本報記者 霍娜
如今，3D不僅僅可以用來看電影、賣樓盤、觀世博。在神圣、嚴謹?shù)纳茖W領域， 3D技術(shù)的應用也越來越廣泛：華盛頓大學醫(yī)學院的疼痛治療專家正在使用一種SnowWorld 3D虛擬現(xiàn)實(VR)技術(shù)轉(zhuǎn)移患者對疼痛的注意力，而新西蘭奧克蘭市立醫(yī)院的胸外科手術(shù)專家也在應用3D技術(shù)建模、分析優(yōu)化治療心力衰竭的新方法——心臟泵……
用3D虛擬技術(shù)來重構(gòu)整個世界，這是全球 3D 技術(shù)和產(chǎn)品全生命周期管理解決方案提供商達索系統(tǒng)的CEO Bernard Charlès，在近日上海舉行的達索系統(tǒng)2010年PLM峰會上表達的愿景。
建模與設計、試驗與分析、演示與互動，3D技術(shù)的應用在今時今日已不可小覷。我們不僅可以看3D電影和3D版世界杯的轉(zhuǎn)播，就在與我們的生命息息相關的生命科學領域，，3D技術(shù)的應用也在日益推廣、加深。
3D虛擬雪景游戲
減輕燒傷者的治療之苦
燒傷患者在接受治療的時候，除了要忍受受傷初期的傷痛，還要忍受后續(xù)傷口護理所帶來的疼痛。為了緩解這種疼痛，華盛頓大學醫(yī)學院的疼痛治療專家正在使用一種由醫(yī)生開發(fā)、借助3DVIA Virtools構(gòu)建的SnowWorld 3D虛擬現(xiàn)實(VR)游戲，來轉(zhuǎn)移患者對疼痛的注意力。
華盛頓大學醫(yī)學院的虛擬現(xiàn)實研究員Hunter Hoffman博士以及疼痛與催眠專家Dave Patterson博士，采用視頻游戲技術(shù)在1998年共同開發(fā)了SnowWorld的第一個版本。SnowWorld能夠把燒傷患者的注意力吸引到了一個冰雪峽谷，那里雪花紛飛，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臨其境地感受到冰雪峽谷。對于燒傷患者而言，看著護士處理他們裸露的燒傷創(chuàng)口并不是一種愉快的經(jīng)歷，特別是對孩子來說。讓他們沉浸在SnowWorld里，可以讓他們暫時脫離現(xiàn)實世界，轉(zhuǎn)移他們對疼痛的注意力?！?br /> 雖然SnowWorld初見成效，但研究人員感覺如果能夠讓患者更加深入地沉浸在這樣的環(huán)境中，可進一步減輕疼痛。于是，Hoffman和 Patterson轉(zhuǎn)而求助于華盛頓大學的Howard Rose和Ari Hollander，并申請使用該大學的人機界面技術(shù)(HIT)實驗室。
Hollander是3D浸入式技術(shù)方面的專家，而Rose則擅長設計虛擬環(huán)境。他們共同創(chuàng)建了Firsthand Technology——一家以“讓技術(shù)為人類服務”為宗旨的嚴肅游戲(serious game)公司。該公司還開發(fā)其他類型的技術(shù)應用，既有治療嚴重創(chuàng)傷后遺癥的應用，也有醫(yī)療場景培訓應用。此外，他們還進行軟件界面優(yōu)化，以增強虛擬現(xiàn)實環(huán)境中聽覺、觸覺和視覺的真實感。
Hollander表示：“我們原來是用其他軟件應用來開發(fā)SnowWorld的各個版本的，但我們需要更加靈活的軟件。于是，我們選擇了達索系統(tǒng)提供的3DVIA Virtools重新開發(fā)了SnowWorld，使其更加便于修改。3DVIA Virtools的靈活性讓SnowWorld的開發(fā)人員能夠更加簡易靈活地測試各種實驗的假設，發(fā)現(xiàn)更好控制疼痛的相關因素。以Hoffman要求我們變換視場范圍為例，如果在其他的平臺上我們需要花費大量的時間，但借助3DVIA Virtools，我們可以既快又好地進行微調(diào)。”
3DVIA Virtools的優(yōu)勢之一是便于非編程人員使用。Rose表示：“我可以把我的構(gòu)思直接變?yōu)閷嵺`。使用3DVIA Virtools，我們不再需要一大群編程人員，一個靈活的小團隊就能做很多事情。Firsthand是一家小公司，Virtools讓我們能夠開發(fā)出各種技術(shù)應用，滿足我們客戶各種各樣的需求?！?br /> 3DVIA Virtools的渲染功能讓設計人員能夠開發(fā)出動態(tài)著色效果和角色動畫，這是3DVIA Virtools在眾多類似價格的虛擬現(xiàn)實解決方案中獨樹一幟的地方。Rose表示：“使用3DVIA Virtools，我們能夠使用顆粒、著色和細致的紋理來實現(xiàn)非常逼真的體驗?！?br /> Hoffman說：“在由3DVIA Virtools開發(fā)的SnowWorld里，雪花看上去就跟真的一樣”，強烈的逼真感可以令人感覺身臨其境，從而提高減輕疼痛的效果。“這款軟件充分利用了目前計算機運轉(zhuǎn)速度加快的優(yōu)勢，3D的應用空間顯著增強?！?br /> 編程速度是另一項關鍵優(yōu)勢。Hollander表示：“3DVIA Virtools內(nèi)置的功能和靈活性有助于加快原型設計。我們的客戶非常滿意地看到他們的設計思路進展迅速，通過強化協(xié)作設計流程，提高了最終產(chǎn)品的客戶滿意度?！?br /> 現(xiàn)在的臨床治療效果表明，在很多情況下，患者不僅能感覺到疼痛感下降，而且腦部掃描的結(jié)果顯示，患者與疼痛相關的腦部活動也下降了50%。
3D建模
分析優(yōu)化“第二心臟”
心力衰竭可以通過藥物、去纖顫器、內(nèi)植心臟泵，乃至心臟移植加以治療。但沒有哪一種療法對任何人都適用，而且植入的泵設備也往往會帶來副作用和各種問題。新西蘭奧克蘭市立醫(yī)院的胸外科手術(shù)專家和高級研究員William Peters博士認為應該有更好的治療辦法。
Peters曾發(fā)明過一種微創(chuàng)旁路系統(tǒng)。他表示，普通的植入式血接觸設備(比如左心室輔助器LVAD)可以拯救等待心臟移植病患的生命，但患者必須長期服用抗凝藥。雖然這樣可以避免血液結(jié)塊，但會增加中風的危險，而且某些心臟輔助設備的可靠性還存在問題。
作為替代方案，Peters構(gòu)思了一種被稱之為“C-Pulse”的新穎泵系統(tǒng)。它在體內(nèi)發(fā)揮作用，但不是在血液循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)。C-Pulse包括一條環(huán)繞主動脈的纏帶，外面有一層可使血管的外壁膨脹和收縮的膜(氣囊)。氣囊產(chǎn)生的正負壓使主動脈的脈動與心臟同步，從而增加循環(huán)系統(tǒng)中的血液流量，降低心臟的負荷。該設備由放置在體外的電池供電泵系統(tǒng)提供動力。
Peters為他的構(gòu)思申請了專利，并組建了Sunshine Heart公司進行設備的開發(fā)和測試。當氣囊可以按人體模型比例進行放大的時候，公司決定采用更為先進的設計和開發(fā)方法來縮短交付時間，提供滿足內(nèi)科醫(yī)生要求的長期性能保證。
Sunshine Heart公司的機械工程經(jīng)理Scott Miller表示：“由于C-Pulse基本上是永久植入的，我們需要保證我們的物理設計得到足夠優(yōu)化，能夠為我們提供所需要的長期抗疲勞性能。我們決定使用有限元分析(一種數(shù)值分析方法，計算精度高，能適應各種復雜形狀)，以計算的視角進行研究?！?br /> Miller和一家產(chǎn)品開發(fā)小組與技術(shù)工程軟件服務公司Matrix Applied Computing Ltd。保持著親密協(xié)作關系。該公司建議在真實仿真階段使用達索系統(tǒng)的Abaqus有限元分析軟件。該軟件主要用來為C-Pulse纏帶、氣囊與主動脈之間的互動情況建立分析模型。Miller表示：“有限元分析是一個迭代過程，由于設備的工作方式、組裝方式和使用的材料的特殊性，我們需要一些特別的方法。”[!--empirenews.page--]
在C-Pulse的有限元分析模型構(gòu)建完畢之后，Matrix通過運行仿真來確定在通過外科手術(shù)進行植入的時候，該設備的氣囊應采用的外形。隨后他們仿真了氣囊完整的凸起、凹下、復原三態(tài)轉(zhuǎn)換。
設計分析的最終目的是為了讓氣囊在工作周期中保持最低的應力形變幅度和最大的平均壓縮應力形變。Campbell表示：“這是個趣味物理項目，我們最終得到的模型在測試環(huán)境中運行良好?！庇邢拊治瞿Ｐ偷墓δ艹隽薙unShine Heart的要求。Miller表示：“我們一次就完成了解決方案的設計”。他的研究小組接下來證明了該解決方案能夠適用于不同的尺寸，而這非常適合于針對具體病患的情況對設備進行定制。
(中國計算機報)