CC BY
94
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕДИЦИНА___________
УДК 615.471.03;616.12;681.31
О. Н. Бодин, А. В. Кузьмин, А. Н. Митрошин
РАЗРАБОТКА ВИЗУАЛЬНОЙ МОДЕЛИ СЕРДЦА ДЛЯ ОБУЧЕНИЯ СТУДЕНТОВ-МЕДИКОВ
Данная статья посвящена разработке трехмерной компьютерной модели сердца, позволяющей наглядно представить геометрию, анатомические отделы и электрические процессы, протекающие в сердце. С помощью объемной модели сердца можно «заглянуть» внутрь сердца, строить сечения и изучать его внутреннее строение. Применение такого визуального пособия повышает эффективность обучения студентов медицинских специальностей.
Главная проблема диагностики сердечно-сосудистой системы (ССС) заключается в сложном, многоуровневом механизме ее функционирования, что позволяет только опытным специалистам устанавливать правильный диагноз. Для повышения эффективности обучения студентов-медиков необходимо использовать современные информационные технологии [1, 2].
Процесс изучения ССС необходимо дополнить наглядным представлением состояния ССС, чтобы обучающиеся имели возможность сопоставлять изменения ЭКГ с повреждениями миокарда на реалистичном трехмерном изображении сердца пациента, выделять составные анатомические части сердца, вращать, приближать/удалять и строить различные сечения модели сердца пациента [3].
Использование персонального компьютера (ПК) в качестве средства познания процессов, протекающих в сердце, позволит усовершенствовать технологии обучения студентов-медиков, визуализировать повреждения миокарда, а также решить значительно более сложные задачи обучения - задачи развития интеллектуального, творческого потенциала обучаемого, его аналитического, критического мышления, самостоятельности в приобретении знаний. В процессе обучения ПК является дидактическим средством и представляет собой важный элемент предметной среды для разностороннего развития обучаемых (например, «побочным» положительным эффектом является устранение «компьютерной боязни» обучаемых). При этом необходимо отметить уникальные возможности использования информационных технологий в технологии обучения, которые обеспечиваются с их помощью:
- неограниченный объем иллюстративного материала (графика, включая 3Б-графику, звук, анимация, мультфильмы, видеоклипы);
- простота навигации и быстрый поиск нужного материала;
- легкость осуществления корректировки и совершенствования учебного материала.
Анализ требований процесса изучения ССС позволяет сформулировать следующие функции системы визуализации:
1. Формирование реалистичного трехмерного изображения поверхности сердца.
2. Локализация места повреждения миокарда.
3. Отображение электрической активности сердца, т.е. отображение на поверхности сердца процессов возбуждения и распространения электромагнитных волн.
4. Формирование трехмерного изображения внутреннего строения сердца.
5. Предоставление возможности интерактивной работы с синтезированным изображением.
Для реализации перечисленных функций необходимо применение аппарата компьютерной графики. С точки зрения синтеза изображения, сердце представляет собой сложный графический трехмерный объект, описание формы которого трудно поддается формализации, а реализация модели требует от компьютера высокой производительности и больших вычислительных затрат. Так, «для того, чтобы рассчитать секунду работы сердца, требуются сутки работы мощного компьютера» [4].
Известна система моделирования и визуализации электрической активности желудочков ЕСв81М, в которой используется визуальная трехмерная модель сердца [5]. Ее авторами являются профессор Ван Оостером и доктор Ван Оостендорп, представляющие кафедру медицинской физики университета города Ниймеген (Голландия). Задачи, решаемые ЕСв81М, разработкой близки задачам, которые необходимо решить при реализации вышеприведенных функций. К ним относятся формирование трехмерной модели сердца, моделирование электрической активности сердца (ЭАС) и синтез ЭКГ. Система ЕСв81М является бесплатной и предназначена для обучения студентов-медиков, а не для целей диагностики [6]. Используемая модель сердца со средними геометрическими характеристиками позволяет адекватно моделировать и визуализировать электрические процессы, протекающие на внешней и внутренней поверхности сердца.
Следует отметить, что в ЕСв81М моделируется только геометрия желудочков (без предсердий), соответственно, и моделирование ЭА происходит только для желудочков. В результате, на синтезированной ЭКГ отсутствует зубец Р, за который «отвечают» предсердия (рис. 1).
500шз
-2тУ-'
Рис. 1 ЭКГ, синтезированная системой ЕСОБТМ
Используемая геометрическая модель включает только поверхность, построена на основе 257 опорных точек, объединенных с помощью алгоритма триангуляции Делоне в 510 треугольников, и не вполне соответствует требованиям реалистичности, хотя позволяет решать поставленные задачи. На рисунке 2 представлено изображение модели желудочков сердца, цветом обозначено распределение электрических потенциалов по поверхности.
Рис. 2 Изображение, предоставленное системой ECGSIM
С точки зрения сформулированных выше функций, ECGSIM не обеспечивает формирования реалистичного трехмерного изображения всего, включая внутренние полости сердца.
Поверхность сердца не имеет аналитического описания (с помощью аналитических поверхностей можно схематично представить различные отделы сердца, но это будет достаточно грубое приближение, не отвечающее требованиям реалистичности). Поэтому синтез реалистичной модели сердца начинается с формирования массива «опорных точек», отражающих с достаточной детальностью форму сердца. Под ними понимается набор точек трехмерного пространства, заданных своими координатами (x, y, z) и принадлежащих поверхности сердца. Количество точек определяет детальность представления поверхности. Так как сердце является сложным криволинейным объектом, то чем больше имеется опорных точек, тем точнее можно восстановить криволинейные участки поверхности. Задача получения опорных точек трехмерного объекта является темой отдельного рассмотрения, выходящей за рамки настоящей статьи. Одним из путей является «оцифровка» объемного муляжа сердца, на поверхность которого наносятся маркерные (опорные) точки, затем с помощью цифровой камеры получают снимки с разных ракурсов, снимки передают в компьютер, где с помощью специального программного обеспечения вычисляют трехмерные координаты опорных точек [6].
После формирования массива опорных точек осуществляется аппроксимация поверхности модели сердца. Компьютерная графика располагает богатым набором средств построения поверхностей на основе опорных точек. Самым растространенным является триангуляция Делоне [7]. В итоге модель сердца состоит из 5200 треугольников и 2000 точек (рис. 3). Такое количество элементов позволяет с достаточной детальностью отобразить форму сердца. Графический вывод реализуется с помощью библиотеки графических функций OpenGL [8].
Рис. 3 Каркасная модель сердца
Для большей наглядности и удобства работы с моделью различные анатомические отделы сердца можно выделить и обозначить разными цветами (рис. 4).
Рис. 4 Отделы сердца
На рисунке 4 обозначены следующие отделы: желудочки, правое предсердие, аорта, нижняя полая вена, левое предсердие, легочная артерия, легочные вены, верхняя полая вена.
Для большей реалистичности на полученную полигональную поверхность накладывается текстура. Библиотека OpenGL позволяет использовать в качестве текстуры двумерные изображения. Кроме самого изображения текстуры, необходимо задание координат вершины текстуры для ее верного размещения на объекте. Каждая грань объекта, подлежащая текстурирова-нию, т.е. наложению текстуры, имеет указанные вершины текстуры. При построении трехмерной модели сердца используется текстура размером 512x256 пикселей. Изображение текстуры приведено на рисунке 5.
Рис. 5 Текстура сердца
Для визуализации повреждений миокарда на синтезированном изображении модели сердца созданы дополнительные текстурные карты, отражающие соответствующие заболевания. Каждая такая карта содержит изображение трех зон повреждений, отмеченных соответствующим цветом. На рисунке 6 черным цветом обозначена зона некроза (вокруг - зона повреждения и зона ишемии).
Рис. 6 Модель сердца с наложенной текстурой
Таким образом осуществляется реализация первых двух вышеперечисленных функций системы визуализации ССС.
Для реализации моделирования и отображения ЭАС используется математическая модель Алиева-Панфилова [9], которая адекватно воспроизводит форму трансмембранного потенциала действия и процесс распространения возбуждения в сердечной мышце. Вопросы построения численной модели для решения системы уравнений Алиева-Панфилова оставим за границей рассмотрения, они подробно рассмотрены в статье [10]. Приведем только основные результаты. На рисунке 7 показаны результаты моделирования и отображения возбуждения миокарда в течение кардиоцикла.
Рис. 7 Визуализация возбуждения сердца
По мнению авторов, одна из основных задач, стоящих перед системой визуализации ССС в процессе обучения, - это построение реалистичного трехмерного изображения сердца с возможностью сечения произвольными плоскостями и визуализацией внутреннего строения сердца. Проведенный поиск показал, что наглядное визуальное представление анатомии сердца практически недоступно. Во многих печатных и электронных источниках предлагается только схематичное изображение фронтального сечения сердца (рис. 8). Однако по подобным изображениям трудно составить представление о трехмерной структуре миокарда. В процессе обучения необходима возможность интерактивной работы с изображением, т.е. требуется применение компьютерной модели. Существующие общедоступные модели также схематичны, как видно из вышеприведенного примера ЕСОБ1ш, и не соответствуют требованиям реалистичности.
Рис. 8 Изображение фронтального сечения сердца
Поэтому авторами разработана трехмерная модель поверхности сердца и его внутренних полостей. В качестве первоисточника использовалась монография [11], где приведены основные сведения об используемых в диагностике проекциях, взаимном расположении и средних размерах анатомических отделов сердца.
С помощью алгоритмов объемной графики полигональная модель (рис. 3) «конвертируется» в трехмерное изображение внутреннего строения сердца. Данный процесс подробно описан в [3]. Здесь можно отметить, что основными этапами «технологического конвейера» получения объемной модели являются:
- построение поверхностной модели трехмерного объекта;
- вокселизация поверхностной модели трехмерного объекта;
- расчет нормалей освещения;
- определение требуемого разрешения;
- визуализация объемного представления объекта.
Для построения сечений, как и для построения самого трехмерного изображения модели сердца и наложения соответствующих текстур, используется библиотека графических функций OpenGL. Пример построенного изображения приведен на рисунке 9.
Рис. 9 Фронтальное сечение объемной модели сердца
Средствами OpenGL обеспечивается ввод произвольных секущих плоскостей и построение таким образом любых сечений трехмерной модели сердца.
Резюмируя результаты проделанной работы, можно сказать, что описанная модель отвечает требованиям реалистичности и отражает не только поверхность, но и внутреннее строение сердца. Эта отличительная особенность позволяет использовать ее для обучения студентов медицинских специальностей в качестве наглядного пособия для показа представления локализации повреждения миокарда, моделирования распространения волны возбуждения миокарда и, в перспективе, сердечных сокращений. Предполагает-
ся внедрение данной модели в учебный процесс Медицинского института Пензенского государственного университета и Пензенского государственного института усовершенствования врачей, что позволит повысить эффективность и качество обучения в кардиологии по сравнению с традиционными технологиями обучения анализу сигналов ЭКГ.
Список литературы
1. Бодин, О. Н. Использование современных компьютерных технологий в подготовке студентов-медиков / О. Н. Бодин, И. П. Бурукина, А. Н. Митрошин // Университетское образование - 2004 : сборник трудов VIII Международной научнометодической конференции. - Пенза, 2004.
2. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.umo.msu.ru/
3. Бодин, О. Н. Разработка фрактального алгоритма для построения трехмерной модели сердца / О. Н. Бодин, А. В. Кузьмин // САПР и графика. - 2005. - № 3.
4. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://mednovosti.ru/ news/2002/01/24/cor/ _Printed.htm.
5. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: www.ecgsim.org/
6. Игнатьев, К. 3Б-сканеры. Цифровые скульпторы / К. Игнатьев // Chip. - 2003. -№ 9. - С. 66-72.
7. Скворцов, А. В. Обзор методов построения триангуляции Делоне / А. В. Скворцов // Вычислительные методы и программирование. - 2002. - Т. 3.
8. Интерактивная компьютерная графика. Вводный курс на базе OpenGL / Э. Эйнджел ; пер. с англ. - 2-е изд. - М. : Вильямс, 2001. - 592 с.
9. Aliev, R. R. Asimple model of cardiac excitation / R. R. Aliev, A. V. Panfilov // Chaos, Solitons &Fractals. - 1996. - № 3. - V. 7. - Р. 293-301.
10. Бодин, О. Н. Моделирование и визуализация распространения возбуждения в миокарде / О. Н. Бодин, И. В. Строкова // Известия вузов. Поволжский регион. -2006. - № 3.
11. Тихонов, К. Б. Функциональная рентгеноанатомия сердца / К. Б. Тихонов. -2-е изд. - М. : Медицина, 1990. - 272 с.
