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May 28, 2023

Mundos virtuales VCU utilizados para entrenar, enseñar y tratar en el real

4 de abril de 2023 Por Jeff Kelley En la sede de la Universidad Virginia Commonwealth del Departamento de Matemáticas y Matemáticas Aplicadas de la Facultad de Humanidades y Ciencias, un laboratorio de computación se ha transformado

4 de abril de 2023

Por Jeff Kelley

En la sede de la Universidad Virginia Commonwealth del Departamento de Matemáticas y Matemáticas Aplicadas de la Facultad de Humanidades y Ciencias, un laboratorio de computación se ha transformado en el primer aula virtual de su tipo para el semestre de primavera.

Salen las 43 computadoras de escritorio en la sala 2106 de Grace E. Harris Hall, y entran 30 sistemas de juegos Alienware de alta gama y auriculares de realidad virtual Meta Quest para que los estudiantes los usen en ciertos puntos de su clase de introducción al cálculo. El objetivo: tomar un curso complicado que los estudiantes tengan dificultades para comprender y ayudarlos a comprender conceptos matemáticos complejos a través de objetos virtuales y entornos 3D.

Los módulos de realidad virtual brindarán a los estudiantes visualizaciones de derivadas, tasas de cambio, puntos críticos y otros conceptos de cálculo complejos. "La idea es brindar elementos concretos y manipulables a todos los estudiantes para que interactúen mientras adquieren intuición sobre estos conceptos principales de cálculo", dice Rebecca Segal, Ph.D., presidenta interina y profesora del Departamento de Matemáticas y Matemáticas Aplicadas.

Las visualizaciones interactivas se están desarrollando bajo la dirección de Nathaniel Kinsey, Ph.D., profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Facultad de Ingeniería de VCU. Ha creado simulaciones de realidad virtual que permiten a los estudiantes de ingeniería ver, por ejemplo, cómo se forman las ondas de radio electromagnéticas invisibles, formadas por algoritmos complejos. La nueva aula de cálculo VR, con el respaldo de la Rectoría, busca acercar el aprendizaje virtual a un mayor número de estudiantes.

"Si esta clase piloto de cálculo tiene éxito, nos permitirá tener la capacidad de repensar cómo será VCU dentro de 20 años", dice Kinsey.

En los campus académicos y médicos, instructores, investigadores y médicos han recurrido a la realidad virtual para la enseñanza, la capacitación y la atención al paciente. Más allá de un nuevo método de aprendizaje, la realidad virtual ofrece beneficios económicos y de eficiencia al reducir los costos de capacitación y el acceso a lecciones académicas en cualquier lugar y en cualquier momento. Las aplicaciones virtuales interactivas también brindan a los médicos la capacidad de tratar a más pacientes y hacer que las terapias sean accesibles en casa, utilizando hardware relativamente económico y una conexión web.

La realidad virtual es un término amplio, pero la mayoría de las veces implica usar unos auriculares con forma de pasamontañas que cubren los ojos, lo que permite al usuario sumergirse en un entorno de 360 ​​grados que se muestra en una pantalla dentro del dispositivo. Si se hace correctamente, se engaña al cerebro del usuario para que se sienta como si realmente estuviera dentro del mundo virtual (por ejemplo, caminando por un campamento, jugando en el patio de una escuela o deslizándose por una pista de esquí). El usuario también tiene controladores en sus manos para interactuar con el entorno.

(La hermana de la realidad virtual, la “realidad aumentada” o AR, hace flotar imágenes, animaciones o texto sobre el entorno real del usuario, visible a través de un par de gafas de alta tecnología, como Microsoft HoloLens, o en un dispositivo móvil).

No hay ninguna escuela en VCU que la realidad virtual no haya tocado.

“En general, lo que VCU tiene a nuestro favor es amplitud. Hay una amplia gama de cosas para las que la gente de VCU utiliza la realidad virtual, y eso es lo que la diferencia de otras instituciones”, dice Nicholas Thomson, Ph.D., psicólogo forense y profesor asociado en el Departamento de Psicología de la Facultad de Humanidades y Ciencias. y Departamento de Cirugía de la Facultad de Medicina. Dirige una serie de estudios que utilizan la realidad virtual para proporcionar terapias basadas en evidencia para adolescentes en riesgo de causar violencia o tener problemas de conducta. El intento es prevenir el acoso, los comportamientos violentos y la violencia de represalia.

En el desarrollo de aplicaciones de realidad virtual, hay prueba y error. Algunos investigadores universitarios y desarrolladores de aplicaciones están más avanzados.

y otros. Pero todo ello contribuye al conocimiento colectivo de la universidad y a una comprensión global de cómo la realidad virtual puede contribuir en entornos clínicos y académicos.

"Algunas de estas ideas no van a funcionar", dice James S. Thomas, Ph.D., profesor del Departamento de Terapia Física de la Facultad de Profesiones de la Salud de VCU, cuya investigación financiada por los Institutos Nacionales de Salud se centra en el uso de VR para tratar a personas con problemas de control motor. “¿Pero qué es lo que funciona, a partir de estas ideas? ¿Y cómo llevamos lo que funciona a la próxima generación de realidad virtual?

Para una generación de estudiantes que han crecido en un mundo de pantallas (pregrado, posgrado, posdoctorado y aquellos en residencias médicas), la realidad virtual ofrece un método de aprendizaje visual, útil para quienes tienen dificultades en las aulas o con los libros.

“La realidad virtual ofrece muchas oportunidades nuevas sobre cómo llegar a los estudiantes y es una forma de aprendizaje más rica y rápida. Cuando se presentan datos de múltiples maneras diferentes, se mejora la capacidad de los estudiantes para asimilar información”, afirma Kinsey. "Esa es la idea general del aprendizaje multimedia".

Thomas, Kinsey y Semi Ryu de la Escuela de Artes de VCU dirigen el Centro de Lanzamiento de Excelencia en Realidad Virtual (LEVR) de VCU. El objetivo final de LEVR es aunar recursos entre departamentos, universidades y campus para promover la erudición y el desarrollo de la realidad virtual.

El centro recibió financiación del Fondo de Avances de la Oficina del Vicepresidente de Investigación e Innovación para desarrollar una aplicación de yoga en realidad virtual, en colaboración con Dayanjan S. “Shanaka” Wijesinghe, Ph.D., de la Facultad de Farmacia, Departamento de Farmacoterapia y Ciencia de Resultados. profesor asociado (y gurú del yoga). La idea: crear lecciones de yoga clínicamente aprobadas dentro de un entorno de realidad virtual y entregárselas a los pacientes para que las hagan en casa para tratar el dolor.

En colaboración con Milos Manic, Ph.D. y LEVR de la Facultad de Ingeniería, la uroginecóloga del Sistema de Atención Médica de VA de Virginia Central y profesora asistente adjunta de VCU, Lauren Siff, MD, quiere reemplazar el proceso de capacitación costoso y que requiere mucho tiempo para los cirujanos que desean realizar una cirugía específica para tratar la incontinencia en la mujer. Este sistema de realidad virtual utiliza una pelvis virtual animada y un controlador háptico que proporciona al cirujano en formación información realista a medida que mueve el instrumento quirúrgico en pantalla, llamado trocar, a medida que se completa el procedimiento quirúrgico.

Siff espera que la aplicación de realidad virtual algún día pueda mejorar o reemplazar los métodos de entrenamiento existentes en el mundo real. Es más rentable que utilizar cadáveres y no requiere viajes. Es de esperar que el sistema de realidad virtual se convierta en un sistema que permita a los becarios y a los cirujanos en formación decir: 'Pónganme en el entrenador, estoy listo para jugar'”, afirma Siff.

Además del yoga con realidad virtual, Wijesinghe de la Facultad de Farmacia y su equipo crearon una aplicación para médicos que les permite ponerse las gafas Microsoft HoloLens y, sin dejar de ver su entorno real, ver exploraciones virtuales tridimensionales de CT y NMR.

"Si puedes ver un modelo 3D en tu pantalla bidimensional y puedes girarlo en círculos [con un mouse], eso es realmente genial", dice Ken Hopson, quien administra The Workshop de VCU Libraries, un enclave en un sótano lleno con dispositivos y artilugios para ayudar a la comunidad VCU a explorar tecnologías emergentes. “¿Pero cuándo puedes caminar alrededor de tu modelo mientras trabajas en él? Esa es la bomba”.

La realidad virtual también se puede utilizar para fomentar cambios en el comportamiento de los pacientes. Los médicos de VCU suelen asociarse con ingenieros para desarrollar aplicaciones con una variedad de objetivos terapéuticos.

El pionero de VCU VR, Ryu, profesor de imágenes cinéticas, ha dirigido durante años un proyecto de "cuerpos virtuales" que brinda a los adultos mayores y a los pacientes con cáncer la capacidad de ver una representación virtual de ellos mismos, como niños o adultos más jóvenes, en una proyección o dentro de un auricular. El paciente, sosteniendo un controlador o usando sensores en su cuerpo, cuenta una historia y observa a su avatar moverse mientras lo hace.

El resultado: el participante se abre.

En una etapa avanzada o terminal de la vida, el proyecto ha ayudado a los adultos a recordar su pasado y “construir un significado para su vida, lo cual es esencial para los cuidados al final de la vida”, dice Ryu, también profesor asociado en el Departamento de Medicina Interna de la Facultad de Medicina.

Ahora está llevando ese concepto a la atención de la salud mental de los niños. Ella comparte la historia de un niño de 8 años que rara vez hablaba con su consejero. Una vez que usó la aplicación de Ryu y pudo ver y mover un avatar virtual de sí mismo, "le hizo hablar", dice. La realidad virtual también fomenta el movimiento, a diferencia de la terapia sentada tradicional. “Él empezó a hablar. El realizo. Empezó a hablar con su cuerpo y a hacer gestos”, dice Ryu. "Era increíble cómo [la realidad virtual] lo hacía sentir cómodo".

Los entornos de realidad virtual brindan a los investigadores un entorno inmersivo y controlado para realizar sus investigaciones.

Hayley Cleary, profesora asociada de justicia penal en la Escuela de Gobierno y Asuntos Públicos L. Douglas Wilder, está utilizando la realidad virtual para explorar la pendiente resbaladiza entre las técnicas de interrogatorio policiales permitidas y la coerción para obtener una confesión. Las investigaciones muestran que la inmadurez del desarrollo de los jóvenes los hace vulnerables a la persuasión forzada y más propensos a proporcionar confesiones falsas para escapar de la presión policial, dice.

Ha creado un entorno de realidad virtual que coloca a un joven en un escenario de interrogatorio inmersivo en el que un detective lo interroga utilizando diversas técnicas. Los participantes informan sobre sus percepciones de custodia y coerción, y los investigadores recopilan sus datos fisiológicos.

"La realidad virtual nos permite simular interrogatorios del mundo real y, al mismo tiempo, conservar el control experimental y garantizar la seguridad de los participantes", dice Cleary, cuya investigación fue apoyada por VCU Quest Fund con el objetivo de informar las leyes y las políticas, en particular para los sospechosos de color que pueden experimentar mayor desventaja en los interrogatorios. "Es lo mejor de ambos mundos desde una perspectiva de investigación".

Thomas y su equipo están creando una serie de juegos virtuales (los médicos los llaman “intervenciones”) para pacientes con trastornos del movimiento. Con unos auriculares, el paciente puede pescar virtualmente o golpear pelotas de voleibol lanzadas a diferentes velocidades y trayectorias. Como director del Laboratorio de Control Motor de VCU, la esperanza de Thomas es que la realidad virtual pueda ayudar a moverse a quienes tienen problemas de control del tronco causados ​​por afecciones ortopédicas o neurológicas como la enfermedad de Parkinson. "Y con suerte, cuando te quites los auriculares, te moverás aún mejor", afirma.

Zina Trost, Ph.D., profesora asociada del Departamento de Medicina Física y Rehabilitación, utiliza la realidad virtual para tratar el dolor neuropático en personas con lesiones de la médula espinal. Al usar un dispositivo de realidad virtual, los parapléjicos que han perdido el uso de sus piernas en el mundo real obtienen la capacidad de caminar en un entorno virtual, un método para mantenerse activos y mejorar su dolor crónico. Su esperanza es que la plataforma se convierta en una herramienta de telesalud para pacientes que pueda ser monitoreada por médicos externos. El ensayo clínico multisitio de Trost está financiado por el Departamento de Defensa.

El profesional local de efectos visuales Mark Lambert y Jarrod Reisweber, Psy.D., profesor asistente en el Departamento de Psicología, han desarrollado The Retreat, un programa de realidad virtual para personas en recuperación de un trastorno por uso de sustancias. En él, los usuarios visitan un camping cargado de diferentes lecciones, meditaciones y juegos para complementar sus sesiones presenciales de terapia cognitivo-conductual. Las primeras pruebas en el VA, donde ejerce Reisweber, han mostrado resultados positivos.

Pero, ¿pueden durar los cambios de comportamiento una vez que desaparece la pantalla y se guardan los auriculares? Es una gran incógnita, dice Thomas. ¿Las habilidades desarrolladas por los alumnos que utilizan el entrenador quirúrgico de realidad virtual de Siff se traducen en una reducción de las complicaciones o mejores resultados quirúrgicos? ¿Jugar al balón prisionero en realidad virtual mejora la capacidad de moverse con menos dolor en el mundo real?

"Estas son las preguntas que deben abordarse mediante estudios rigurosos, y VCU está muy bien posicionada para esa tarea", dice Thomas, quien está a punto de finalizar su ensayo clínico de fase II de balón prisionero con realidad virtual. Alienta a los investigadores a que se tomen su tiempo y se aseguren de que sus aplicaciones no utilicen la realidad virtual porque sí.

"Mi mayor temor es que la gente se apresure a crear una aplicación antes de completar la investigación y, de repente, tendrás muchas aplicaciones malas que en realidad no hacen nada y la realidad virtual tendrá mala fama", dice Thomas. . “Es una herramienta maravillosamente poderosa. En este momento, para los investigadores, tiene un gran potencial como herramienta clínica con aplicaciones muy específicas”.

Crear aplicaciones de realidad virtual requiere tiempo y comentarios de médicos y pacientes, lo que en última instancia se traduce en reelaborar el código del software o realizar ajustes en el hardware. El objetivo final es hacer que la experiencia de realidad virtual sea lo más real e interesante posible.

"Cuanto más pueda lograr que usted se involucre en el comportamiento objetivo, más remodelación lograré a nivel neuronal y obtendré los resultados que queremos", dice Thomas. "Ese es el Santo Grial de la realidad virtual".

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