CC BY
52
5. Monaghan J.J., An introduction to SPH, Computer Physics Communications, 1988, Vol. 48, pp. 88-96.
6. Kolb A., Cuntz N., Dynamic particle coupling for GPU-based fluid simulation, In Proceedings of the 18th Symposium on Simulation Techniques, 2005, pp. 722-727.
References
1. Filimonov V.S., Talibov O.B., Vertkin A.L., Vrach skoroy pomoshchi [An emergency doctor], 2010, no. 6, pp. 9-19.
2. Kolsanov A.V., Yunusov R.R., Yaremin B.I., Chaplygin S.S., Voronin A.S., Grachev B.D., Dubinin A.A., Nazaryan A.K.,
Vrach-aspirant [Postgraduate doctor], 2012, no. 2.4 (51), pp. 584-588.
3. Cherepanov A.S., Makarov S.A., Saptsin N.V., Ivashchen-ko A.V., Yaremin B.I., Kolsanov A.V., Tr. nauch.-tekhnich. konf. «PIT 2012» [Proc. of Sci. and Technolog. Conf. «PIT 2012»], Samara, SNTs RAN, 2012, pp. 273-277.
4. SAPR i grafika [CAD and graphics], 2010, no. 2, pp. 42-43.
5. Monaghan J.J., Computer Physics Communications, 1988, Vol. 48, pp. 88-96.
6. Kolb A., Cuntz N., Proc. of the 18th Symp. on Simulation Techniques, 2005, pp. 722-727.
УДК 007.51
ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТРЕНАЖЕРА ЛАПАРОСКОПИЧЕСКОЙ ХИРУРГИИ
(Работа выполнена при поддержке Минобрнауки РФ в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетнъм направлениям развития научно -технологического комплекса России»
на 2007-2013 гг., шифр № 2011-2.7-527-062)
А.В. Колсанов, д.м.н., профессор, зав. кафедрой; С.С. Чаплыгин, ассистент (Самарский государственный медицинский университет, ул. Чапаевская, 89, г. Самара, 443099, Россия, avkolsanov@mail.ru, chaplyginss@mail.ru); А.В. Иващенко, д.т.н., доцент, зам. директора по науке; А.В. Кузьмин, к.т.н., доцент, вед. инженер-программист; Н.А. Горбаченко, вед. инженер-программист; М.Г. Милюткин, вед. инженер-программист (Научно-производственная компания «Маджента Девелопмент», anton.ivashenko@gmail.com, flickerlight@inbox. ru, gorbachenko@magenta-technology.ru, milutkin@magenta-technology. ru)
Описываются особенности реализации ПО аппаратно-программного комплекса «Виртуальный хирург» для обучения врачей-хирургов навыкам лапароскопической (эндоскопической) хирургии на этапах преддипломной практики и дипломного проектирования. ПО тренажера позволяет реалистично симулировать действия различных лапароскопических инструментов и камеры-эндоскопа в трехмерной сцене. Авторами разработаны трехмерные модели органов человека и реализованы сценарии проведения операций, позволяющие освоить базовые навыки и техники проведения оперативного вмешательства. Для обучения базовым навыкам оперативного вмешательства созданы специализированные сцены и обучающие методики.
Ключевые слова: аппаратно-программный комплекс, моделирование, симуляционное обучение, хирургия.
LAPAROSCOPIC SURGERY SIMULATION TRAINING SOFTWARE Kolsanov A. V., Ph.D., professor, head of chair; Chaplygin S.S., assistant (Samara State Medical University, Chapayevskaya St., 89, Samara, 443099, Russia, avkolsanov@mail.ru, chaplyginss@mail.ru);
Ivashchenko A. V., Ph.D., associate professor, deputy director on scientific work;
Kuzmin A. V., Ph.D., associate professor, leading engineer-programmer; Gorbachenko N.A., leading engineer-programmer; Milutkin M.G., leading engineer-programmer (SEC «Magenta Technology», Samarskaya St., 146, Samara, 443011, Russia, anton.ivashenko@gmail.com, flickerlight@inbox. ru, gorbachenko@magenta-technology. ru, milutkin@magenta-technology. ru) Abstract. The paper describes basic features of software implementation for «Virtual Surgeon» simulation training system for surgeon's study of laparoscopy (endoscopy) skills at stages of pre-graduation training and graduation work. The developed software allows realistic simulation of different laparoscopic instruments actions and video camera - endoscope in 3D scenes. There are developed 3D models of human body and operative intervention scenarios that help learning basic skills and techniques of surgery treatment. Special scenes and study methods are provided to train surgery basic skills. Keywords: hardware and software, simulation, training, surgery.
Симуляционное обучение в медицине - это вид учебной деятельности, направленной на освоение обучающимися всех категорий практических навыков, комплексных умений и отработку командных действий при оказании медицинской помощи на основе применения симуляционных моделей: роботов-симуляторов пациента, виртуальных тре-
нажеров, муляжей, фантомов и манекенов. Симу-ляционные технологии в медицине являются новым для российского здравоохранения форматом обучения с выраженным практическим акцентом, эффективно формирующим в участниках прикладные навыки через погружение в реальность [1]. В связи с этим актуальна задача разработки и
внедрения современных технологий симуляцион-ного обучения в медицинских вузах [2, 3].
Обладающие высокой реалистичностью медицинские тренажеры [4] для обучения врачей-хирургов навыкам и умениям, необходимым для эндохирургического вмешательства, достаточно дороги и при этом не позволяют в полной мере моделировать обратную связь, что существенно снижает достоверность тактильных ощущений. С целью устранения этого недостатка был разработан аппаратно-программный комплекс «Виртуальный хирург» [5] для 3D-моделирования операционного процесса и системного обучения врача-хирурга методикам эндоскопической хирургии на этапах додипломного и последипломного образования.
Комплекс универсален, он может применяться для отработки базовых навыков и для освоения методик проведения операций, включая тактику при возникающих осложнениях. Возможность неограниченного повторения упражнений позволяет использовать комплекс для закрепления навыков. Наличие алгоритмов оценки качества в составе учебно-методических модулей комплекса дает возможность объективно оценивать результаты тренировок.
При разработке программной части использована модульная архитектура с четко определенными потоками данных между модулями. Это позволяет вносить изменения в реализацию каждого модуля независимо от других при условии, что объем передаваемых данных не меняется.
Система разделена на следующие основные модули:
- модуль 3D-визуализации позволяет визуализировать операционное поле, включая органы, инструменты, течение жидкостей;
- модуль физики обеспечивает реализацию модели физического взаимодействия в рамках операционного поля, включая обнаружение случаев взаимодействия объектов операционного поля между собой (столкновений), определение изменений в положении (перемещение) и в геометрии (деформация) объектов операционного поля, изменение топологии объектов операционного поля (нарушение целостности), обработку дискретных событий, изменяющих физическую модель операционного поля (клипирование, отрезание, коагуляция, смена инструмента и т.д.), регистрацию событий взаимодействия инструментов с объектами операционного поля с требуемой детализацией для дальнейшей обработки в модуле
управления операцией, а также расчет положений и сил при взаимодействии инструментов с объектами операционного поля;
- модуль взаимодействия с манипуляторами дает возможность обмениваться информацией с манипуляторами с максимально возможной частотой;
- модуль управления операцией обеспечивает высокоуровневое управление всеми остальными модулями в соответствии с логикой операции, включая отслеживание и регистрацию существенных для хода операции событий, определение качественных и количественных показателей, используемых для оценки операции, отслеживание критериев аварийного завершения операции, моделирование действий хирурга, реализованных за пределами манипуляторов (например смена инструмента), и реализацию интерфейса управления операцией.
ПО комплекса реализовано с использованием современных технологий для построения и моделирования 3D-сред и физических свойств материалов: USB HID, DirectInput, SDL, OpenGL, Direct3D, OpenCL, DirectCompute, CUDA, PhysX, Havok. На рисунке 1 приведена диаграмма классов UML, иллюстрирующая особенности реализации ПО тренажера.
После загрузки программного модуля требуемой методики и уровня сложности пользователь приступает к выполнению симуляции хирургического вмешательства, используя манипуляторы комплекса, действуя по методике выполнения операции и контролируя свои действия по изображению на мониторе и по ощущениям обратной силовой реакции манипуляторов. В ходе выполнения операции пользователь может выбирать разные инструменты для правой и левой руки и задавать другие параметры моделирования (см. рис. 2).
Интер фейс
-роль пользователя -состояние
+авто +отобразить ризоваться() +запустить() результаты() +настроить()
Блок связи с объектом
-порт
+настроить порты() +задействовать порт() +освободить порт()
Инструмент
-название -параметры -назначение
+использовать() +добавить() +поменять() +убрать()
Поле операции
-разрешение -используемые инструменты -характеристики операции
+запустить() +завершить()
Манипулятор
-параметры
+задействовать() +освободить() +настроить()
Двигатель
-тип двигателя
+использовать()
Сценарий
-параметры
+запустить() +завершить()
Джойстик
-параметры
+использовать()
Исключения
-параметры
+отобразить()
Рис. 1. Диаграмма классов ПО тренажера
Рис. 2. Интерфейс симулятора: управление ходом операции
Изображение на мониторе строится на основании отслеженных изменений положения манипуляторов и команд пользователя. На рисунке 3 приведен пример моделирования лапароскопической холецистэктомии. Обратные силовые реакции манипуляторов имитируют сопротивление тканей и инструментов, создавая на рукоятках управления силы сопротивления, пропорциональные приложенным пользователем усилиям и рассчитанные по заложенным критериям сопротивления тканей и инструментов. По окончании симуляции на экран выводятся результаты работы пользователя в виде текста. Пользователь с правами администратора может выбирать методики и
уровень сложности симуляции, а также распечатывать результаты.
Таким образом, по заданию оператора комплекс может проводить трехмерное моделирование операционного процесса, загружая учебно-методические модули по конкретным методикам эндоскопической хирургии. Моделирование проводится по установленным сценариям. В зависимости от уровня подготовки пользователя могут быть выбраны сценарии различной сложности, включающие особенности анатомического строе-
Рис. 3. Интерфейс симулятора: фрагмент изображения для лапароскопической холецистэктомии (вверху изображены инструменты, в центре - желчный пузырь)
ния органов и варианты развития осложнений до и в ходе операции.
Следует отметить возможность оттачивания базовых навыков владения эндоскопическими инструментами. Это самый первый шаг в освоении лапароскопии, на котором в процессе выполнения нескольких упражнений студент знакомится с основными возможностями инструментов, учится правильно манипулировать ими, верно определять взаимное расположение объектов по изображению, получаемому с камеры, контролировать движение инструментов, а также координировать взаимодействие камеры и инструментов. Реализация базовых навыков потребовала разработки новых алгоритмов моделирования физических тел трехмерной сцены и обработки случаев их столкновений (см. рис. 4).
Разработанные технологии 3D-моделирования операционного процесса и учебно-методические модули позволяют обеспечить системное обучение врача-хирурга методикам эндоскопической хирургии на этапах додипломного и последипломного образования. Использование его в учебном процессе позволяет повысить качество подготовки медицинских специалистов.
Литература
1. Филимонов В.С., Талибов О.Б., Верткин А.Л. Эффективность симуляционной технологии обучения врачей по ведению пациентов в критических ситуациях // Врач скорой помощи. 2010. № 6. С. 9-19.
2. Свистунов А.А., Коссович М.А., Васильев М.В., Шу-
бина Л.Б., Грибков Д.М. Оптимизация обучения лапароскопической хирургии в условиях центра непрерывного профессионального образования // Виртуальные технологии в медицине. 2012. № 1 (7). С. 27-34.
3. Колсанов А.В., Юнусов Р.Р., Яремин Б.И., Чаплыгин С.С., Воронин А.С., Грачев Б.Д., Дубинин А.А., Назарян А.К. Разработка и внедрение современных медицинских технологий в систему медицинского образования // Врач-аспирант. 2012. № 2.4 (51). С. 584-588.
4. Горшков М.Д., Федоров А.В. Классификация по уровням реалистичности оборудования для обучения эндохирургии // Виртуальные технологии в медицине. 2012. № 1(7). С. 35-39.
5. Батраков М.Ю., Горбаченко Н.А., Зайцев Д.Ю., Сап-цин Н.В., Иващенко А.В., Чаплыгин С.С., Колсанов А.В. Тренажер для симуляционного обучения эндоскопическому оперативному вмешательству // Перспективные информационные технологии в научных исследованиях, проектировании и обучении (ПИТ 2012): тр. науч.-технич. конф. Самара: СНЦ РАН, 2012. С. 269-273.
References
1. Filimonov V.S., Talibov O.B., Vertkin A.L., Vrach skoroy pomoshchi [An emergency doctor], 2010, no. 6, pp. 9-19.
2. Svistunov A.A., Kossovich M.A., Vasilev M.V., Shubina L.B., Gribkov D.M., Virtualnye tekhnologii v meditsine [Virtual Simulators in Medicine], 2012, no. 1 (7), pp. 27-34.
3. Kolsanov A.V., Yunusov R.R., Yaremin B.I., Chaplygin S.S., Voronin A.S., Grachev B.D., Dubinin A.A., Nazaryan A.K., Vrach-aspirant [Postgraduate doctor], 2012, no. 2.4 (51), pp. 584-588.
4. Gorshkov M.D., Fedorov A.V., Virtualnye tekhnologii v meditsine [Virtual Simulators in Medicine], 2012, no. 1(7), pp. 35-39.
5. Batrakov M.Yu., Gorbachenko N.A., Zaytsev D.Yu., Saptsin N.V., Ivashchenko A.V., Chaplygin S.S., Kolsanov A.V., Tr. nauch.-tekhnich. konf. «PIT 2012» [Proc. of Sci. and Technolog. Conf. «PIT 2012»], Samara, SNTs RAN, 2012, pp. 269-273.
UDK 631.1
ANALYSIS AND AUTOMATION OF COCOA PESTS AND SPREAD MANAGEMENT AND CONTROL
A.N. Chokhonelidze, Ph.D, professor; F. Lempogo, postgraduate;
W. Brown-Acquaye, postgraduate; G.E. Y. Okai, postgraduate (Tver State Technical University, Quay Nikitin, 22, Tver, 1 70026, Russia, 444595@pochtf.ru, forlempo@yahoo.co.nz, u)brournacquaye@hotmail.com, kingsoviet1@yahoo.co.uk)
The paper analyses the process of complex application development that uses GIS-technologies to manage and control cocoa pest and disease spread in a West African country: Ghana. The complex program captures information about detected pests and diseases. This information can be examined by agricultural extension officers on farms, warehouses and plantations of different zones and districts. This information is also published on the web and can be accessed by stakeholders (Government Ministries and Agencies, non-governmental organization etc.) through an interactive web-based GIS interface (interactive map).
Keywords: cocoa, disease, data GeoBases, pests, E-agriculture, ArcSDE, SQL server, ArcGis.
Cocoa (Theobroma Cacao L.) is the most important cash crop in Ghana today, contributed about 4,5 % of the country's total GDP in 2011. The country currently produces over a million tonnes of cocoa
bean a year that puts it in second place among the world producers of the crop as shown in table 1. This makes issues related to cocoa production very critical in the country.
