introduzione alla realtà vi t l i ri bilit ivirtuale in … aumentata un sistema di realtà...
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Università di PisaCorso di Laurea in Terapia Occuapazionale
àCorso di Bioingegneria applicata alla Realtà VirtualeAnno Accademico 2009/2010
Introduzione alla Realtà Vi t l i Ri bilit iVirtuale in Riabilitazione
Stefano Mazzoleni, PhD
Il sistema somatosensoriale
Il sistema somatosensoriale, che comprende i recettori della sensibilitàsomatica, le loro vie centrali e le aree corticali di proiezione, comprendequattro modalità:
t ttil ti di i d ll ti l i ti di tt itattile: tipo di energia dello stimolo meccanica, tipo di recettorimeccanorecettori cutanei
propriocettiva: tipo di energia dello stimolo meccanica tipo di recettoripropriocettiva: tipo di energia dello stimolo meccanica, tipo di recettorimeccanorecettori muscolari, tendinei e articolari
termica: tipo di energia dello stimolo termica, tipo di recettoritermica: tipo di energia dello stimolo termica, tipo di recettoritermorecettoricutanei del caldo e del freddo
nocicettiva: tipo di energia dello stimolo meccanica, termica, chimica,gtipo di recettori meccanorecettori, recettori termo-meccanicie recettoricutanei
Tatto
Percezione aptica
Esterocezione (percezione tattile): Capacita di percepire quantita fisiche misurate all'esterno
Esterocezione Propriocezione
Esterocezione (percezione tattile): Capacita di percepire quantita fisiche misurate all esternodel corpo
ForzeTemperatureTessitura delle superficiUmidita ecc...
P i i ( i i t ti ) P i i à fi i h h i di lPropriocezione (percezione cinestetica): Percepire quantità fisiche che indicano lo statointerno del corpo (contrazione muscolare, stiramento di tendini e legamenti, posizione degli artiecc...):
DimensioniFormaPesoPosizione e orientamento nello spazio
Meccanorecettori
I meccanorecettori sono sensibili a stimolimeccanici:
TattoCinestesia: sensazione provocata dai movimenti del
proprio corpo e in particolare dalla contrazione deip p p pmuscoli striati
Strato corneo: A contatto con l'esterno, di spessoreStrato corneo: A contatto con l esterno, di spessorevariabile. In base alla sue caratteristiche si determinala trasmissione delle forze ai recettori sottostantiVi sono di 4 differenti tipi di meccanorecettoriVi sono di 4 differenti tipi di meccanorecettori
Meccanorecettori
I quattro tipi di meccanorecettorisono:
Collocati negli strati superficiali della pelle
Meissner: sensibili ad una pressioneMeissner: sensibili ad una pressioneprolungata, all’inizio e al termine dellostimolo (vibrazioni a bassa frequenza)– rapido adattamento
Merkel: sentono le pressioni lievi - lentoadattamento
Collocati nel tessuto sottocutaneoCollocati nel tessuto sottocutaneoRuffini: sensibili ad una pressioneprolungata, per tutta la durata dellostimolo – rapido adattamentostimolo rapido adattamento
Pacini: reagiscono a pressioni forti erapide (vibrazioni ad alta frequenza) -lento adattamento
Realtà Virtuale e Realtà Aumentata
La Realtà Virtuale rappresenta un ambienteinterattivo tridimensionale generato dal computerinterattivo tridimensionale generato dal computer
La Realtà Virtuale richiede un’immersioneLa Realtà Virtuale richiede un immersionedell’utente in un ambiente completamente fittizio,dove tutto quello che si percepisce è generato dal
t L’ t t i bi t i l tcomputer. L’utente percepisce un ambiente isolatoe distinto dall’ambiente reale
La Realtà Aumentata non isola l’utentedall’ambiente reale che viene arricchito tramiteoggetti virtuali generati dal computer
Realtà Virtuale
Per immersione in ambiente virtuale si intende lasensazione di essere effettivamente in talesensazione di essere effettivamente in taleambiente e circondato da esso
E’ necessario l’utilizzodi differenti stimolidi differenti stimoli(visivi, acustici, tattili)
E’ necessario che leinterazioni avvenganoin tempo realein tempo reale
Interazione con un Ambiente Virtuale
La comunicazione tra l’utente è l’ambiente virtualeviene effettuata mediante differenti interfacceviene effettuata mediante differenti interfacce
Interazione con un Ambiente Virtuale
Le interfacce aptiche (dal termine greco Haptesthai, che
i ifi l ti l t tt ) di iti i i di f isignifica relativo al tatto) sono dispositivi capaci di fornire
una risposta (feedback):
Informazioni sul movimentoPercezione della posizione degli artiSensazioni tattili e di contatto con gli oggetti virtualiSensazioni tattili e di contatto con gli oggetti virtuali
L’utente “sente” le forze generate in risposta alle forze che eglistesso ha applicatostesso ha applicato
Interazione con un Ambiente Virtuale
Esempi di interfacce aptiche:
J ti k it di f (f f db k)Joystick con ritorno di forza (force feedback)
Guanto interattivo
Phantom
Interfaccia aptica
Una tipica interfaccia aptica solitamente include uno o più trasduttorielettromeccanici per:p
applicare stimoli sensoriali a distinte aree del corpo;
misurare e registrare i movimenti per replicarli nell’ambiente virtuale
Interfaccia aptica
Per pilotare i trasduttori e necessario un sistema computazionale che sia ingrado di gestire il flusso bidirezionale di informazioni tra l'interfaccia egrado di gestire il flusso bidirezionale di informazioni tra l interfaccia el'utente
Scambio di informazioni simultaneo tra utente e interfaccia aptica
Motori e trasmissioni per applicare la stimolazione fisicaElettronica di controllo per sensori e motoriSoftware in grado di gestire algoritmi di simulazione del mondo reale
Tipi di Realtà Virtuale
Realtà Virtuale immersiva
Realtà Virtuale non immersivaDesktop VRDesktop VR
Comandi e controlli
R ltà A t tRealtà Aumentata
Realtà Virtuale immersiva
Immersiva = interazione completa con l’ambiente
virtuale
Nella Realtà Virtuale immersiva si utilizzano:
àvisori montati in prossimità degli occhi,
sensori di posizione in grado di fornire l’indicazione
dell’orientamento del punto di vista dell’utente,
guanti dotati di sensori per manipolare gli oggetti virtuali eg p p g gg
per simulare sensazioni tattili artificiali
Realtà Virtuale non immersiva
Desktop VR
L’ambiente virtuale è presentato sullo schermo di uncomputercomputer
PC, mouse e schermiGiochiWeb
Realtà Aumentata
Un sistema di Realtà Aumentata (Augmented Reality,abbreviato AR) è un sistema in grado di arricchire una scena realemediante elementi grafici e testuali
Il d l è “ t t ” i hit i t l tIl mondo reale è “aumentato”, ovvero arricchito virtualmente coninformazioni grafiche e testuali addizionali, sincronizzate generatedal computerdal computer
L’elaborazione deve essere effettuata in modo tale che l’utenteabbia la percezione di una singola scena in cui l’ambiente reale equello virtuale sono indistinguibili
Lo scopo della Realtà Aumentata è quello di migliorare lapercezione dell’ambiente reale e le prestazioni dell’operatorepercezione dell ambiente reale e le prestazioni dell operatore
Realtà Aumentata
Informazioni aggiuntive
Scena reale
Tecnologie per la Realtà Aumentata
Head Mounted Display (HMD)O ti l th h l’ t tOptical see-through: l’utente
indossa un dispositivo dotato di lentitrasparenti su cui viene proiettata una
i t lscena virtuale
Video see-through: l’utente, conl’ausilio di due display, è completamentel ausilio di due display, è completamenteimmerso in un mondo in cui coesistonooggetti reali e oggetti virtuali
Applicazioni di VR in Medicina
Pianificazione pre-operatoriaPianificazione pre-operatoria
Addestramento del chirurgo
Computer Aided Surgery
Diagnosi
Riabilitazione
Applicazioni di VR in Medicina
Addestramento del chirurgo
I simulatori permettono di:I simulatori permettono di:
effettuare un addestramento ripetibile,
graduabile per difficoltà e adattabile alle
esigenze dell’allievo chirurgo
esercitarsi con patologie rare e difficili da
t tttrattare
utilizzare nuove tecniche chirurgiche
ripetere più volte la procedurap p p
Il chirurgo può preparare l’intervento nel modello virtuale 3D, eseguire piùvolte la procedura ed infine utilizzare il modello virtuale come guida durantel’operazione realel operazione reale
Applicazioni di VR in Medicina
L’ endoscopia virtuale è una tecnica in cui i dati provenienti dasorgenti non intrusive sono utilizzati per realizzare un ambienteg pvirtuale che può essere esplorato dal chirurgo come se unendoscopio fosse realmente inserito in un paziente
Endoscopic Simulationp
Georgia Institute of Technology and the Medical College of Georgia (USA)
www bitc gatech eduwww.bitc.gatech.edu
Applicazioni di VR in Medicina
Training nelle procedure di chirurgia minimamente invasiva
Acquisizione e valutazione della prestazione chirurgica
Applicazioni di VR in Medicina
idvideo
Applicazioni di VR in Riabilitazione
Riabilitazione motoriaRiabilitazione cognitivaApprendimentoppTrattamento dei disturbi psichiatrici
Applicazioni di VR in Riabilitazione
In combinazione con sistemi robotici
Vista del paziente durante i i di hi
Sistema GENTLE/S (Gran Bretagna, 2001)esercizi di reaching
Applicazioni di VR in Riabilitazione
In combinazione con sistemi robotici
Ortesi per l’arto superiore conmeccanismo integrato dicompensazione del peso.
Impugnatura con sensore di pressioneper esercizi funzionali di presa.per esercizi funzionali di presa.
Libreria software con esercizifunzionali per motivare l’interazione delpaziente
Sistema ARMEO (Svizzera, 2006)
paziente.
Applicazioni di VR in Riabilitazione
In combinazione con sistemi robotici
Sistema ARMEO
Esercizi di reaching
Applicazioni di VR in Riabilitazione
In combinazione con pedane mobili per larieducazione dell’equilibrio e della posturarieducazione dell equilibrio e della postura
Sistema CAREN