CC BY
571
УДК 004.9
А. В. Кузьмин
ТРЕХМЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ВИЗУАЛИЗАЦИЯ В МЕДИЦИНЕ
Аннотация. Данная статья подготовлена по материалам доклада «Трехмерное моделирование и визуализация в медицине», представленного на пленарном заседании XXVI научно-практической конференции «Актуальные проблемы науки и образования» студентов и профессорско-преподавательского состава университета.
Ключевые слова: трехмерное моделирование, компьютерная графика, визуализация, математическое моделирование.
Введение
Проникновение информационных технологий в различные области науки и образования во многом определяет прогресс и направления развития в этих областях. И медицина здесь не является исключением. В данной статье рассматривается область трехмерного моделирования в медицине на примере четырех проектов, в разработке которых автор принимает непосредственное участие как сотрудник кафедры информационновычислительных систем и резидент студенческого научно-производственного бизнесинкубатора Пензенского государственного университета.
Моделирование электрической активности сердца
Современные информационные технологии находят свое применение при решении самых различных задач: от ведения баз данных пациентов до сложных диагностических систем и аппаратно-программных комплексов роботической хирургии. Одной из актуальных задач применения информационных технологий является моделирование сердца человека.
Актуальность этой темы вызвана двумя основными факторами. Первый из них -это чрезвычайная важность проблемы сердечно-сосудистых заболеваний. По статистике они уверенно держат первое место среди причин смерти и потери трудоспособности населения. Диагностика сердечно-сосудистых заболеваний является важнейшей проблемой. Второй фактор - это повсеместное внедрение информационных технологий, когда моделирование и анализ функционирования отдельных систем на сегодняшний день стали нормой.
Область моделирования сердца человека на стыке медицинских и технических дисциплин. А как показывает история науки, по крайней мере с средины прошлого века, очень часто прорывы происходят именно при работе на стыке различных отраслей. Вспомнить хотя бы совместную работу известнейшего ученого-кибернетика Норберта Винера и физиолога Артуро Розенблюта.
Многие ученые и целые разделы наук успешно разрабатывали тематику сердца, отдельных аспектов его активности, но зачастую достаточно изолированно друг от друга. Нынешний уровень развития информационных технологий, моделирования и визуализации позволяет использовать эти наработки для исследовательских целей, обучения и диагностики.
Вот, например, как формулирует цели дальнейшей работы Нильс Вессел: «Еще одна цель, следовательно, состоит в том, чтобы пойти на качественно новый шаг: сочетание анализа данных и моделирования». Или академик РАН М. П. Рощевский убежден, что
122
Техника, технология, управление
диагностика сердечно-сосудистой системы будущего будет основываться на моделировании электрических процессов в сердце по электрокардиографическим данным, полученным на поверхности тела. По сути, они формулируют одну и ту же цель - анализ модели сердца с использованием исходных данных реального человека.
Если исходить из того, что адекватная модель работы сердца имеется, то анализ данных здесь - это получение параметров такой модели, отражающей особенности конкретного человека, а моделирование - это как раз исследование функционирования сердца на такой модели с учетом индивидуальных параметров.
Это можно назвать даже сменой парадигмы диагностики и переходом к диагностике, основанной на моделировании (или симуляционной диагностике), когда продиагностированное состояние пациента моделируется c учетом его физиологических особенностей.
Такой подход вполне согласовывается со всеми мировыми тенденциями по индивидуализации медицины, внедрению личного медицинского профиля, долгосрочной истории хранения диагностических данных и результатов диагностики.
Основой моделирования сердца может быть модель электрической активности сердца. Целый класс таких моделей, несмотря на существенные различия, сводится к одному - рассмотрению сердца в качестве некоего электрического генератора, такого, что при его помещении на место сердца мы могли бы регистрировать на поверхности тела ЭКГ с удовлетворительной погрешностью.
Таких моделей сейчас создано множество: это и точечный заряд, диполь, квадру-поль, мультиполь или многодипольный генератор и др. Особенно стоит подчеркнуть вклад в разработку таких моделей именно российских ученых: В. С. Мархасина, Л. И. Ти-томира, М. П. Рощевского, О. В. Баума, А. Н. Волобуева и М. Н. Крамма.
Получение параметров модели электрической активности сердца связано с решением обратной задачи электродинамики. В связи с этим не стоит забывать, что обратные задачи не всегда корректные, а их решение может быть достаточно сложным.
В своей работе мы используем многодипольную модель электрической активности сердца, разработанную Л. И. Титомиром [1]. Важнейшим элементом такой модели является геометрическая модель сердца, или квазиэпикард. В качестве геометрической модели используется как поверхностная полигональная модель, построенная на основе опорных точек, так и объемная воксельная модель, построенная на основе рекурсивного разделения пространства (рис. 1).
а) б)
Рис. 1. Трехмерная модель сердца:
а - поверхностная модель внутри модели грудной клетки; б - объемная модель
123
Вестник Пензенского государственного университета № 4 (12), 2015
Предложенные модели используются для получения распределения электрических характеристик по поверхности модели сердца [2].
Сейчас в рамках данного проекта разрабатывается методика динамического изменения геометрических параметров модели. Работа выполняется в рамках базовой части государственного задания в сфере научной деятельности по Заданию № 2014/151 за 2014 г. по теме «Моделирование электрической активности сердца» (№ госрегистрации 114110640068).
Говоря об этой тематике, нельзя не упомянуть о коллегах, с которыми получены научные результаты. Это научный коллектив (или даже научная школа) неинвазивной диагностики и анализа кардиографической информации, включающий ученых и специалистов Пензенского государственного университета (а именно кафедр «Информационно-вычислительные системы», «Информационно-измерительная техника», «Теоретическая и прикладная механика и графика», а также Медицинского института). Научный руководитель этого направления - профессор О. Н. Бодин.
Виртуальный хирург
Другим актуальным и чрезвычайно интересным проектом, как нельзя лучше во-площаяющим технологии трехмерного моделирования и визуализации в области медицинского обучения, является «Виртуальный хирург». Это разработка Самарского медицинского университета, первый в России компьютерный симуляционный тренажер для обучения навыкам эндоскопической, эндоваскулярной и открытой хирургии, а также высокореалистичный трехмерный атлас анатомии человека. Часть технических решений, используемых в этом тренажере, разработана при участии нашего университета: это модуль базовых навыков лапароскопии, методики моделирования и визуализации объектов операционного поля, инструментов, физических взаимодействий, сечения полигональных и объемных моделей, а также архитектура средств разработки программного обеспечения для построения хирургических тренажеров [3].
Технические решения разработаны с использованием современных средств, таких как графическая библиотека OGRE3D, физические библиотеки PhysX от NVidia и Bullet, интегрированная среда разработки Visual Studio от Microsoft.
На рис. 2 показаны примеры визуализации, взятые из различных кейсов.
а) б)
Рис. 2. Визуализация операционного поля:
а - модуль базовых навыков работы с эндоскопической камерой; б - открытая хирургия, разрез
124
Техника, технология, управление
Также стоит отметить, что мехатронный манипулятор для открытой хирургии проходил тестирование в лаборатории бизнес-инкубатора.
Моделирование воздействий на верхнечелюстную пазуху
Другая разработка связана напрямую с применением трехмерного моделирования для планирования операций на верхнечелюстной пазухе. Проект осуществляется совместно с сотрудниками Медицинского института, руководитель - доктор медицинских наук, профессор С. В. Сергеев.
В качестве основы для построения трехмерной модели использовались томограммы. Кроме того, проведена работа по изучению и анализу возрастных изменений геометрических и механических параметров пазухи.
С использованием построенной модели выполнялись вычислительные эксперименты по исследованию возникающих деформаций под воздействием хирургического инструмента с помощью метода конечных элементов [4]. Сравнивалась травматичность при использовании различных точек доступа, определялись особенности возникающих деформаций (рис. 3).
(*•»)
II 609*401 1 $40*401 1 <07*401 1 «7*401 1 1«*401 9051*402 0*44*402 7 0)7*402 5«2«*402 4 222*402
1 2015*402 1407*402 1000*4»
Рис. 3. Визуализация параметров напряженно-деформированного состояния
верхнечелюстной пазухи
Результаты работы легли в основу кандидатской диссертации.
Система для интерактивного изучения анатомии человека
Данный проект демонстрирует, как студенческая инициатива, «инициатива снизу» может вылиться в интересную и востребованную научно-техническую работу. Замысел принадлежит студенту Медицинского института, который на практике столкнулся со всеми сложностями освоения теоретической части курса анатомии человека с помощью печатного анатомического атласа. В бизнес-инкубатор он пришел с идеей создания интерактивной системы, которая позволяла бы работать с трехмерными моделями наиболее сложных костей и соответствующими описаниями, чтобы их можно было изучать в более наглядном интерактивном режиме на компьютере.
125
Вестник Пензенского государственного университета № 4 (12), 2015
Данный проект уже получил признание на научно-технических мероприятиях различного уровня. С технической точки зрения уже реализован прототип интерактивном системы со своей оболочной, загружаемыми моделями и информационным содержанием (рис. 4).
Рис. 4. Подготовка трехмерной модели
Главной изюминкой является то, что на нескольких костях с достаточно сложной пространственной структурой был отработан технологический конвейер создания детализированных моделей на основе томографических данных [5].
Заключение
Приведенными примерами не ограничиваются разработки ПГУ в области трехмерного моделирования и визуализации в области медицины. Данный список может быть продолжен. Однако уже рассмотренного перечня достаточно, чтобы показать, насколько перспективной и плодотворной является область на стыке современных информационных технологий и медицины и что данное направление в университете активно развивается.
Список литературы
1. Титомир, Л. И. Математическое моделирование биоэлектрического генератора сердца / Л. И. Титомир, П. Кнеппо. - М. : Наука, Физматлит, 1999. - 447 с.
2. Митрохина, Н. Ю. Анализ электрической активности сердца с использованием геометрических параметров / Н. Ю. Митрохина, А. В. Кузьмин, Е. В. Петрунина // Медицинская техника. -2013. - № 6. - C. 38-41.
3. Алгоритмы определения видимости объектов сцены при симуляционном обучении базовым навыкам лапароскопии / А. В. Кузьмин, М. Г. Милюткин, А. С. Черепанов, А. В. Иващенко, А. В. Колсанов, Р. Р. Юнусов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2013. - № 3. - С. 40-51.
4. Григорькина, Е. С. Компьютерное 3Б-моделирование травмирующего воздействия на верхнюю челюсть / Е. С. Григорькина, А. В. Кузьмин, С. В. Сергеев // Практическая медицина. - 2015. -№ 2 (87). - Т. 2. - С. 76-78.
5. Денисов, О. Е. Информационная система для изучения анатомии человека / О. Е. Денисов, И. А. Левашов, А. В. Кузьмин // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. - 2014. - № 2 (10). - C. 153-157.
126
Техника, технология, управление
Кузьмин Андрей Викторович
кандидат технических наук, доцент, кафедра информационно-вычислительных систем,
Kuz'min Andrey Viktorovich
candidate of technical sciences, associate professor, sub-department of information systems,
Penza State University
Пензенский государственный университет E-mail: [email protected]
УДК 004.9 Кузьмин, А. В.
Трехмерное моделирование и визуализация в медицине / А. В. Кузьмин // Вестник Пензенского государственного университета. - 2015. - № 4 (12). - C. 122-127.
