Моделирование в цифровой биомедицине-1 (833819), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Еще в апреле 2012 он был способен визуализировать в реальном времени томограмму из5168 слоев: «GPU RayCasting for a huge dataset»(https://www.youtube.com/user/ngavrilov86). Производительность InVols продолжает с каждым годом расти вместе с производительностью GPU.Также в ННГУ решена и проблема измерения иобеспечения заданного качества 3D визуализациитомограммы в условиях отсутствия эталона и, в результате, предложен подход сравнения алгоритмовв осях производительность-качество [2].2.2 Параметризованное моделированиеЛиния трехмерного моделирования человека, егоорганов и систем, представлена достаточно большим числом фирм и комплексов моделей.
Исторически абсолютное большинство 3D моделей былисозданы для целей наглядного изучения анатомиии не являются параметризованными. Авторы наиболее продвинутых продуктов уже начали движение в сторону создания параметризованных моделей. Один из лидеров в этом фирма Zygote Inc.(http://www.zygote.com/).Рис. 2: Поверхностная текстурированная и твердотельная модели с сайта Zygote Inc.С 1994 года фирма оказывает наукоемкие услуги по 3D моделированию в биомедицине, индустрии развлечений и на профессиональном рынке. Сегодня наряду с поверхностными полигональными текстурированными моделями в форматах систем 3d-моделирования: 3D Studio Max;3Blender (OBJ); Cinema 4D; Generic OBJ; Maya(http://www.zygote.com/poly-models), предлагаются также твердотельные CAD-модели (Рис.2) дляиспользования в биоинженерных нуждах внутри CAD систем: ProE/Creo; IGES; ParaSolid;SolidWorks; Step.
Рыночная цена пары поверхностных моделей Male-Female – около $25000. Чем выше степень параметризации модели, тем технологичнее ее применение на указанных рынках.Так английская фирма Plasticboy предлагает новую версию анатомических моделей Male-Femaleсерии Anatomy Models Store, параметризованнуюдля движения (rigged model) в среде AutodeskMaya: V07 Anatomy 3D models (MotionbuilderCompatible). Остальные форматы моделей (длядругих 12 систем 3D моделирования) поставляютсястандартными (т.е. без движения).
Примерная цена– около $2000 на 1 рабочее место. Пример на сайте компании демонстрирует работу при движениивсего костно-мышечного каркаса близкую к естественной (http://www.plasticboy.co.uk/store).Еще одна известная фирма Visible Body(http://www.visiblebody.com/) поддерживает уровень моделирования близкий к указанным выше,но продает не модели, а продукты на их основе «подключ». Это также ведет к постепенному расширению круга параметризованных моделей и полнотыпараметризации.Все эти модели созданы как благодаря развитым коммерческим системам 3D моделирования,так и современным открытым библиотекам и средам геометрического моделирования. К числу таких открытых библиотек следует отнести прежде всего CGAL – The Computational GeometryAlgorithms Library (www.cgal.org) [4].
Проект по созданию этой библиотеки стартовал в 1996 году какмеждународный европейский проект первоначально 7 сторон: Utrecht University (The Netherlands,prime contractor), ETH Zürich (Switzerland), FreeUniversity of Berlin (Germany), INRIA (France),Max-Planck-Institute Saarbrucken (Germany), RISCLinz (Austria), Tel-Aviv University (Israel), и финансировался несколькими крупными европейскими научными программами (GALIA, ECG, ACS,Aim@Shape). С 2003 года стали доступны коммерческие лицензии CGAL. CGAL C++ library, заканчиваясь построением сеток, обладает функциональной полнотой и широко используется для создания прикладных систем с геометрическим базисом в следующих областях: GIS, CAD, молекулярная биология, медицина, компьютерная графика, робототехника и т.д. Отечественным аналогом CGAL является геометрическое ядро C3D(http://c3dlabs.com), разрабатывавшееся в интересах отечественной CAD КОМПАС-3D компанииАСКОН.4Близким по функциональности проектом, но с чисто французским началом, является открытая система и технология для геометрического проектирования и инженерного анализа (Open CASCADETechnology, http://www.opencascade.org/).
На основе данной библиотеки построена открытая систематрехмерного моделирования, сеточной декомпозиции и инженерного анализа SALOME (www.salomeplatform.org), способная обеспечить платформупред- и пост-обработки для численного моделирования, как в инженерных приложениях, так и в медицине.Параллельно созданы и более скромные открытые библиотеки, и подобные коммерческие, как например, The Geometric Modelling Library (GML),созданная международной компанией Renishaw(http://www.renishaw.com/geometricmodelling/en/thegml–14749).На такой мощной компьютерно-геометрическойподдержке появились, как отдельные прикладные модели, так и целые программные комплексы(libraries and tools), обеспечивающие функциональное моделирование отдельных органов и систем организма человека.
Одним из известных комплексов является VMTK (www.vmtk.org) – the VascularModelling Toolkit. VMTK решает задачи 3D реконструкции, геометрического анализа, генерацииконечно-элементных сеток, анализа поверхностейи моделирования кровотока в сердечно-сосудистойсистеме человека.Развитие систем 3D моделирования сделало возможным использование 3D модели пациента, какосновы для интегрирования и совместной трактовки результатов его исследования современными методами медицинской диагностики. Исследования и создание систем в этом направлении активно поддерживается компанией IBM, мировымлидером производства суперЭВМ, увидевшей здесьперспективы для массового применения суперЭВМв реализации технологий на основе больших данных.
Результатами проектов IBM 3D Avatar сталитри новых технологии, поддерживаемых фирмойNhumi Technologies (www.nhumi.com, читается какNew Me). По смыслу – это новый трехмерный Я,построенный от начала до конца на трехмерном образе пациента (3D-аватаре конкретного человека),его медицинских исследований, 3D планировании инаблюдении процесса лечения. Первая технологияStudy Insight – сервис интеграции данных различных исследований пациента с возможностью коллективного Интернет-доступа к ним врачей и проведения телеконсилиумов по пациенту. ТехнологияVisual Health – сервис навигации по 3D модели анатомии человека (около 3000 объектов) для врачейс любого стандартного web-клиента с привязкойклинических данных к органам, образно говоря, –трехмерная медицинская карта пациента (Рис.3).Турлапов В.
Е.Рис. 3: Примеры моделей, используемых в системахVisual Health и Healthcorpus2.3 Трехмерная сегментация, геометрическая реконструкция и анализ органови человека в целомКак видим, даже общая трехмерная модель анатомии начинает играть существенную роль в медицинских системах.
Тем более – персональнаямодель анатомии конкретного пациента. С ее построением с еще большим основанием можно говорить о персональной медицине. Имеет смыслначинать прием врача с 3D реконструкции тела пациента. Наиболее дешевый способ для этого – использование изображений с видеокамер.Можно говорить, что эта задача уже подхвачена специалистами и нашла неплохие решения.
Одно из решений можно увидеть на сайте фирмы Body Labs (www.bodylabs.com) – подготовлена бета-версия продукта BodyKIT для высокоточной реконструкции 3D модели тела и захвата его движения с MS Kinect. В проекте также декларированы возможности провести сравнение, морфинг, анимацию, и усреднение тел. Другое решение – на сайте компании Itseez, поддерживающей и развивающей всемирно известную библиотеку компьютерного зрения OpenCV,(http://itseez.com/products/itseez3d/) – уже работающее ПО 3D реконструкции тела человека и других объектов (Рис.4).Рис. 4: Пример 3D реконструкции на сайте ItseezДля медицинских технологий, использующих задачи 3 и 4, найдено интересное прикладное решение, получившее название Виртуальный анатомический стол (Dissection Table).
Впервые та-Задачи и решения компьютерной графикикой стол был передан в Стэндфордский университет (Stanford Uni.) фирмой Anatomage Inc.(www.anatomage.com) в 2011 для экспериментального использования и развития. Главной идеей стола было соединение 3D визуализации индивидуальных данных томографии с параметризованной моделью анатомии (Рис.5).Рис. 5: Пример объединения 3D модели внутренних органов и кровеносной системы со скелетом и контуром тела извлеченными из реальной томограммы, представленный на сайтеhttp://medical.anatomage.comЭто предлагалось использовать прежде всего дляцелей обучения студентов. К объектам моделиможно легко привязать любую обучающую информацию, а конкретная томограмма должна давать информацию о реальном состоянии и патологиях органов. Однако универсальная реализация данной концепции за пределами частного случая, представленного на сайте оказалась слишком трудоемкой и не завершена до настоящеговремени.
И развитие системы в прошедшие 4 года пошло по линии накопления библиотеки распространенных патологий органов (к настоящему времени в системе Anatomage Table собранооколо 120 патологий), и накопления инструментария сегментации и геометрической реконструкциии методов анализа отдельных частей тела. Этотпрограммный инструментарий получил название Invivo (http://medical.anatomage.com/medicalproducts/invivo5). На сегодняшний день он содержит 8 функций и сертифицирован для примененияв медицине. Каждый экземпляр Anatomage Tableпоставляется с пакетом Invivo.Более простой и прагматичный продукт SectraVisualization Table предложен в 2012 году шведскойфирмой Sectra (http://www.sectra.com/medical/sectra_table/), которая уже более 20 лет работает на рынке медицинской визуализации.
Это столдля 3D визуализации томограмм в реальном времени, который позиционируется как полезный дляпредоперационной подготовки хирурга, коллектив-5ных обсуждений результатов томографии и изучения патологий студентами на реальном материале.Программное обеспечение 3D визуализации поставляется вместе со столом.В России также в настоящее время завершается разработка виртуального стола более подобного Anatomage Table. Она выполняется силами малого предприятия при Саратовском медицинскомуниверситете на основе разработанного там атласа нормальной и патологической анатомии человеческого тела InBody Anatomy (http://inbody.pro,http://www.npo-leader.com/) с более чем 100 патологиями.В нижегородском университете в 2013 году реализован облачный сервис высокопроизводительной 2D-3D визуализации томограмм для организации на его основе персональных кабинетов врача и пациента.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
