informe realidad virtual

La realidad virtual al servicio del bienestar social

Valery Naranjo Ornedo

Departamento de Comunicaciones

Instituto Interuniversitario de Investigación en Bioingeniería y Tecnología Orientada al Ser

Humano (I3BH)

Universidad Politécnica de Valencia

Cátedra Telefónica Nuevas Tecnologías para el Medio Ambiente y la Inclusión Social

La Realidad Virtual al servicio del bienestar social

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CONTENIDO

1 Resumen ..................................................................................................................... 2

2 Conceptos básicos ................................................................................................... 3

3 Estado del arte ........................................................................................................... 5

4 Nuevas Tendencias e Ideas .................................................................................. 12

5 Bibliografía y Lecturas Recomendadas .............................................................. 15



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1 RESUMEN

La Sociedad de la Información debe afrontar el reto de hacer frente a los

problemas más importantes que en materia de salud, política social y bienestar

social se presentarán como potenciales pandemias en la sociedad española y

europea del futuro. Entre ellos se encuentran:

Salud física

• Obesidad

• Cáncer

• Enfermedades neurodegenerativas

• Enfermedades coronarias (rehabilitación cardíaca)

Salud mental

• Problemas de violencia y agresividad (violencia de género)

• Acoso escolar

• Problemas alimentarios (anorexia, bulimia, obesidad)

Hasta la fecha el uso creciente de las redes de comunicaciones ha permitido

estimular un cambio en la manera de suministrar los servicios de salud y

bienestar social. La realidad virtual ha resultado un elemento clave en este

cambio, proliferando su uso en diferentes áreas de la psicología y la medicina.

Como ejemplos de su uso en estos campos se pueden citar las terapias

virtuales para tratamiento de enfermedades y fobias, tratamiento del dolor,

planificaciones quirúrgicas y simuladores de cirugías mínimamente invasivas

para educación de cirujanos.

En el presente informe se explicará brevemente los conceptos de realidad

virtual y realidad aumentada, así como los elementos básicos de este tipo de

sistemas. Posteriormente se presentará un estado del arte de diferentes

aplicaciones de estas nuevas tecnologías aplicadas a la salud, así como la

tendencia futura de las mismas.



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2 CONCEPTOS BÁSICOS

2.1. REALIDAD VIRTUAL Y REALIDAD AUMENTADA

La Realidad Virtual (RV) se puede definir como la forma más avanzada de

relación entre el ordenador y la persona, permitiendo al usuario interactuar

con la máquina y sumergirse en un entorno generado artificialmente. Esta

tecnología se basa en la generación interactiva multisensorial de estímulos con

el objetivo de mantener la sensación completa de inmersión en un mundo

real. Se caracteriza por la ilusión de participación en un entorno sintético, más

que la observación de éste.

El objetivo principal de un sistema de RV es la generación del sentido de

presencia en el usuario, es decir, la experiencia subjetiva de estar en un lugar,

incluso cuando físicamente se está localizado en otro. El sentido de estar en el

entorno virtual en vez del lugar donde físicamente se encuentra el cuerpo

físico del usuario se denomina presencia.

La Realidad Aumentada (RA), por el contrario, es la mezcla de información

computacional o virtual con el mundo real. En una definición clásica, la

realidad aumentada es un tipo de ambiente virtual en el cual el usuario no se

sumerge completamente en un mundo virtual sino en una mezcla de éste con

el mundo real de tal forma que, para el usuario, aparezcan los objetos virtuales

y reales coexistiendo en el mismo espacio [1].

Para Azuma [1] un sistema de RA cuenta con las siguientes características:

o Combina lo real y lo virtual. La información digital es combinada con la realidad.

o Funciona en tiempo real. La combinación de lo real y lo virtual se hace en tiempo real.

o Registra en tres dimensiones. La información aumentada (mezcla de virtual y real) se localiza o “registra” en el espacio. Para conservar ilusión de ubicación real y virtual, la información aumentada debe moverse respecto a un punto de referencia en el mundo real. La figura 1 muestra como a partir de una imagen real y otra virtual, ésta última se inserta en el mundo real para formar una imagen aumentada. También



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puede observarse cómo de simple es cambiar la escena final sólo cambiando la información virtual.

La información que se utiliza para aumentar la realidad puede ser no sólo visual sino también información auditiva, olfativa o táctil.

2.2. Elementos de un sistema de RV/RA

Los elementos de un sistema de RV [2,3] son los dispositivos de entrada, los de

salida y el ordenador.

Dispositivos de entrada. Se utilizan dos tipos de dispositivos de entrada:

• Los dispositivos de control, que son aquellos mediante los cuales el

usuario comunica órdenes al sistema. En este tipo de dispositivos se

encuentran los de sobremesa, como los teclados, los ratones 2D

(trackballs), tabletas digitalizadoras, los joysticks convencionales y los

dispositivos 3D (spaceballs). En la figura 1 se muestran diferentes

dispositivos de control.

a) b) c)

Figura 1. Dispositivos de control: a)ratón 2D, b) joystick, c)spaceball.

• Los dispositivos de localización o trackers, que son los que utiliza el

sistema para obtener información del entorno, por ejemplo, la posición

3D del usuario. Existen localizadores de diferentes tipos:

electromagnéticos (fig. 2-c), mecánicos, ópticos (fig. 2-a), ultrasónicos,

inerciales y los híbridos que mezclan diferentes tecnologías para

aumentar la precisión. Otros localizadores más sofisticados son los

guantes de datos (fig. 2-b), los cuáles son muy utilizados para la

comunicación de gestos además de la posición, y los eye-tracking que

consiste en un sistema de localización basado en la detección de la

posición de la pupila para localizar dónde se está mirando.



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a) b) c)

Figura 2. Dispositivos de localización: a) óptico, b) guantes de datos, c)

electromagnético.

Dispositivos de salida: son los que proporcionan al usuario información sobre el

mundo y provocan en él determinadas sensaciones que pueden ser visuales,

auditivas o táctiles. Se utilizan en RV dispositvos gráficos o visuales como los

cascos de RV o Head mounted displays (fig. 3-a) y los sistemas de proyección

de una o varias pantallas (fig. 3-b); dispositvos de sonido como altavoces y

auriculares; y dispositivos de realimentación táctil y de fuerza como los

guantes de Realidad Virtual con realimentación de fuerza (fig. 3-c).

a) b) c)

Figura 3. Dispositivos de salida: a) cascos de RV (HMD), b) pantallas, c) guantes

de RV con realimentación de fuerza.

Ordenador: realiza tareas de simulación y control de entrada/salida de datos.

3 ESTADO DEL ARTE

Aunque la RV y la RA son herramientas tecnológicas que se aplican hoy en día

en muy diversas áreas, como la educación, la arquitectura, la tecnología

militar, el marketing, etc., en este informe se realiza una revisión de diferentes



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aplicaciones de estas tecnologías en diversas áreas de la psicología y la

medicina.

3.1. Realidad Virtual en psicología

La Ciberterapia o tratamiento con RV se define como “el uso de ordenadores

como herramientas para posibilitar y/o mejorar el suministro de servicios

terapéuticos”. Las aplicaciones más comunes de la RV y la RA en psicoterapia

se concentran en el área del tratamiento de fobias.

Desde principios de 1990, cuando Hodges et al. [4, 5] trataron pacientes

acrofóbicos con RV, la RV se ha propuesto como un nuevo medio de terapia.

Desde entonces, en estudios controlados, la RV ha demostrado ser tan eficaz

como la terapia ‘in vivo’ para el tratamiento de acrofobia o miedo a las

alturas [6, 7], aracnofobia o fobia a las arañas [8], y miedo a volar [9, 10, 11].

Otras fobias tratadas utilizando RV han sido la agorafobia o miedo a los

espacios abiertos [12, 13], la claustrofobia [14], o el miedo a hablar en público

[15, 16]. La figura 4 muestra algunas imágenes de RA para el tratamiento de la

acrofobia (4-a) y de la aracnofobia (4-b).

Otra aplicación de la ciberterapia en psicología es el tratamiento de estrés

postraumático, como por ejemplo las terapias aplicadas al estrés en veteranos

de Vietnam [17], o en situaciones de violencia de género (proyecto

EMMA)[18], así como en el caso de trastornos alimentarios (proyecto Etiobe)

[19].

a) b)

Figura 4. Entornos virtuales para el tratamiento de fobias. a)Acrofobia. b) Aracnofobia

La ciberterapia, en los últimos tiempos, utiliza también las redes de

comunicaciones que han permitido estimular un cambio en la manera de

suministrar los servicios de salud y bienestar social, dando lugar al concepto



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de e-Terapia como un proceso global distribuido en el cual la comunicación y

colaboración de usuarios geográficamente dispersos (pacientes y/o clínicos)

juegan un papel clave [20].

3.2. Realidad Virtual en medicina

En el campo de la medicina la RV y la RA han sido ampliamente utilizados en

diferentes áreas tales como rehabilitación cognitiva y motora en pacientes

con daño cerebral [21] o en el tratamiento del dolor en el caso, por ejemplo,

de las dolorosas curas realizadas a pacientes quemados [22].

Pero si existe un campo por excelencia dentro de la medicina donde los

avances tecnológicos han supuesto una gran revolución ha sido en la cirugía.

Las técnicas avanzadas de visualización y guiado son beneficiosas para

ayudar al médico en el diagnóstico de la enfermedad, en la planificación de

la cirugía e incluso en el guiado durante la intervención. Las imágenes

médicas (TAC, Resonancia Magnética, etc.) permiten al cirujano tener un

esencial conocimiento preoperatorio de la anatomía y patologías de un

paciente. Sin embargo, el paciente es representado como un conjunto de

imágenes 2D y su interpretación resulta en muchas ocasiones una tarea difícil.

Uno de los principales retos del tratamiento digital de la imagen médica es

identificar automáticamente estructuras anatómicas y patológicas en una

imagen 3D que represente al paciente para que sirva de ayuda al diagnóstico

o de guiado en la cirugía. El uso de Realidad Virtual (RV) en medicina consiste

en crear un paciente virtual modelando en 3D sus estructuras anatómicas y

patológicas a partir de las estructuras identificadas automáticamente en el

TAC o la resonancia magnética. La RV permite una mejor visualización de la

anatomía interna del paciente que con las imágenes convencionales y un

mejor conocimiento preoperatorio, lo cual ayuda al experto a establecer el

diagnóstico así como a planificar la mejor terapia para cada caso. Además

del soporte en el diagnóstico o la planificación de la cirugía, el modelado 3D

puede usarse para el seguimiento del paciente a lo largo del tiempo,

facilitando la visualización de la eficiencia de la terapia prescrita. En la figura 2

se puede observar el conjunto de imágenes 2D (cortes) procedente de un TAC



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abdominal (a la izquierda) y la reconstrucción 3D del mismo (a la derecha)

[23].

Fig. 5: Imágenes 2D procedentes de TAC abdominal y reconstrucción 3D de dicho

TAC.

Otro importante uso de la RV en el campo de la cirugía ha sido la utilización de

entrenadores quirúrgicos que permiten al cirujano adquirir destrezas en las

diferentes técnicas de cirugía mínimamente invasivas (endoscopias,

laparoscopias, etc.) previamente a la realización de la operación “in vivo”. La

figura muestra la imagen de un entrenador quirúrgico así como un ejemplo de

imagen que ve el cirujano durante la “intervención virtual” [24].

Fig. 6: Imágenes 2D procedentes de TAC abdominal y reconstrucción 3D de dicho

TAC.

Como hemos dicho anteriormente, la planificación quirúrgica es otra

importante labor que lleva a cabo la RV y los sistemas computerizados, como

ayuda a la medicina. El cirujano, previamente a la operación puede

planificarla, detectar con gran precisión la lesión a reparar o la zona a eliminar

(en el caso de tumores), e incluso planificar la “hoja de ruta” de la

intervención. Este mapa virtual le ayudará posteriormente en el quirófano,

tanto si la operación es mínimamente invasiva como si es tradicional. Los



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planificadores quirúrgicos se utilizan hoy en día en todas las ramas de la

medicina: neurocirugía, cirugía abdominal, cirugía ortopédica, cirugía

maxilofacial, etc. [25]. La figura muestra una vista del sistema Implametric,

desarrollado en la Universidad Politécnica de Valencia y comercializado por la

empresa 3Dent para la planificación de la cirugía en la colocación de

implantes dentales [26,27].

Fig. 7: Vista de una planificación de una implantología dental realizada con el sistema

Implametric.

Cirugía Asistida por Ordenador

La Cirugía Asistida por Ordenador (CAO) constituye un área tecnológica que

intenta desarrollar y suministrar al cirujano una serie de herramientas que le

asistan en la planificación y ejecución de procedimientos quirúrgicos [28]. La

idea subyacente en CAO no es la de la sustitución del cirujano en tareas

quirúrgicas, hecho imposible de llevar a cabo en la actualidad, sino el

desarrollar técnicas y sistemas que permitan ayudar al cirujano en las fases del

procedimiento quirúrgico, esto es, diagnóstico, planificación y ejecución.

El uso de sistemas quirúrgicos guiados por imagen se ha convertido en un

estándar en un gran número de procedimientos quirúrgicos [29, 30, 31]. Existen

numerosos sistemas comercializados desarrollados a partir de los años 90. Estos

sistemas lo forman una serie de compañías como Medtronic

(http://www.stealthstation.com ), Medtronic Sofamor Danek (MSD; Memphis,

TN, aplicado a cirugía de columna) y los fabricantes que comprenden el



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consorcio "Surgical Navigation Network" (SNN; Missisagua, Ontario, Canadá). El

SSN fue lanzado en Julio de 1997 y las compañías miembros utilizan un

estándar abierto de software basado en la imagen para soportar sus

productos y tienen acuerdos de no exclusividad respecto a las ventas.

El primer paso básico y fundamental de un sistema CAO consiste en disponer

de un sistema de adquisición y visualización digital de imagen médica. Una

vez realizada la fase de planificación a partir de estas imágenes, se pasa a la

fase de intervención la cual se lleva a cabo en quirófano. El sub-sistema más

importante de un sistema CAO es el navegador quirúrgico. Dichos sistemas

consisten básicamente en un digitalizador tridimensional que proporciona en

tiempo real las coordenadas tridimensionales del instrumental quirúrgico

utilizado. Dichas coordenadas son visualizadas en una pantalla de ordenador

sobre las imágenes médicas previamente tratadas en la fase de planificación.

De esta manera el cirujano ve en todo momento la posición espacial del

instrumental utilizado disponiendo de esta forma de un sistema de navegación

anatómica que le va guiando durante la intervención, de ahí el nombre de

navegador quirúrgico. Existen diversas técnicas de navegación quirúrgica

dependiendo de la tecnología del digitalizador utilizado y de la visualización.

La utilización del navegador exige el desarrollo y puesta a punto de un sistema

de registro 3D de imagen médica. Estas técnicas consisten en hacer que el

navegador identifique la localización espacial de una serie de marcadores en

el cuerpo del paciente que a su vez son identificados en la imagen médica.

Ello permite llevar a cabo un cambio de coordenadas para pasar del sistema

de coordenadas de imagen médica al de coordenadas del digitalizador 3D y

de éste a su vez al de la pantalla de ordenador sobre el cual se visualiza la

posición del instrumental quirúrgico. En la figura se muestra el esquema de un

sistema típico de CAO.



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Figura 8. Componentes de un sistema CAO

Los sistemas de cirugía asistida que utilizan RV suponen una gran ayuda en el

quirófano ya que permiten una mejor visualización de la anatomía interna del

paciente que con las imágenes convencionales, sin embargo, el cirujano

debe construir mentalmente la relación entre la imagen virtual que representa

al paciente y el paciente real, problema que soluciona la RA. Además, en

técnicas médicas que se desarrollan con visión de video real (como la

laparoscopia), la RA puede resultar de gran ayuda por aportar información

adicional, con el valor añadido de no tener que introducir nuevos elementos

en el quirófano. Aplicado al contexto quirúrgico, los objetos reales en el

sistema de RA serán el paciente y los instrumentos, mientras que los virtuales

pueden ser los modelos de los instrumentos, el modelo del paciente construido

a partir de las imágenes de TAC o RM o información adicional tales como

caminos hacia la región a operar, lo cual se superpone a la vista del cirujano.

En la figura 9 puede observarse la imagen real y su modelo virtual así como la

imagen real aumentada con dicha información virtual. Esta figura muestra un

sistema que emula los “rayos X en los ojos” para visualizar el interior del

paciente con el fin de realizar de manera precisa las incisiones por donde se

introducirá el instrumental en una operación mínimamente invasiva de

laparoscopia [32,33]. La RA es aplicada en la actualidad en diversos campos,

como la ortopedia o la neurocirugía. En la actualidad se investiga en otros

campos quirúrgicos de aplicación como la cirugía abdominal donde la

navegación es más complicada debido a la deformación de los órganos

durante la cirugía.

Antes de la intervención (planificación):

- Segmentación- Análisis- Optimización- Simulación

Datos paciente

Imágenes

Analíticas

Prótesis a medida

Durante la intervención (quirófano):

- Imagen médica- Digitalización 3D- Registración paciente-modelos- Interfaces de cirujano- Realidad aumentada- Robótica



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Fig. 9: Imágenes real del paciente en el quirófano, imagen virtual e imagen

aumentada.

Fig. 10: Imágenes aumentadas en diversos tipos de cirugía: ortopédica y maxilofacial.

4 NUEVAS TENDENCIAS E IDEAS

La nueva generación del sistema de salud se va a centrar en la convergencia

de cuatro ejes tecnológicos dando lugar a sistemas de e-Salud (sistemas de

salud utilizando las redes de comunicaciones) inteligentes:

• Inteligencia ambiental que permita a través del desarrollo de tecnologías de

redes y sensores inteligentes captar la información fisiológica, psicológica y

contextual del usuario/paciente.

• Computación persuasiva que permita la generación de contenidos con el

objetivo de cambiar y/o reforzar conductas del usuario/paciente.

• Computación ubicua que posibilite que el usuario/paciente pueda acceder

al sistema en cualquier lugar, a cualquier hora y bajo múltiples soportes de

telecomunicaciones.

• Sistemas de terapia virtual que incluyan tecnología de realidad virtual

distribuida, realidad aumentada, interfaces naturales y agentes virtuales.

La convergencia de estos cuatro ejes se manifiesta como la próxima frontera

de las tecnologías de servicios para la sociedad de la información.



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Nuevas tendencias en psicología: los sistemas e-TI

En los sistemas de terapia inteligente (e-TI), el factor inteligente se sustenta en

la utilización de una capa de sensorización que permite obtener del paciente

información relevante (contextual, fisiológica y psicológica) y en la existencia

de aplicaciones de comunicación e informáticas capaces de transferir dicha

información, almacenarla, gestionarla, interpretarla adecuadamente y

reaccionar frente a la misma ofreciéndole una serie de contenidos,

susceptibles incluso de ser generados por otros posibles usuarios del sistema,

como por ejemplo los terapeutas, y personalizados en función de las

características, información y respuestas del paciente. El factor terapéutico de

un sistema e-TI se sustenta en la finalidad de dichos contenidos, y el factor

persuasivo en la naturaleza de los mismos y en la manera en la que estos son

ofrecidos al paciente. Por un lado, dichos contenidos estarán orientados a

cambiar y/o reforzar la conducta del paciente, y para que ello se haga de

forma persuasiva se utilizarán, además de los soportes convencionales (texto,

audio, imagen, vídeo), aquellos que están directamente relacionados con la

ciberterapia, tecnología de eficacia terapéutica probada, como hemos visto

anteriormente : escenarios de realidad virtual y realidad aumentada, agentes

virtuales inteligentes e interfaces naturales de interacción con los mismos. La

accesibilidad por parte del usuario/paciente a este tipo de sistemas,

independientemente de dónde se encuentre y de la plataforma que utilice

para ello, conforma el carácter ubicuo de un sistema e-TI, y se sustenta gracias

a la utilización de aplicaciones de comunicación e informáticas capaces de

adecuar las características antes mencionadas a la naturaleza del dispositivo y

de la red de comunicación que se utilice.

En toda problemática de Salud, los posibles usuarios podrían englobarse en

dos grandes bloques: aquellos que directamente están relacionados con la

misma, bien por encontrarse en fase de tratamiento o formar parte del mismo

(pacientes, familiares y terapeutas), bien por padecer dicha problemática o

sufrir las consecuencias de la misma (posibles pacientes y sus familiares), y

aquellos que, aún siendo ajenos a dicha problemática, pudieran estar

interesados, por una u otra razón, en conocer diversos aspectos relevantes



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sobre ella: sus causas, sus efectos, posibles tratamientos, su impacto social

(porcentajes de incidencia sobre la población, grupos más afectados, etc.).

Atendiendo a esto, un sistema e-TI ofrece, a grandes rasgos, tres tipos de

servicios: prevención frente a la problemática, tratamiento de la misma (con

todo lo que ello implica de seguimiento y evaluación del mismo) e información

sobre ella.

Los objetivos de un sistema e-TI una vez implementado son los siguientes:

• Captar información fisiológica, psicológica y contextual del usuario en todo

momento.

• Posibilitar la generación de contenidos para cambiar y/o reforzar conductas

del usuario/paciente.

• Acceder al sistema eTI en cualquier lugar, a cualquier hora y bajo múltiples

soportes TIC.

• Introducir sistemas de terapia virtual que utilicen RV, RA, interfaces naturales

y agentes virtuales.

El Instituto Interuniversitario de Investigación en Bioingeniería y Tecnología

Orientada al Ser Humano de la Universidad Politécnica de Valencia está

trabajando en el desarrollo de sistemas e-TI como eTIOBE [34] que es un

sistema e-TI contra la obesidad o el sistema Mayordomo que es un sistema e-TI

para la tercera edad [35].

Nuevas tendencias en medicina

Además de la implantación de nuevos sistemas de telemedicina (e-Salud),

como el gran avance realizado en la normalización de los sistemas de archivo

y visualización de imágenes digitales, los sistemas PACS, la investigación en

sistemas de RV y RA aplicados a la medicina también sigue avanzando.

En cuanto a los sistemas utilizados para el diagnóstico y planificación

quirúrgica, las últimas tendencias son la fusión de las imágenes procedentes de

diferentes tipos de estudios no invasivos que se complementan, por ejemplo la

utilización en diagnósticos de cáncer de mama de información procedente



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de la Resonancia Magnética y las imágenes PET (Tomografía por emisión de

positrones) [36].

En cuanto a los sistemas de navegación, una vez probada su utilidad en

diferentes campos de la cirugía como la ortopedia y la neurocirugía, las

nuevas investigaciones se centran en desarrollar sistemas de guiado utilizando

RV y RA en zonas donde el registro y el seguimiento son más complicados

debido a la deformación de los órganos durante la cirugía, como por ejemplo

en cirugía abdominal laparoscópica [32, 33].

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