UPC VII – Informática Médico-Dentária

2011/2012

Realidade Aumentada:

Medicina e Medicina Dentária

Artigo realizado por:Jorge Fonseca nº033

Luis Lopes nº20Miguel Silva nº036

Ricardo Lopes nº028Turma 3

Introdução

A Realidade Aumentada (RA) distingue-se da Realidade Virtual (RV) por permitir que o utilizador mantenha o contacto com o mundo real, enquanto são compostos neste objectos criados digitalmente. Assim sendo, a RA enriquece a realidade, ao invés de a substituir. Idealmente, os objectos reais e virtuais apresentar-se-iam ao utilizador como coexistindo no mesmo lugar, não sendo este capaz de os diferenciar qualitativamente. Tal ainda não foi rigorosamente concretizado. A tecnologia actual tem permitido explorar uma cada vez mais ampla aplicação da RA, desde a navegação aérea militar, o entretenimento, o planeamento robótico, a reparação e manutenção de máquinas e a visualização médica (1).

De entre os vários aspectos da sociedade moderna nos quais se procura integrar eficazmente a RA, destaca-se a sua vertente médica, mais concretamente no que concerne à sua componente didáctica a nível universitário. Neste âmbito, tanto a aprendizagem virtual como a aumentada podem incluir-se numa abordagem e-Learning, definida como “aprendizagem que recorre às tecnologias da informação e da comunicação” (2).

A Realidade Aumentada em Medicina visa a implementação de um sistema tridimensional de visualização desenhado para aperfeiçoar o método educativo nas escolas médicas e, particularmente, facilitar a preparação de intervenções cirúrgicas. Até à data, a maioria dos desenvolvimentos na simulação virtual durante o processo de aprendizagem tem ocorrido no campo da cirurgia, onde é fulcral que os profissionais dominem procedimentos complexos antes de os executarem em pacientes.

A medicina dentária é uma das áreas mais exigentes do ensino superior. É exigido aos estudantes que assimilem grandes quantidades de conhecimentos e, em ambiente clínico, os combinem com a aquisição de destreza manual e a habilidade de resolução de problemas. Hoje em dia, é comum ministrar aos discentes um período de duração variável de aulas de prática simulada em fantomas, através da qual, por repetição, se procura facultar as competências necessárias para que os alunos possam progredir com o mínimo de percalços para a prática clínica com paciente reais (3). No entanto, este método apresenta uma falha praticamente irremediável pela via tradicional: o tempo que decorre até que os alunos possam receber feedback dos docentes relativamente ao seu trabalho. Além disso, tem custos acrescidos em material e é deficiente em termos ergonómicos.

Os sistemas de RA, de entre os quais se destaca o DentSim da Denx pela aceitação e implementação que tem recebido nos últimos anos, nomeadamente em universidades norte-americanas, conseguem colmatar eficientemente as lacunas acima referidas para as práticas convencionais. Sistemas como este providenciam um feedback imediato em todos os procedimentos pré-clínicos. Ao invés do professor ter que se deslocar individualmente para balizar o trabalho, o próprio sistema informático avalia o preparo e, também, dá indicações durante a sua confecção (4).

Assim, e com o desenvolvimento acelerado da tecnologia, há a tendência para progressivamente implementar estes sistemas a uma escala global. Uma integração no currículo académico que não pode ser concretizada sem um planeamento criterioso guiado primariamente pelas ciências cognitivas (3).

Desta forma, pretendemos, no presente artigo, efectuar uma revisão global das aplicações mais recentes da RA, nas suas vertentes médica e médico-dentária. Principiaremos por explanar o conceito de Realidade Aumentada no âmbito da informática.

Material e Métodos

Foi efectuada uma pesquisa na Medline® utilizando a seguinte metodologia de pesquisa (palavras-chave, operadores booleanos e limites):

“augmented reality”, limitada a artigos publicados nos últimos 5 anos, em inglês.“augmented reality” AND “dentistry”, limitada a artigos publicados nos últimos 10 anos, em inglês;“augmented reality” AND “medicine” limitada a artigos publicados nos últimos 10 anos, em inglês.

Efectuamos ainda uma pesquisa no motor de busca generalista Google (palavras-chave, operadores booleanos e limites):

“augmented reality”, limitada a artigos no formato PDF;“augmented reality” AND “dentistry”, limitada a artigos no format PDF;“augmented reality” AND “medicine”, limitada a artigos no format PDF.

Recorremos ainda ao motor de busca científico Google Scholar para realizar uma pesquisa dos artigos encontrados na Medline® que não estavam disponíveis na sua versão integral.

No total, recolhemos 12 artigos.

Realidade Aumentada – Conceito Informático

A Realidade Aumentada consiste numa variação da “Realidade Virtual”. Porém, enquanto a realidade virtual cria um ambiente virtual onde são colocados os objectos que vão ser manipulados, no caso da Realidade Aumentada, estes objectos são trazidos ao utilizador para o mundo real, sem necessidade de criar ambientes virtuais de modo a poder manipular esses mesmos objectos. Desta forma, a realidade virtual, tem de possuir indubitavelmente três características fundamentais:

- Combina o real com o virtual;- Interactivo e em tempo real;- Reproduzido em 3D.

Assim, a realidade aumentada vai possibilitar ao utilizador trazer objectos virtuais para o mundo real e desta forma este vai conseguir ter uma melhor percepção da interacção que estes objectos poderão ter com o mundo assim que sejam reproduzidos como objectos reais/como acções em objectos reais, pois a realidade aumentada vai ser a simulação, idealmente perfeita, de objectos/acções reais.

A realidade aumentada, porém, embora tenha a capacidade de adicionar objectos virtuais ao mundo real, também possibilita a remoção de objectos reais, ou seja, ocultar os objectos reais ao utilizador, pois na realidade eles continuam a estar presentes no mundo real. A “Realidade Aumentada” pode ser expandida para o sentido da audição, em que a utilização de sistemas auriculares, ou Headphones, produziriam um som sintético que mascarasse os sons provenientes do mundo real assim que microfones acoplados a este sistema detectassem os sons provenientes do mundo real que o utilizador queira mascarar que que possam intervir com a experiência de realidade aumentada (como por exemplo o som dos aparelhos que possibilitam o funcionamento desta mesma realidade), deste modo, o utilizador iria ter uma experiência mais

envolvente. Outra expansão da Realidade Aumentada é a da Háptica, ou seja, o sentido do tacto, em que através da utilização de luvas ou outros dispositivos, o utilizador tem a capacidade de percepcionar a sensação de pressão/tacto quando em contacto com o objecto virtual que está presente no mundo real. Tal como no caso anterior, isto irá melhorar ainda mais a representação virtual, tornando-a ainda mais real.

A base da Realidade Aumentada pode ser reproduzida por tecnologias ópticas ou de vídeo. Através das tecnologias ópticas temos os “Optical see-through Head Monitor Displays”, estes, basicamente são “Head-UP Displays” em que um painel/visor transparente entre o utilizador e o mundo real caracteriza o mundo real com informações.

Em contraste, os “Video see-throught Head Monitor Displays”, ao invés de ser utilizado um painel transparente que permite a visualização do mundo real enquanto este o complementa com informações, neste caso temos o mundo real a ser captado por câmaras que por sua vez vai ser complementado com as informações virtuais e transmitido ao utilizador por meio de monitores.

No entanto, os sistemas de realidade virtual não são só baseados em “See-through HMD’s”, também se podem basear em sistemas de monitores comuns que não estão montados num dispositivo que se coloca na cabeça (género capacete), em que os utilizadores poderão necessitar de dispositivos especiais, como por exemplo óculos, de modo a poderem visualizar correctamente o que está a ser projectado no monitor (óculos de visualização 3D) (1).

Realidade Aumentada na Área da Medicina

Na área da Medicina é fundamental um estudante e um recém-formado terem conhecimentos teóricos e práticos sobre o tema em questão. Este curso é maioritariamente prático nomeadamente em especialidades onde é necessária a cirurgia em bloco operatório, sendo as técnicas aperfeiçoadas com a prática clínica. Esta tem sido questionada pela sua legalidade e ética no que toca à segurança dos pacientes e ao custo do tempo de duração da operação (necessário mais tempo). A realidade aumentada oferece uma simulação cirúrgica onde é possível treinar as capacidades antes de atender pacientes e sem correr riscos (5). Esta pode também ser utilizada como recurso para os cirurgiões terem uma referência das estruturas sobre as quais vai ser realizada a intervenção médica (6).

A tomografia computorizada, a ressonância magnética e a ultrassonografia são utilizadas para auxiliar o cirurgião a identificar as áreas lesadas, sendo a ultrassonografia a única que pode ser utilizada em intraoperatório sem recorrer a radiação. No entanto, esta última apenas permite obter imagens em 2D tendo o cirurgião de tentar imaginar a imagem em 3D, o que pode ser difícil em certas situações (tumores entre os órgãos, por exemplo).

Em neurocirurgia, imagens em 3D de ressonância magnética e de tomografia computorizada são usadas em realidade aumentada devido à quantidade massiva de informação que oferecem.

Um computador é capaz de gerar uma distribuição de vasos sanguíneos e até um órgão virtual em imagens 3D, o que dá uma boa visão sobre o volume da lesão e torna mais fácil o tratamento (que será possível planificar com mais precisão antes da cirurgia) das zonas que precisam de ser tratadas e a protecção das zonas sãs. Nestas imagens os órgãos não estão rígidos, deformam-se segundo ritmo cardíaco e respiração típicos de um ser humano, sendo esta característica modelada segundo o órgão em questão (por exemplo, o tecido ósseo e da próstata não são tão modificados por estes

factores) (6). A realidade aumentada é usada em diversas áreas da medicina tais como: tele-medicina, neurocirurgia, sensação de toque, ventriculostomia, vertebroplastia, endoscopia e simulação endovascular (5).

Tele-medicinaDurante a operação, o cirurgião vê a imagem da endoscopia em combinação com

os pontos predefinidos como referência de estruturas importantes.

Sensação de toque ( “Haptics”)Não se limita a fornecer apenas imagens ou representações auditivas sobre as

estruturas quando é aplicada determinada alteração nestas, mas dá também um feedback da força de aplicação essencial para a aprendizagem e treino das técnicas cirúrgicas.

Ventriculostomia“ImmersiveTouch” é um novo programa de realidade aumentada que relaciona a

sensação de toque com uma imagem de alta resolução do parênquima, composto de matéria cinzenta cortical, substância branca subjacente e núcleos profundos e ventrículo lateral, composta de líquido cefalorraquidiano.

VertebroplastiaTem como objectivo instruir o local adequado virtualmente por onde uma agulha

deve passar até à vertebra para administrar polimetilmetacrilato ou cemento tendo em conta as diferentes densidades. Esta trajectória é definida através de uma luva com interacção táctil.

EndoscopiaProporciona vantagens tanto a nível clínico (cicatrização) como a nível de treino

pré-clínico no entanto há uma menor sensação táctil e uma liberdade condicionada de movimentos.

Simulação endovascularProporciona a simulação de uma angioplastia e de treino da colocação de um

stent na artéria carótida.

Realidade Aumentada na Área da Medicina Dentária

Uma das aptidões mais importantes para qualquer dentista é a capacidade de preparar e restaurar a estrutura danificada do dente.   Para dominar essa capacidade são necessárias aptidões que dependem do desenvolvimento do conhecimento dos conceitos acerca dos procedimentos operatórios e da destreza para realizá-las. Nos estabelecimentos de ensino superior pode ser oferecida instrução sobre os conceitos de preparação da cavidade e podem ser demonstradas essas técnicas operatórias em sessões de grupo. No entanto, para a componente de desempenho se desenvolver, esta requer que os alunos pratiquem repetidamente os preparos por si próprios. Actualmente, a formação de competências clínicas segue uma abordagem de aprendizagem que consiste na prolongados (2, 7).

Nas últimas décadas, os professores na área da medicina dentária têm vindo a perceber que o ambiente clínico pode não ser o melhor ambiente para o ensino (4).

Como no início da formação prática dentária existem diferenças consideráveis no desempenho dos alunos e estas são notadas pelos pacientes, os alunos normalmente

praticam num laboratório com “fantomas” e são supervisionados durante um longo período de tempo antes de serem autorizados a iniciar o atendimento ao paciente (8).

Historicamente, o ensino pré-clínico dentário foi realizado num ambiente de laboratório tipo bancada, onde os alunos desenvolveram aptidões em, por exemplo, cabeças de manequim montadas em hastes de metal. Mesmo estas cabeças de manequim já foram um avanço no conceito sobre exercícios em bancada. Para fugir das tradicionais técnicas de laboratório laboratórios em bancada, foram desenvolvidos sistemas de simulação dentária no final de 1980. O objectivo era criar um ambiente semelhante ao clínico em que os alunos preparavam e restauravam dentes em “dentiforms” (modelos de arcada maxilar ou mandibular mordentes em plástico removível com dentes de plástico). Além disso, muitas vezes, as instituições incorporavam sistemas de ensino multimédia na concepção dos seus laboratórios pré-clínicos para melhorar a prestação de informações aos seus alunos. Actualmente, os quatro tipos básicos de ambientes de ensino pré-clínico são: o laboratório tradicional, com cabeças de manequim montada em hastes de metal, as clínicas contemporâneas de simulação, simulação clínica em ambiente clínico real e a realidade virtual ou clínicas assistidas por simulação em computador (9).

A educação em medicina dentária, de todas as áreas da saúde, é aquela que mais poderá beneficiar da Realidade Virtual e Aumentada já que uma proporção significativa da educação pré-clínica dentária é dedicada ao ensino das técnicas clínicas psicomotoras. Os simuladores de realidade virtual tácteis (haptics) foram introduzidos no currículo da formação dentária como dispositivos de formação para a aquisição de aptidões clínicas em diversas tarefas. A formação e a avaliação utilizando estes simuladores têm-se centrado em capacidades tácteis na detecção de cárie e cálculo subgengival, bem como no corte de tecido duro (10).

Os sistemas de simulação de realidade virtual permitem que os alunos pratiquem o procedimento uma porção de cada vez, sem risco para o paciente sendo então permitido que estes cometam erros (10). As vantagens dos simuladores tácteis prendem-se com o facto dos alunos poderem praticar os procedimentos quantas vezes quiserem, sem custos incrementais e esse treino poder ser realizado em qualquer local (11).

Recentemente, a integração da tecnologia de realidade virtual (RV) com a realidade aumentada e da tecnologia táctil resultou numa série de simuladores para formação dentária clínica e cirúrgica (7).

O objectivo do uso de tecnologias de realidade virtual e aumentada na simulação de intervenções terapêuticas, nas próteses fixas (VirDenT), é aumentar a qualidade do processo educacional em faculdades de medicina dentária, ajudando os alunos a aprender a preparar os dentes para restaurações de cerâmica pura (12).

DentSim

Foi um dos primeiros, se não o primeiro sistema de realidade virtual para o ensino de dentisteria restauradora. Este permite que os alunos pratiquem procedimentos clínicos num paciente simulado com o acompanhamento visual num ecrã do processo em questão, o feedback em tempo real e a avaliação do seu desempenho. Desde o início de 2000, o sistema tem sido utilizado em algumas escolas de Medicina Dentária da América do Norte e Europa. Os relatórios das suas avaliações indicam que DentSim permite que os alunos trabalhem sem a necessidade de um supervisor (professor), avalia criticamente o seu desempenho, e consegue monitorizar eficazmente o seu desempenho.

Vicki R., et.al. realizaram um estudo com o objectivo de avaliar se a formação com um simulador (Dentsim) foi semelhante ou melhor que a formação tradicional no desenvolvimento das capacidades necessárias para a realização de procedimentos no campo da medicina dentária. Estes obtiveram resultados positivos naqueles que treinaram com o auxílio do Dentsim.

Portanto, a aprendizagem com o auxílio do simulador mostrou ser mais eficaz no que se refere à realização de cavidades e restaurações e também mais rápida comparativamente aqueles que treinam em laboratórios tradicionais.

The Geneva System

Nos últimos seis anos, em Genebra, na Suíça, têm-se vindo a desenvolver conceitos inovadores utilizando simulação computacional tridimensional para o ensino de anatomia dentária. O objectivo foi validar o valor acrescentado da tecnologia da informação (TI) integrando-a no currículo. Os resultados mostraram que 70% dos alunos estavam satisfeitos ou muito satisfeitos com este módulo e que a simulação impulsionou a sua motivação para aprender anatomia dentária. Também ficou evidente que não introduziu uma complexidade suplementar que diminuísse a eficiência do ensino. Actualmente, uma segunda geração de simuladores de realidade virtual dentária com melhores características tácteis para ensinar procedimentos de perfuração está a ser desenvolvido(2).

PerioSim©

Em Chicago foi inventado o PerioSim ©, um protótipo de um simulador dentário para formação em procedimentos periodontais. Este permite que os estudantes aprendam a diagnosticar e tratar doenças periodontais através da visualização tridimensional da boca humana virtual e permite que estes experimentem sensações tácteis ao tocar a superfície dos dentes, gengivas, e cálculos com instrumentos virtuais dentários. PerioSim © é uma parte do currículo do Departamento de Periodontia da UIC. Tem a vantagem de não necessitar da alteração da superfície do dente, mas possui a desvantagem de que as sensações tácteis para os tecidos gengivais não são realistas.

HapTEL

O sistema HapTEL foi desenvolvido como uma colaboração entre o King College London Dental Institute e a Reading University, Reino Unido.

Baseia-se numa unidade de meios tácteis, que foi adaptada a partir de um dispositivo de jogo de computador. Ele inclui dois ecrãs que permitem ao utilizador olhar para baixo numa mandíbula simulada como se estivessem a tratar um paciente real, um software projectado especificamente que dá a flexibilidade para a posição de perfuração e leveza do toque, e um pedal para controlar a velocidade da broca. Os utilizadores são capazes de repetir o procedimento que eles têm vindo a realizar e avaliar as suas competências. A percentagem de cáries removidas e a percentagem de tecido duro removido dão o feedback do procedimento, em forma de pontuação. Os resultados são armazenados para que os alunos e os professores possam monitorizar o progresso. Uma gama de simulações está disponível, começando com cáries simples num dente e progredindo para cáries mais complexas. Ao longo de um período de dois anos, 300 pré-clínicos estudantes de medicina dentária têm utilizado o sistema hapTEL.

Moog Simodont dental trainer

São dispositivos tácteis que possuem uma vasta gama de procedimentos dentários que podem ser praticados num ambiente virtual. Fazem parte deste grande leque, exercícios de destreza manual com sistemas de avaliação automáticos, diagnóstico e planeamento do tratamento, preparo de cavidades, coroas e pontes.

The forsslund system

O sistema Forsslund foi criado para treinar extracções de terceiros molares em realidade virtual.

VirDent system

Este sistema desenvolvido na Roménia, utiliza tecnologias de realidade virtual e aumentada para simular a preparação de próteses fixas.

O VirDent consiste numa broca virtual, em dentes e num paciente e possui uma interface táctil que permite aos estudantes realizar procedimentos restauradores.Permite ainda que um estudante siga, em simultâneo, procedimentos demonstrados por um tutor inteligente e como este sistema fornece feedback permite-lhes Voltar atrás em caso de erro.

Outras aplicações:

Cirurgia da cabeça e pescoço

O cirurgião oral e maxilofacial pode planear uma cirurgia virtual, fazendo se servir da tomografia computadorizada, da imagem virtual e da tecnologia de realidade aumentada. Posteriormente, pode realizar a cirurgia virtual, gerar modelos e guias de corte, que permitam uma exacta recriação do plano na sala de operação.

Recentemente foi desenvolvido o sistema Voxelman. Este sistema permite ao cirurgião planear e treinar para cirurgias paranasais.

Implantologia

Na área de implantologia, o clinico fundamenta o seu plano de tratamento na interpretação e reconstrução mental de um corte transversal bidimensional. Contudo, o clinico tem que imaginar como essas imagens em duas dimensões serão em três dimensões. Esse problema pode ser facilmente ultrapassado se este utilizar sistemas de realidade virtual para fazer o planeamento do tratamento.

Na realidade virtual, o clinico pode mover e interagir com a anatomia do paciente e, ainda com o desenho, a colocação dos implantes e fazer a simulação em tempo real.

De seguida essas interacções vão provocar alterações que são imediatamente visíveis e posteriormente podem sofrer um ajuste por parte do clinico.

A realidade virtual permite ainda a detecção de locais inadequados para a colocação dos implantes. Compreende-se como locais inadequados aquelas zonas que possuem quantidade ou qualidade de osso insatisfatória.

Controlo da dor

A anestesia tem sido comummente usada na gestão da dor, contudo métodos alternativos propõem o uso da realidade virtual imersiva como distracção. Esta poderá ser eficaz no controle da dor durante os procedimentos de raspagem periodontal e de alisamento radicular (2).

BIBLIOGRAFIA

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