Трехмерное моделирование в медицине (Трехмерное моделирование и визуализация в медицине А. В. Кузьмин)

Вестник Пензенского государственного университета № 4 (12), 2015УДК 004.9А. В. КузьминТРЕХМЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ВИЗУАЛИЗАЦИЯ В МЕДИЦИНЕАннотация. 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 составауниверситета.Ключевые слова: трехмерное моделирование, компьютерная графика, визуализация, математическоемоделирование.ВведениеПроникновение 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 которыхавтор принимает непосредственное участие как сотрудник кафедры информационновычислительных систем и резидент студенческого научно-производственного бизнесинкубатора Пензенского государственного университета.Моделирование электрической активности сердцаСовременные информационные технологии находят свое применение при решениисамых различных задач: от ведения баз данных пациентов до сложных диагностическихсистем и аппаратно-программных комплексов роботической хирургии.

Одной из актуальных задач применения информационных технологий является моделирование сердцачеловека.Актуальность этой темы вызвана двумя основными факторами. Первый из них –это чрезвычайная важность проблемы сердечно-сосудистых заболеваний. По статистикеони уверенно держат первое место среди причин смерти и потери трудоспособностинаселения. Диагностика сердечно-сосудистых заболеваний является важнейшей проблемой. Второй фактор – это повсеместное внедрение информационных технологий, когдамоделирование и анализ функционирования отдельных систем на сегодняшний деньстали 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 НорбертаВинера 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 идиагностики.Вот, например, как формулирует цели дальнейшей работы Нильс Вессел: «Еще одна цель, следовательно, состоит в том, чтобы пойти на качественно новый шаг: сочетаниеанализа данных и моделирования».

Или академик РАН М. П. Рощевский убежден, что122Техника, технология, управлениедиагностика 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 моделисердца с использованием исходных данных реального человека.Если исходить из того, что адекватная модель работы сердца имеется, то анализданных здесь – это получение параметров такой модели, отражающей особенности конкретного человека, а моделирование – это как раз исследование функционированиясердца 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 активностисердца.

Целый класс таких моделей, несмотря на существенные различия, сводится к одному – рассмотрению сердца в качестве некоего электрического генератора, такого, чтопри его помещении на место сердца мы могли бы регистрировать на поверхности телаЭКГ с удовлетворительной погрешностью.Таких моделей сейчас создано множество: это и точечный заряд, диполь, квадруполь, мультиполь или многодипольный генератор и др. Особенно стоит подчеркнутьвклад в разработку таких моделей именно российских ученых: В. С. Мархасина, Л. И. Титомира, 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 обратныезадачи не всегда корректные, а их решение может быть достаточно сложным.В своей работе мы используем многодипольную модель электрической активностисердца, 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 модель123Вестник Пензенского государственного университета № 4 (12), 2015Предложенные модели используются для получения распределения электрическиххарактеристик по поверхности модели сердца [2].Сейчас в рамках данного проекта разрабатывается методика динамического изменения геометрических параметров модели.

Работа выполняется в рамках базовой частигосударственного задания в сфере научной деятельности по Заданию № 2014/151за 2014 г. по теме «Моделирование электрической активности сердца» (№ госрегистрации 114110640068).Говоря об этой тематике, нельзя не упомянуть о коллегах, с которыми полученынаучные результаты. Это научный коллектив (или даже научная школа) неинвазивнойдиагностики 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).

Научныйруководитель этого направления – профессор О. Н. Бодин.Виртуальный хирургДругим актуальным и чрезвычайно интересным проектом, как нельзя лучше воплощаяющим технологии трехмерного моделирования и визуализации в области медицинского обучения, является «Виртуальный хирург». Это разработка Самарского медицинского университета, первый в России компьютерный симуляционный тренажер дляобучения 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 объектовоперационного 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, такихкак 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, разрез124Техника, технология, управлениеТакже стоит отметить, что мехатронный манипулятор для открытой хирургии проходил тестирование в лаборатории бизнес-инкубатора.Моделирование воздействий на верхнечелюстную пазухуДругая разработка связана напрямую с применением трехмерного моделированиядля планирования операций на верхнечелюстной пазухе. Проект осуществляется совместно с сотрудниками Медицинского института, руководитель – доктор медицинскихнаук, профессор С.