specified exam. Resumo. Nos últimos anos, tem crescido a importância de novas técnicas de treinamento. Realidade Virtual é uma tecnologia que tem grande potencial para aplicação em treinamento médico. Este trabalho descreve a arquitetura de um sistema baseado em Realidade Virtual não imersiva que oferece um ambiente estimulante e de baixo custo para treinamento de técnicos em radiologia. O sistema é baseado em uma sala virtual que disponibiliza ao usuário a possibilidade de posicionar um avatar representando um paciente virtual de acordo com as prescrições de um exame radiográfico, além de calibrar a máquina de Raio-x e de simular a radiografia obtida. Adicionalmente, o sistema pode ser usado como uma referência digital para os técnicos em radiologia, fornecendo a posição e os parâmetros da máquina corretos para um determinado exame.

1. Introdução A realidade virtual (RV) pode reduzir consideravelmente os custos e o tempo de treinamento, uma vez que dispensa o uso dedicado de equipamentos e a atenção individual de instrutores. Além disso o treinamento apresentado é mais vantajoso quando comparado a sistemas multimídia, pois apresenta a vantagem de possibilitar interação com o ambiente virtual.

O uso de RV como ferramenta de treinamento, além de reduzir o seu tempo, permite a prática continuada, livre dos riscos à saúde, aumenta a segurança durante o período inicial de treinamento, oferecendo acesso ilimitado à prática em aparelhos, que por seu valor e disponibilidade, não estavam acessíveis de igual forma.

Vários trabalhos foram realizados desenvolvendo ferramentas para a educação de técnicos em radiologia. Costaridou [Costaridou 1995 e 1996] descreve uma aplicação voltada para o aprendizado

dos parâmetros físicos usados na produção dos raios-x usados para a geração de imagens, assim como para possibilitar ao aprendiz a compreensão da inter-relação e interdependência entre esses parâmetros e os correspondentes efeitos causados na qualidade das imagens. Esse trabalho resultou numa ferramenta de simulação interativa que oferece uma forma de aprendizado por computador, disponível a todos da equipe radiológica, como médicos e técnicos. Ferramenta esta que faz uso de hiperdocumentos para interagir com o usuário, não representando assim, uma forma natural para o treinamento da equipe radiológica.

Wright [Wright 1995] fez uso de RV para ensinar como se deve posicionar o paciente para realização de exames radiográficos do cotovelo. Seu trabalho descreve um protótipo da articulação do cotovelo que permite ser posicionado para diversas incidências radiográficas. Pelo uso de RV, os treinandos podem observar os movimentos dos ossos do braço e antebraço sendo manipulados. Este trabalho também descreve o desenvolvimento e as vantagens do uso de RV para educação nas ciências médicas. Um fator limitante deste trabalho é o fato de ser dedicado a uma porção limitada da anatomia humana.

Neste trabalho descrevemos a arquitetura de um sistema para minimizar os problemas no treinamento de técnicos em radiologia, através de um simulador de exames radiográficos que faz uso de RV. O sistema permite interação do treinando com o paciente virtual, é capaz de avaliar o resultado da simulação e dá ao mesmo uma avaliação de sua atuação.

Este artigo está organizado da seguinte forma: Na seção seguinte abordaremos a problemática do treinamento de técnicos em radiologia. Depois na terceira seção apresentaremos uma visão geral de RV. A seguir apresentamos uma proposta de arquitetura para um sistema simulador de exames radiográficos, e as tecnologias envolvidas. Finalmente avaliaremos os resultados já obtidos, discutiremos os problemas e o estágio atual do desenvolvimento. 2. Treinamento de Técnicos em Radiologia A radiologia ocupa importante lugar na medicina moderna. O uso de radiação na medicina ocorre de duas maneiras: com fins de diagnóstico ou terapêutico. Os profissionais da área de diagnóstico por imagens fazem uso de equipamentos de alta tecnologia para obter imagens de qualidade para o diagnóstico de diversas patologias. Existem diversas tecnologias usadas para a aquisição de imagens para diagnóstico tais como: tomografia computadorizada, ressonância magnética, ultra-sonografia, e o raio-x convencional, este último é o mais comum e serve de base para a aplicação da maioria dos métodos de estudo radiológico. O técnico em radiologia é o profissional responsável por posicionar adequadamente o paciente e obter uma imagem de qualidade para o diagnóstico. A radiografia ou incidência radiográfica é a imagem em tons de cinza obtida pelo método do raio-x convencional. Um exame radiográfico é composto de uma ou mais incidências radiográficas.

Atualmente a formação de técnicos em radiologia é feita por cursos técnico-profissionalizantes. Estes cursos são normalmente divididos em duas fases distintas: teórica e prática. Durante a fase teórica são estudadas várias disciplinas tais como anatomia humana, física, técnica radiológica. A fase prática do treinamento é feita em um serviço radiológico sob a supervisão de um instrutor, na qual cada treinando deve realizar exames em pacientes. Um dos principais aspectos observados no treinamento prático de técnicos em radiologia, e que tem implicações diretas na qualidade dos exames, é o estudo do posicionamento do paciente nas diversas incidências. Pode-se dizer que o correto posicionamento do

paciente é o item mais importante para a obtenção de uma boa radiografia, além do mais, um rigoroso posicionamento evita repetições de incidências, evitando assim a exposição desnecessária do paciente e da equipe radiológica às radiações ionizantes, danosas a saúde. A fase prática do treinamento de técnicos em radiologia apresenta uma série de problemas como: exposição de pacientes e técnicos aos riscos inerentes às radiações, custo elevado devido ao uso de equipamentos e gasto de filmes (ou armazenamento digital de imagens) e longos período de treinamento, devidos à necessidade de acompanhamento individual.

A construção de um sistema baseado em RV para a simulação de exames de raio-x propicia um aumento na proteção radiológica de técnicos e pacientes durante o processo de treinamento. Esperamos que o sistema reduza os custos do processo de treinamento uma vez que reduzirá a necessidade do uso de aparelhos, gastos com filmes (ou armazenamento digital de imagens) e instrutores dedicados. Outro aspecto relevante é a possibilidade de dispor de um meio atrativo e barato para educação continuada de técnicos em radiologia. 3. Realidade Virtual Realidade Virtual é um poderoso recurso do uso de computadores, que busca minimizar a distância entre o usuário e as máquinas. A RV pode ser considerada como a junção de três idéias: imersão, interação e envolvimento. Existem basicamente duas classes diferentes de sistemas de RV: os sistemas imersivos e não imersivos. Nos sistemas de RV imersivos o ambiente virtual envolve o usuário. O usuário pode ouvir, visualizar e interagir com o ambiente artificial. Sistemas não imersivos são aqueles que não dão ao usuário a sensação de estar dentro do ambiente virtual. Esta é a forma mais simples de aplicação de RV. Ela faz uso dos dispositivos comuns de entrada/saída para mostrar cenas do mundo virtual.

A maior vantagem de sistemas de RV não imersivos é o custo, sempre menor quando comparado a outras formas de RV. Este baixo custo os torna extremamente atrativos para muitas aplicações. Seu uso para treinamento parece ser uma solução adequada quando se leva em conta os custos. Para ser usada como ferramenta de treinamento, um ambiente virtual deve concentrar-se na fidelidade da renderização e na precisão dos fatores simulados.

Figura 1 - Diagrama de Casos de Uso do Sistema

4. Modelagem do Sistema Nesta seção apresentamos a modelagem do sistema para treinamento de técnicos em radiologia segundo a UML (Unify Moleling Language) [Furlan 1998]. A Figura 1 mostra o diagrama de casos de uso do sistema, que descreveremos a seguir.

Existem três grupos principais de casos de uso: gerenciamento de testes, gerenciamento de exames, gerenciamento de usuários. Estes casos de uso interagem com dois tipos de usuários (atores): o técnico e o instrutor. O treinamento do técnico, uso primário do sistema, começa pela escolha de um exame ou de incidências, que a seguir devem ser simuladas uma a uma. Para simular uma incidência deve-se posicionar o paciente corretamente, configurar a mesa de exames em conformidade com a incidência a ser realizada e calibrar os fatores físicos do aparelho de raio-x. Após estes procedimentos, o técnico poderá comparar a radiografia obtida com a radiografia correta armazenada pelo sistema.

O instrutor é responsável pelo gerenciamento da base de dados de exames e de técnicos. Além disso ele supervisiona os resultados obtidos nos testes realizados pelo técnico com a finalidade de avaliação.

Através do módulo cliente o usuário pode manipular o aparelho, utilizando a luz de colimação, alterando a distância foco-filme, angulação da ampola e demais fatores como se fosse um aparelho real. O usuário poderá explorar o ambiente, buscando a melhor simulação através do posicionamento adequado do paciente e a correta localização do raio central (luz vermelha no centro da luz de colimação), angulação adequada e posição correta da estativa (mesa).

O sistema segue o modelo cliente-servidor, tendo seus módulos mostrados na Figura 2. O módulo cliente é organizado em três partes: a cena VRML [VRML97 1997], o applet de controle e o visualizador de incidência. O módulo servidor é representado pelos scripts em JSP (Java Server Pages) que fazem a interface das informações armazenadas no banco de dados de exames.

Figura 2- Arquitetura Geral do Sistema

A interface com o usuário, apresentada na Figura 3, é implementada como uma página HTML dividida em duas regiões: a cena VRML e a interface de controle.

Cena VRML: Esta região mostra a representação virtual de um ambiente (sala) com um aparelho de raio-x que simula as funcionalidades de um aparelho real e a representação de um paciente:

um humanóide [Badler 1997] prototipado com articulações móveis. Este ambiente virtual é modelado em uma cena VRML, com scripts que tornam possível a direta manipulação do aparelho de raio-x e o posicionamento do paciente. Assim o usuário pode, diretamente, transladar a mesa, alterar a distância foco-filme, angular o tubo de raio-x, acender e apagar a luz do colimador, bem como variar as posições do paciente dentre outras coisas.

O humanóide [Babinski 2002] Baxter desenvolvido no padrão H-Anim [H-ANIM 2002] representa o paciente. Este humanóide possui sensores em todas as articulações, o que permite ao usuário modificar o seu posicionamento diretamente.

Figura 3 - A Interface com o Usuário

Interface de Controle: É um applet [Hortsman 1999] Java que trabalha como ligação entre o usuário e o mundo virtual. Através dele o usuário pode gerenciar o sistema. Este applet funciona também como console do aparelho de raio-x. É nele que o usuário altera as constantes físicas da produção de raio-x, tais como kV (tensão elétrica aplicada no anódio do tubo de raios-x para atrair os elétrons), mA (intensidade de corrente elétrica aplicada no catodo do tubo de raios-x com a finalidade de liberar elétrons) e foco (área do alvo do anódio onde colidem os elétrons para a formação dos raios-x). Da mesma forma que em um console real, a interface de controle permite ao usuário manipular o aparelho à distância, fazer colimação manual, escolher dentre vários tamanhos de filmes, escolher a posição do filme e finalmente efetuar o disparo para obter a radiografia simulada.

Para tornar possível a comunicação entre o applet e a cena VRML, foi usada a EAI (External Authoring Interface) [VRML-EAI 2003], uma biblioteca de classes que torna possível a interação entre um programa externo e uma cena VRML [VRML 1997].

Quando o usuário define o posicionamento do paciente, a configuração e a calibração do aparelho, a simulação de uma incidência radiográfica pode ser obtida. O resultado é mostrado em outra página HTML. Para simular a radiografia, usamos outra versão do humanóide, representando o

esqueleto na mesma posição em que está o paciente e fazemos uma imagem a partir do ponto de vista da ampola. Este esqueleto foi montado usando as partes individuais do humanóide. Para cada parte removeu-se textura, cor e aplicou-se 90% de transparência com o objetivo de possibilitar a idéia da presença de partes moles. Foram acrescentados a seguir os ossos correspondentes a cada região anatômica, tendo o cuidado de posicioná-los corretamente e em escala adequada. Os ossos utilizados para montar o esqueleto foram desenvolvidos pelo Projeto VAKHUM [Ballinger 1991]. Como exemplo temos a simulação de um exame de crânio, incidência de Towner vista na Figura 4, onde é possível observar o posicionamento do paciente, a configuração/calibragem do aparelho e a imagem obtida.

Figura 4 - Posicionamento do paciente e configuração do aparelho para incidência Towner (exame de crânio) e radiografia simulada.

6. Conclusão O uso de Realidade Virtual para simular atividades de risco a saúde humana é uma exigência das condições tecnológicas existentes. A área de diagnóstico por imagens teve um importante avanço tecnológico nas últimas décadas, e este trabalho tenta seguir esta tendência oferecendo condições para a evolução dos meios de aprendizagem e aprimoramento. O uso de realidade virtual não imersiva torna possível desenvolver um sistema eficiente, seguro e barato com aplicação direta no treinamento e educação continuada de técnicos em radiologia.

Até o momento observamos que o sistema tem correspondido às expectativas, o módulo de treinamento foi testado e os resultados mostraram-se satisfatórios. A radiografia simulada aproxima-se bastante da radiografia real mostrando-se adequada para o propósito ao qual se presta.

O próximo passo é a construção do banco de dados. Após esta etapa será possível implementar os módulos de avaliação e demonstração.

Como sugestão para trabalhos futuro, apontamos para a necessidade do sistema de uma interface que facilite o posicionamento do paciente. Esta interface deve obedece às limitações de cada articulação, combinar os movimentos de translação e rotação para chegar mais próximo dos movimentos humanos, deve também tornar mais simples a tarefa de mover o paciente pela sala. 7. Referências Babski, C., Disponível em: http://ligwww.epfl.ch/~babski/StandardBody/, Último acesso em:12/2002. Badler N. I. Virtual Humans for Animation, Ergonomics, and Simulation, IEEE Workshop on Non-

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Philip W. Ballinger, VII, 1991. Costaridou L. et all. A learning tool in medical imaging: using procedure graphs in radiographic

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Paulo: MAKRON Books, 1998. H-ANIM, Humanoid Animation Working Group, Disponível em: http://www.h-anim.com/. Último

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Wright D.L., Rolland J.P. and Kancherla A.R. Using virtual reality to teach radiographic positioning. Radiol Technol, 1995 Mar-Apr, 66(4).