Трехмерное моделирование в медицине (833823)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

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.

Характеристики

Тип файла PDF

PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.

Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.

Список файлов лекций