Тренажёр для освоения диагностических и интервенционных процедур при сердечно-сосудистых
заболеваниях
Е.И. Артамонов,
д.т.н., проф., зав. лаб., eiart@ipu.ru,
А.В. Балабанов,
вед. инж., асп.,
В.А. Ромакин,
к.т.н., с.н.с.,
ИПУ РАН, г. Москва
В статье рассматриваются
особенности разработки медицинского тренажёра для подготовки квалифицированных
специалистов по проведению внутрисосудистых (эндоваскулярных) диагностических и
лечебных операций на сосудах сердца. Тренажёр предназначен для отработки
навыков проведения эндоваскулярных вмешательств, и основной его функцией
является имитация процесса выполнения операции на сосудах сердца в реальном
масштабе времени.
This article considers features of design of the medical simulator
intended to train specialists to perform endovascular diagnostic/therapeutic procedures
for coronary vessels at a high level. The simulator is designed for improvement
of the skills of carrying out the endovascular interventions. The primary
function of the simulator is to real-timely model a endovascular procedure for
coronary vessels.
Введение
Кардиохирургия
является одной из тех областей медицины, где степень подготовки специалиста
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 специалиста достигается, главным образом,
посредством многолетней практики. Однако для эффективного, быстрого и
безопасного освоения различных видов и этапов операций при сердечно-сосудистых
заболеваниях на начальной стадии практического обучения, а также для
предварительной подготовки специалиста к выполнению операции на конкретном
пациенте следует использовать различные вспомогательные средства, в том числе
медицинские тренажёры.
Существующие
западные разработки реализуются по очень высоким ценам и в большинстве случаев
специализированны на использование хирургического инструментария одной
конкретной фирмы. Отечественных аналогов не выпускается. Отсюда следует
актуальность задачи разработки тренажёра для освоения интервенционных методов
диагностики и лечения сосудистых заболеваний, адаптированного к использованию в
российских кардиологических учреждениях и учебных центрах.
В
предыдущей работе была рассмотрена структурная схема, алгоритм функционирования
тренажёра, выбран способ представления объемной геометрической модели
коронарных сосудов [1].
В
настоящей работе разработан алгоритм для автоматизированного построения 3D
моделей коронарных сосудов по данным компьютерной томографии, взятых из
реальных историй болезни. Кроме того, решена задача управления несколькими
моделями катетеров одновременно.
1. Алгоритм построения 3D моделей коронарно-сосудистой системы
Необходимым
элементом программного обеспечения тренажёра является 3D модель сосудов сердца, на
которой будут имитироваться те или иные хирургические процедуры. На этапе
обучения это может быть общая модель, не относящаяся к конкретному человеку.
Однако для подготовки к выполнению операции на конкретном пациенте следует
использовать модель, описывающую именно его сосудистую систему. В связи с этим
разработан алгоритм построения такой модели на основе данных компьютерной
томографии (КТ).
КТ
является одним из методов рентгеновского исследования, который позволяет
получить снимок определенного поперечного слоя (среза) человеческого тела. При
этом организм можно исследовать слоями с шагом менее
Для
построения 3D моделей коронарно-сосудистой системы предлагается следующий алгоритм.
Сначала на каждом поперечном срезе фиксируется 2D контур сосуда, а затем для
каждых двух соседних срезов строится элемент 3D модели сердца, основаниями
которого служат соответствующие 2D контуры. Структура данных
для алгоритма построения 3D моделей сосудов представлена
в (1).
,
(1)
где
– j-я
точка i-го среза, 
; ТВОО – таблица
внутрисистемных описаний объектов.
Пусть
поверхность 3D модели сосуда представлена сеткой конечных
элементов 
. Если 
, а 
, то алгоритм построения 3D модели сосудов сердца можно
представить так, как показано на рис. 1.
рис. 1. Алгоритм построения
3D модели сосудов сердца по данным КТ
Алгоритм построения 3D моделей коронарных сосудов
проиллюстрирован на рис. 2.
рис.
2. Построение 3D моделей
коронарно-сосудистой системы на основе данных КТ
2. Интерактивное моделирование ввода
катетеров в кровеносные сосуды сердца
Еще
одной важной решенной задачей является имитация процесса ввода катетера в
коронарный сосуд. На рис. 3 изображены модели коронарных сосудов и катетера (кривая
в центре сосуда).
рис. 3.
Моделирование процесса ввода катетера в сосуд
Управление
вводом катетеров осуществляется при помощи датчиков перемещения, установленных
в аппаратной части тренажера. Из рисунка видно, как катетер перемещается по
сосудам до места назначения.
В
работе решена задача одновременного управления несколькими катетерами.
Количество управляемых катетеров определяется числом USB-портов, предусмотренных в
используемом персональном компьютере.
Таким
образом, в ходе моделирования операции на тренажёре, пользователь имеет
возможность работать с несколькими катетерами одновременно, что делает условия
работы на тренажере более приближенными к условиям реальной операции.
Заключение
В
настоящее время проект находится в стадии разработки. Однако к представленной
работе уже проявили интерес некоторые медицинские учреждения,
специализирующиеся в области сердечно-сосудистой хирургии и интервенционной
кардиологии. Интересными и важными задачами для будущих исследований являются
повышение реалистичности 3D сцены, отображаемой на
тренажере, для приближения ее к рентгеновскому снимку, моделирование сердечных
сокращений, визуализация процесса распространения по сосудам
рентгеноконтрастного вещества, разработка обучающих программ с использованием
тренажера и др.
Литература
1.
Артамонов Е.И., Балабанов А.В.,
Ромакин В.А., Смирнов С.В. Структурное проектирование медицинских тренажёров //
Труды 9-й международной конференции «CAD/CAM/PDM-2009». — М.: ИПУ РАН, 2009. —
С.54-58.