Современные информационные технологии в медицине и образовании: инновационные разработки в Самарском государственном медицинском университете

Введение. Для любой науки связь теории с практикой является важнейшим законом. Клиническая (топографическая) анатомия является научно-прикладной дисциплиной, теоретической основой для оперативной хирургии. Топографические препараты, в отличие от классических анатомических, демонстрируют не отдельные органы, а системы органов в их тесной взаимосвязи друг с другом. К этим же топографическим препаратам относятся и срезы различных областей тела человека, впервые полученные на замороженных трупах [2,4,10]. По мере накопления теоретических и практических знаний разрабатывались новые методы визуализации организма человека. Были созданы системы, позволяющие вести централизованный контроль результатов обследования и управление на территориально удаленном расстоянии полученными данными. Бурное развитие компьютерных технологий способствовало выходу теоретических знаний в широкое междисциплинарное пространство [1,5]. В морфологических исследованиях, как и в преподавании морфологических дисциплин, тоже был сделан большой прорыв от унифицированного изображения в атласе к персонифицированному трехмерному изображению, которое можно посмотреть либо на компьютере, либо в очках дополненной реальности. Такой подход получил название вычислительной анатомии, computational anatomy, или anatomia in silico [3,6].

Появление высоких технологий в медицине, нарастание темпа жизни, нарастающий объем знаний, внедрение новых лечебно-диагностических методик — всё это ставит перед современной системой медицинского образования задачи по разработке качественно новых подходов в подготовке кадров для здравоохранения. Принцип практического обучения «Смотри и повторяй» перестал отвечать современным требованиям. [7,8,9].

Современное медицинское образование сталкивается с происходящей технологической революцией, изменением информационной среды вокруг нас. К уровню подготовки выпускников медицинских вузов предъявляются все более высокие требования. Переход в обучении студентов на новые стандарты меняет и сам подход к подготовке специалиста, что подразумевает формирование компетенций, а не только знаний, умений и навыков как это было прежде. Все это требует более активного использования в учебном процессе современных образовательных технологий [10].

Материалы и методы. Кафедра оперативной хирургии и клинической анатомии с курсом медицинских информационных технологий Самарского государственного медицинского университета одной из первых в России начала делать активные шаги по разработке и внедрению симуляционных и виртуальных технологий в медицинское образование. Для разработок в данном направлении под руководством заведующего кафедрой профессора РАН А.В. Колсанова в СамГМУ был создан Центр прорывных исследований «Информационные технологии в медицине».

Благодаря сотрудничеству 3D-разработчиков, сотрудников кафедры и клинических специалистов разработан АПК «3D-Виртуальный хирург», представляющий собой линейку симуляторов для эндоскопической, эндоваскулярной хирургии и хирургии с открытым полем. Патологические ситуации, отражённые в симуляторе, смоделированы с реальных патологических случаев. Работа на 3D-симуляторах позволяет не только приобрести практические навыки, но и развить тактическое и клиническое мышление хирурга.

Ещё одной важной задачей стало создание высокодостоверного атласа трёхмерной анатомии человеческого тела. Разработанный атлас является уникальным по анатомическому, топографическому и клиническому наполнению и включает в себя модели более 12 слоев и систем человеческого тела (всего более 3 000 3D объектов), модели связочного аппарата, внутриорганные структуры объектов, включая кровеносные сосуды, иннервацию, пути оттока лимфы, протоки, долевое и сегментарное строение внутренних органов. Удалось создать абсолютно оригинальную высокодостоверную высокополигональную трёхмерную модель анатомии человеческого тела. Для её построения использованы многочисленные данные КТ,

МРТ, 3D-сканирования реального анатомического и операционного материала человеческого тела. Это позволило построить 3D-модель человеческого тела, не имеющую современных аналогов по полноте и достоверности.

Создан 3D-анатомический стол - программно-аппаратный комплекс в виде анатомического препаровочного стола с возможностью интерактивной работы с трехмерной моделью человеческого тела для использования в качестве визуального обучающего материала в широком кругу естественно-научных дисциплин, таких как анатомия, патологическая анатомия, оперативная хирургия, рентгенология и т.д.).

Также на кафедре разработаны уникальные инновационные образовательные продукты: компьютерная программа «2D- Виртуальный хирург», 3D-практикум хирургических инструментов и другие.

На данный момент ведется проект по созданию средств разработки программного обеспечения, которые позволят специалистам по информационным технологиям в медицине, работающим в вузах, клиниках, исследовательских центрах, самостоятельно формировать, а также модифицировать существующее программное обеспечение в существующих тренажерах по эндоваскулярной и эндоскопической хирургии, в частности, входящих в состав АПК «3D-Виртуальный хирург» и высокореалистичного 3D - атласа человеческого тела «Inbody Anatomy», самостоятельно адаптировать их для собственных обучающих программ, создавать и применять при подготовке врачей всё имеющееся разнообразие авторских методик диагностики и лечения, учитывать недостаточное количество стандартизированных методик образования студентов и слушателей последипломного образования, разнообразие применяемого оборудования, инструментов и медикаментов и их различие в разных странах.

В направлении развития технологий дополненной реальности разработан проект «Автоплан» - система автоматического контроля и планирования выполнения операций. Целью проекта является создание модульной системы, позволяющей производить планирование операций на персонифицированных трехмерных моделях, полученных в ходе томографического исследования, а также системы помощи принятия решения о тактике операции с использованием системы дополненной реальности. В результате выполнения проекта получен аппаратно-программный комплекс, позволяющий выводить непосредственно во время операции дополнительные данные конкретного пациента (КТ, МРТ, УЗИ, пульс, давление и т.п.) и осуществлять привязку к конкретному органу. Таким образом, хирург может иметь возможность увидеть реконструкцию внутренних структур человека с привязкой к конкретной части тела без рассечения мягких тканей. Данная технология позволяет значительно снизить риск ятрогенных повреждений, что в свою очередь приводит к снижению количества интра- и постоперационных осложнений. К тому же система позволяет сократить сроки выполнения оперативного вмешательства и способствует более высокому качеству выполнения операций.

Ведется проект «Разработка технологии автоматического построения полигональной модели на основе данных формата DICOM для диагностики в медицинской практике». Целью работ является создание высокотехнологичной программной платформы 3D моделирования для применения в медицинских аппаратно-программных комплексах. Технология позволит получать полноценные полигональные модели непосредственно из облака точек (как сейчас выдают данные все диагностические устройства). Благодаря полигональной модели появится возможность более удобной и точной работы с диагностическими данными. Появятся дополнительные возможности по визуализации процессов (сердцебиение, сокращение сосудов, дыхание, работа мышц и т.п.). Все это позволит повысить точность диагностики заболеваний. Дополнительно полигональная модель уменьшает затраты мощностей ЭВМ для работы с диагностическими данными, дает возможность применения планшетных устройств для проведения профессиональной диагностики. В свою очередь полигональная модель может быть использована для автоматической загрузки в разнообразные образовательные модули как Российского, так и зарубежного производства.

Результаты и их обсуждение. Разработанный 3D атлас позволяет изучить и анатомический слой целиком, и отдельные объекты системы, включая взаимосвязь органов и систем человеческого тела. На основе данной модели построен программно-аппаратный комплекс для виртуальной работы с трехмерной моделью человеческого тела - интерактивный анатомический стол «Пирогов». Он существенно расширяет сферу применения обучающего материала за счет предоставления дополнительных функций: возможность сравнения различных анатомических объектов между собой (включая норму и патологию), изучения дополнительных диагностических материалов (данные КТ, МРТ, УЗИ). Использование интерактивного анатомического атласа позволяет выстроить полный цикл обучения от визуального знакомства с анатомическим материалом и получения текстовой информации до проверки качества полученных знаний и автоматической обработки результатов. Опыт научно-исследовательской работы в сфере информационных и вычислительных технологий в медицине позволяет нам предложить совершенно новые революционные принципы исследования и синтеза полученных диагностических данных не только в сфере медицинского образования - изучении анатомии, но и в морфологических исследованиях. В результате выполнения проекта Минпромторга РФ «Автоплан» мы используем персонифицированные данные анатомии реального пациента для построения трёхмерных высокоточных моделей с последующей морфометрией.

Движение современной хирургии в технологии малоинвазивной хирургии невозможно без применения хирургической навигации [1]. Интраоперационная навигация полностью бесполезна без персонифицированных многослойных данных anatomia in silico.

Алгоритмы, на которые будут зарегистрированы патенты могут коммерциализироваться путем предоставления неисключительной лицензии на право их применения при разработке программного обеспечения третьими лицами.

Полученные при выполнении проекта результаты работ найдут свое применение для: - создания программных модулей для встраивания в медицинские информационные системы (МИС) с помощью которых лечащий врач может планировать хирургические вмешательства и проводить индивидуальных анализ на основе данных, собранных для конкретного пациента;

• -    создания приборов диагностики в полевых условиях для пользователей с низкой медицинской квалификацией;

• -    работа по планированию оперативного вмешательства с использованием трехмерной реконструкции;

• -    создание профессиональных диагностических аппаратно-программных комплексов (КТ, МРТ, рентгенаппараты) нового поколения с элементами дополненной реальности.

Полученный задел и результаты интеллектуальной деятельности позволят значительно продвинуться в технологиях обработки изображения и выполнения последующей реконструкции.

Заключение. Виртуальное моделирование способствует прочному усвоению знаний о морфологических структурах организма человека и процессах, происходящих в них. Выводит на более высокий качественный уровень изучение всех разделов классической и клинической анатомии с привлечением интраскопических методов исследования человека. Вычислительная анатомия или anatomia in silico – это новое направление в разделе морфологии человека. Она позволяет решить задачу, которую ставит перед врачом современная медицина – знать детально трехмерную топологию органов и тканей конкретного пациента, с целью адекватного воздействия на человеческий организм в процессе лечения.

Современные научные подходы в обработке любой информации, в том числе и морфологической, позволяют накапливать, структурировать огромные и самые разнообразные (учебные и научно-исследовательские) массивы информации, статистически анализировать их и производить быстрый поиск.

Морфология человека становится одной из наиболее актуальных дисциплин, бурно развивающейся и неразрывно связанная с фундаментальным изучением строения человека, важнейшим итогом которого является именно возможность практического применения клинико-анатомических знаний.

На базе СамГМУ под курацией кафедры оперативной хирургии организована виртуальная хирургическая клиника, совмещающая инновационные разработки кафедры в сфере симуляционных технологий и технологий дополненной реальности. Обучение в виртуальной хирургической клинике позволяет будущим врачам познакомиться с устройством реальной клиники от приемного покоя до операционной, проводить манипуляции и операции на 3D-симуляторах и тренажерах без риска причинения вреда реальным больным.

Использование современных технологий должно сформировать новые стандарты преподавания в медицинских ВУЗах и повысить его качество. Молодой специалист, прошедший курс обучения в виртуальной хирургической клинике, будет увереннее чувствовать себя в реальной операционной и, соответственно, сможет лучше выполнить операцию.