Структурное проектирование медицинских тренажёров

Е.И. Артамонов,

зав. лаб., д.т.н., проф.,
А.В. Балабанов,

асп.,
В.А. Ромакин,

с.н.с., к.т.н.,

С.В. Смирнов,

с.н.с., к.т.н.,
Институт проблем управления РАН, eiart@ipu.ru, г. Москва

Аннотация

В статье описывается структурное проектирование медицинских тренажеров на основе методов анализа и синтеза. В качестве примера, рассматривается разработка структурной схемы тренажера для проведения операции стентирования. В заключение, в статье приводятся результаты программной реализации разработанных алгоритмов, а также некоторые направления для будущих исследований.

Abstract

The article describes the structured design of medical training simulators, based on analysis and synthesis methods. As an example, the design of the structure chart of the stenting simulator is considered. Finally, the article gives the results of the software implementation of designed algorithms as well as directions of the future research.

Кардиохирургия является одной из тех областей медицины, где степень подготовки хирурга имеет особое значение. В условиях сильного стресса и напряжения, хирург обязан производить в высшей степени отлаженные действия за строго ограниченный промежуток времени. Конечно, высокое мастерство кардиохирурга достигается, главным образом, посредством многолетней практики. Однако существуют и вспомогательные средства, например тренажеры, которые позволяют ускорить процесс освоения различных видов операций на сердце.

В статье описывается разработка структурной схемы тренажера стентирования, а также некоторые аспекты, связанные с программной реализацией и практическим применением. В основу разработки положены методы анализа и синтеза, описанные в [1], [2]. За основу также приняты предыдущие работы авторов, связанные с разработкой интерактивных тренажеров [3].

Алгоритм функционирования тренажера включает три основных операции: 1) построение 3D-модели на основании данных КТ; 2) модельно-видовые преобразования модели (необходимо для визуального исследования модели); 3) моделирование операции стентирования (рис. 1). Кроме указанных выше основных операций алгоритма функционирования, на рисунке 1 указан тип входных и выходных данных для каждой операции.

рис. 1 Алгоритм функционирования тренажёра

Операции алгоритма на рисунке 1 состоят из целого ряда более мелких операций. Для разработки структурной схемы тренажера, каждую основную операцию алгоритма на рисунке 1 следует разложить на составляющие операции, а сам алгоритм представить в виде сети, как показано на рисунках 2, 3, 4. Кроме того, из рисунков 2, 3, 4 видно, что, при использовании различных методов построения 3D-модели, алгоритм функционирования может разветвляться. Были рассмотрены две альтернативные ветви, отражающие два метода построения 3D-модели: 1) на основе воксельного представления и 2) на основе поверхностей.

Вершинами сети являются структуры данных, ребра – качественные показатели конкретных вариантов реализации операций по преобразованию структур данных. Ребра в виде дуг соответствуют преобразованиям на входе и выходе операции, ребра в виде прямых – преобразованиям в ходе операции. Пунктиром показаны преобразователи по входу и выходу операций, а также преобразователи для реализации самих операций, обозначенных выносками.

рис. 2 Алгоритм построения 3D-модели коронарных сосудов

рис. 3 Алгоритм модельно-видовых преобразований 3D-модели

рис. 4 Алгоритм моделирования операции стентирования

Тот факт, что преобразования, как самой модели, так и всей сцены, осуществляются в реальном времени, делает неприемлемым использование воксельного представления; при этом потребовалось бы применение суперкомпьютеров или распределенных вычислений. По вполне понятным причинам, авторы работы поставили перед собой задачу реализовать тренажер на типовом персональном компьютере. Поэтому, далее при разработке структурной схемы, будет рассматриваться представление 3D-модели на основе поверхностей.

Систематизируем варианты реализации алгоритма функционирования тренажера по способам внутренней организации объектов информации (рис. 5).

рис. 5 Систематизация алгоритма по способам внутренней организации объектов информации

С целью исключения затрат вычислительных ресурсов на передачу данных из одного блока в другой, объединим операции с 3D-моделью в один блок (рис. 6). Затем находим кратчайший путь в сети (выделен красным цветом).

рис. 6

Таким образом, основными составляющими структурной схемы тренажера являются: блок считывания данных КТ и фильтрации изображений; блок построения 2D-контуров; блок операций с 3D-моделью. Для удобства программной реализации и, в некоторых случаях, оптимизации времени исполнения программы, указанные блоки были разделены на модули. Полученная структурная схема тренажера стентирования изображена на рисунке 7.

рис. 7 Структурная схема тренажера стентирования

В соответствии со структурной схемой на рисунке 7, было разработано программное обеспечение тренажера стентирования. На рисунке 8 представлена 3D-модель коронарных сосудов, построенная на основании данных КТ.

рис. 8 3D-модель коронарных сосудов

На рисунке 9 отражен процесс ввода катетера в коронарный сосуд. На экране изображены модели коронарных сосудов и катетера (обозначен красным цветом), управляемые пользователем при помощи аппаратной имитации указанных объектов. Из рисунка 9 видно, как катетер перемещается по сосудам до места назначения. В ходе моделирования операции на тренажере, кардиохирург имеет возможность наблюдать объекты с различных проекций, а также изменять прозрачность и цвета объектов. Таким образом, при помощи тренажера, кардиохирург может отрабатывать все этапы операции стентирования.

рис. 9. Моделирование процесса ввода катетера в сосуд

Задачей для будущих работ по рассматриваемой теме в настоящей статье, в частности, является расширение исследовательских возможностей, предоставляемых тренажером (как, например, прорисовка мельчайших деталей или внутренней структуры стенки сосуда), расширение перечня операций, которые поддерживаются тренажером, и т.д. Однако следует отметить, что уже на данном этапе, к представленной работе проявили интерес некоторые медицинские учреждения, специализирующиеся в области сердечно-сосудистой хирургии и интервенционной кардиологии.

Литература

1. Е. И. Артамонов, В. М. Хачумов. Синтез структур специализированных средств машинной графики. – М.: Институт проблем управления, 1991. – 148 с.

2. Е.И. Артамонов, В.А. Ромакин, А.В. Балабанов. Программные средства для создания электронных технических руководств // Перспективы использования новых технологий и научно-технических решений в ракетно-космической и авиационной промышленности. Материалы международной конференции «AEROSPACE-2008». Под. ред Е.И. Артамонова – М.: Институт проблем управления РАН. – 2008 – С. 40-41.

3. В.А. Ромакин, А.В. Балабанов. Использование средств виртуальной реальности при разработке интерактивных учебных пособий // Материалы IV Всероссийской школы–семинара молодых ученых «Проблемы управления и информационные технологии (ПУИТ’08)». — Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2008. — С. 12-15.