Регистрация / Вход
Прислать материал

14.607.21.0007

Аннотация скачать
Общие сведения
Номер
14.607.21.0007
Тематическое направление
Информационно-телекоммуникационные системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный медицинский университет" Министерства здравоохранения Российской Федерации
Название доклада
Cредствa разработки и распространения симуляционных решений в системе медицинского образования
Докладчик
Иващенко Антон Владимирович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью работы является создание средств разработки программного обеспечения (СРПО) для обеспечения медицинских специалистов возможностью создавать собственные решения в сфере симуляционной медицины применительно к эндоваскулярному и эндоскопическому тренажерам аппаратно-программного комплекса (АПК) «Виртуальный хирург» и высокореалистичному 3D атласу человеческого тела «InBody Anatomy», а также для обучения медицинских и IT-специалистов созданию решений в сфере симуляционных технологий и технологий визуализации в медицине.
Актуальность и новизна исследования
Современное развитие информационных технологий, мехатроники и робототехники позволяет создать мощные средства дополненной виртуальной реальности, моделирующие реальные процессы и явления и позволяющие реализовать передовые методики обучения. Одним из актуальных направлений в этой области является разработка и внедрение в учебный процесс симуляционных технологий, например, тренажеров, для подготовки врачей-хирургов с различной специализацией. Это направление известно, как симуляционное обучение в медицине.
Несмотря на то, что симуляционные технологии и технологии визуализации в медицине способны обеспечить качественный скачок при подготовке врачей, диагностике, лечении, их внедрению в медицинское образование и здравоохранение препятствует большое разнообразие авторских методик диагностики и лечения, недостаток стандартизированных методик образования студентов и слушателей последипломного образования, разнообразие применяемого оборудования, инструментов и медикаментов и их различие в разных странах.
Для решения этой актуальной научно-технической проблемы предлагается создать новый комплект средств разработки программного обеспечения (СРПО), который позволит специалистам по информационным технологиям в медицине, работающим в высших учебных заведениях, самостоятельно формировать, а также модифицировать существующее программное обеспечение в тренажерах по эндоваскулярной и эндоскопической хирургии и трехмерных анатомических атласах.
Описание исследования

СРПО представляет собой комплект средств разработки, который позволяет специалистам по программному обеспечению создавать приложения для определённого пакета программ, программного обеспечения базовых средств разработки, аппаратной платформы, компьютерной системы, игровых консолей, операционных систем и прочих платформ, игровых консолей, операционных систем и прочих платформ.

В состав СРПО входят следующие средства:

  • Интегрированная среда разработки (англ. Integrated Development Environment) — система программных средств, используемая программистами для разработки программного обеспечения;
  • Программные модули обработки информации – компоненты, используемые при создании нового программного обеспечения хирургических тренажеров;
  • Модули контроля и управления аппаратным обеспечением – компоненты, обеспечивающие обработку информации и управление аппаратным обеспечением манипуляторов.

Для решения поставленной задачи были использованы методы математического и имитационного моделирования, методы обработки изображений, компьютерной графики, современные численные методы и методики построения программного обеспечения и сложных программных комплексов. Современные возможности компьютерной графики позволили реализовать алгоритмы моделирования, рассчитанные на реализацию вычислений средствами графического процессора видеокарты. Хранение компьютерных моделей в единой базе данных и реализация доступа к ним с помощью облачных сервисов позволило унифицировать работу в едином информационном пространстве и реализовать алгоритмы построения новых кейсов на основе существующих трехмерных моделей, сценариев и методик оценивания.

В качестве основы СРПО был разработан уникальный комплект из более 4000 трехмерных моделей органов человека и хирургических инструментов. Трехмерные компьютерные модели представляют собой одну из ключевых составляющих СРПО, позволяющих реализовывать различные обучающие комплексы в рамках трехмерного анатомического атласа и реализовывать на своей основе различные методики и обучающие кейсы для эндоскопических и эндоваскулярных хирургических тренажеров. Для математического моделирования и создания трехмерных моделей применялось сканирование отпрепарированных тазовых областей  3D-сканером Solutionix Regscan III с последующей обработкой отсканированных объектов с помощью 3D-редакторов Autodesk 3ds Max и Autodesk Maya.

3D модели частей человеческого тела формируют информационную основу для СРПО симуляционной хирургии. Эти модели представляют собой входные данные для основных компонентов визуализации, которые могут генерировать лапароскопические или эндоваскулярные сцены приближенные к реальным изображениям, получаемым в процессе хирургического вмешательства. Поэтому не было никакой возможности использовать существующие модели и новый специально разработанный набор моделей был создан с нуля.

Также в рамках работы выполнено проектирование системы распространения и обмена разработанных решений в системе здравоохранения и медицинского образования, проведены работы по адаптпции и защите программного и аппаратного обеспечения эндоскопического и эндоваскулярного тренажеров, трехмерного анатомического атласа под требования СРПО.

В рамках исследования были рассмотрены различные варианты реализации СРПО с учетом современных требований по унификации разработки сложных программно-аппаратных комплексов с открытыми интерфейсами, разработана архитектура СРПО и произведено проектирование экспериментальных образцов аппаратного и программного обеспечения эндоскопического, эндоваскулярного тренажеров и трехмерного анатомического атласа, основанных на реализации СРПО.

Результаты исследования

В результате проведенного исследования предложена архитектура СРПО, комплект трехмерных анатомических моделей и среда распространения и обмена симуляционных решений в сфере здравоохранения и высшего медицинского образования. Эти разработки позволят специалистам в области информационных технологий в медицине создавать, адаптировать и внедрять симуляционные технологии в учебный процесс при обеспечении максимальной их эффективности.

В ходе выполнения проекта были получены следующие результаты:

  • Разработан полный комплект трехмерных компьютерных моделей объектов, входящих в состав библиотек баз данных СРПО;
  • Разработана архитектура, проектная и программная документация экспериментальных образцов СРПО эндоскопического, эндоваскулярного тренажеров и трехмерного анатомического атласа;
  • Проведены эксперментальные исследования и апробация экспериментальных образцов СРПО;
  • Разработаны методические пособия для самостоятельного использования пользователем разработанных СРПО;
  • Разработан рабочий проект системы распространения и обмена, разработанных решений в системе здравоохранения и медицинского образования;
  • Разработаны рабочие проекты по адаптации и защите программного и аппаратного обеспечения трехмерного анатомического атласа, эндоскопических и эндоваскулярных тренажеров под требования СРПО.

Разработанный в ходе исследования комплект трехмерных моделей является уникальным по анатомическому, топографическому и клиническому наполнению. Он включает в себя модели 12 слоев и систем человеческого тела (всего более 4 000 3D объектов), модели связочного аппарата, внутриорганные структуры объектов, включая кровеносные сосуды, иннервацию, пути оттока лимфы, протоки, долевое и сегментарное строение внутренних органов. В атласе смоделировано более 100 типичных патологических состояний основных органов, включено около 4 Гб диагностической информации. Выделяя и удаляя части 3D-изображений, можно увидеть человеческое тело с совершенно уникальной точки зрения - изнутри. База изображений 3D атласа анатомии человека может постоянно пополняться.

На основе СРПО построен программно-аппаратный комплекс для виртуальной работы с трехмерной моделью человеческого тела - интерактивный анатомический стол «Пирогов» СамГМУ, представляющий собой вклад российской академической науки в мировую практику изучения анатомии.

Предложенные в статье принципы проектирования расширяемой программной архитектуры средств разработки программного обеспечения для самостоятельного формирования медицинским сообществом решений в среде симуляционных технологий в медицине позволяют сократить временные затраты и трудоемкость создания новых хирургических тренажеров, а также адаптации существующих симуляционных решений при их внедрении и практическом использовании.

Практическая значимость исследования
Разработанная концепция, базовые принципы и алгоритмы создания решений и продуктов в сфере симуляционных технологий и технологий визуализации в медицине будут использоваться медицинским сообществом и IT-компаниями для создания новых аппаратно-программных и программных комплексов, способных занять существенную долю для нового и одного из самых перспективных мировых рынков высокотехнологичной продукции. Результаты проекта будут использованы высшими учебными заведениями для подготовки, повышения квалификации и переподготовки специалистов по IT-медицине на базе медицинским специальностей и специальностей в сфере информационных технологий.