Семен Сімбірцев, Віктор Стрельченя, Олександр Лойт, Євген Трунин, Анатолій Лебедєв, Андрій Кулаков 
До теперішнього часу основною сферою застосування САПР були різні галузі машинобудування, промислові системи. Для вирішення медичних і біологічних задач САПР ще не застосовувалися. Представляємо вашій увазі роботу, виконану співробітниками Медичної академії післядипломної освіти за допомогою представництва фірми Delcam plc (Великобританія) в Санкт-Петербурзі.
Метою цієї роботи було створення тривимірної комп'ютерної моделі органів шиї, грудей і живота, яка дозволила б відповісти на більшість питань, що постають перед хірургом при проведенні операцій на щитовидній залозі, легенів, печінки, шлунку і жовчному міхурі. Для вирішення завдань оперативної хірургії на базі системи DUCT фірми Delcam plc був розроблений об'ємний комп'ютерний атлас анатомії легенів, верхнього поверху черевної порожнини і органів шиї.
Будова внутрішніх органів і систем, а тим більше цілих анатомічних областей, таких як шия, груди і живіт, є дуже складним. Виконання будь-якого хірургічного втручання вимагає точного уявлення про деталі анатомічних співвідношень окремих артерій, вен, нервів, жовчних проток, частин бронхіального дерева.
Будь-які операції на легенях засновані на точному знанні просторових особливостей будови. У той же час будова легенів надзвичайно вариабельно, а елементи будови - артерії та вени, які доводиться перев'язувати або залишати без перетину, - розташовані так близько один до одного, що ймовірність їх неправильної ідентифікації дуже велика. Виконує складні реконструктивних оперативних втручань на трахеї і бронхах вимагає врахування індивідуальних особливостей людини. Діагностичні пункції пухлин легенів через грудну стінку вимагають аналітично точного опису будови і розрахунку з високим ступенем точності, щоб не пошкодити при проколі легеневі артерії та вени.
Специфіка оперативних втручань на органах живота інша. Судин і анатомічних варіантів тут значно менше, ніж в легенях. Однак при виконанні операції лапароскопічним методом всі маніпуляції здійснюються в обмеженому полі зору через порожнисті трубки, без можливості визначити анатомічні елементи на дотик. Крім того, при лапароскопічних операціях різко зростає ризик пошкодження окремих судин. Пошкодження судини навіть малого діаметра через яких важко кровотечі вимагає припинення ендовідеохірургіческім операції і переходу на виконання її відкритим методом.
Область шиї характеризується тим, що в ній розташовуються життєво важливі органи і структури: гортань, трахея, стравохід, сонні артерії і яремні вени, щитовидна залоза, безліч гілок судин і нервів не тільки самої шиї, а й тих, які поширюються на верхні кінцівки. Складність операцій на шиї визначається не тільки безпосередньою близькістю органів та інших анатомічних структур один до одного, але і особливою рухливістю і смещаемостью цих структур, що порушує звичні хірурга співвідношення. Зазначені особливості можуть бути змодельовані на відповідних комп'ютерних моделях і переглянуті як в процесі підготовки, так і безпосередньо перед операцією.
У процесі підготовки до оперативного втручання хірург використовує всі доступні йому графічні матеріали, найчастіше містяться в атласах і довідниках. Однак наявні атласи з усіх можливих варіантів будови містять тільки частину найбільш типових, до того ж представлених в двомірному зображенні.
У той же час сучасні методи діагностики з використанням ультразвуку, комп'ютерної томографії, ядерного магнітного резонансу дозволяють визначити локалізацію патологічного вогнища з точністю до 1 мм. Найчастіше результатом досліджень є зріз по площині, що проходить через цей осередок і містить зображення артерій, вен, нервів та інших елементів, що лежать в даному зрізі. Однак впізнати більшість з них не представляється можливим внаслідок подібності форм і розмірів. Отримання тривимірних реконструкцій при даних методах обстеження можливо, але відтворити отриману тривимірну модель на персональному комп'ютері не можна внаслідок надлишкового обсягу інформації.
Для вирішення завдань біології і медицини розроблено безліч комп'ютерних пакетів, що містять зображення внутрішніх органів, судин і нервів, інших анатомічних структур. Комп'ютерні моделі, використовувані в пакетах, як правило, двомірні, але зустрічаються і тривимірні реконструкції. Останні містять такі програми, як 3D-Body Adventure (США), Advantage Windows (США), ADAM (Великобританія), Corps Human (Франція). Найбільш відома програма Body Voyage (США), створена в рамках дослідження Visible Human Project (США), була побудована за даними 1800 одномілліметрових поперечних зрізів людського тіла. Точкова тривимірна модель тіла людини зажадала 15 Гбайт комп'ютерної пам'яті. В основі більшості зазначених програм лежить використання художніх графічних пакетів із записом всіх точок всіх поверхонь в просторі.
Основною вимогою, якому повинні відповідати комп'ютерні моделі будови людини, є кількість анатомічних елементів, що складають кожний внутрішній орган. Необхідна наявність графічних образів різних анатомічних варіантів, так як типові варіанти фахівцям добре відомі. Якщо кожен анатомічний елемент представлений в комп'ютерній моделі у вигляді окремого просторового тіла, можливо динамічне моделювання різних операцій.
Відомі пакети відповідають цим вимогам в дуже малому ступені. Для них характерні обмежені можливості побудови віртуальних моделей, освоєння хірургічної техніки, розгляду моделей на різних етапах операції. У той же час використання систем тривимірного поверхневого моделювання, що застосовуються в машинобудуванні (CAD / CAM-системи), дозволяє реалізувати ці вимоги.
Як у всіх подібних дослідженнях, конкретні дані були отримані при вивченні анатомічних матеріалів. Всі анатомічні структури легких (бронхи, артерії та вени легенів) були представлені в аналітичній формі, що характеризує їх просторове положення. Для створення комп'ютерної моделі органів грудей в аналітичній формі було записано положення аорти, стравоходу, трахеї, серця і магістральних судин. Отримані показники характеризували не тільки типову будову легенів, але і безліч анатомічних варіантів, тобто те, що найбільш важливо для хірурга. Аналітичний опис анатомії легенів послужило основою побудови їх тривимірної комп'ютерної моделі.
Тривимірна графічна комп'ютерна модель, яка містить кілька десятків варіантів будови правого і лівого легкого, була виконана за допомогою пакета DUCT. Внаслідок складної просторової локалізації судин легенів з великою кількістю вигинів модель кожної артерії або вени містила не менше п'яти проміжних перетинів. Бронхи не мають вигинів, тому для кожного бронха треба було записати тільки два перетину. Розгалуження бронхів моделювалися за допомогою стандартної процедури, наявної в вихідному пакеті. Розроблена модель дозволила послідовно відтворити окремі бронхи, бронхіальне дерево цілком, а потім у вже готове зображення вбудувати гілки легеневих артерій і вен з урахуванням реальної тривимірної структури легких. Така модель дозволяє при підготовці легко запам'ятати, а в ході операції впізнати все анатомічні елементи складної структури.
Комп'ютерне моделювання органів черевної порожнини, особливо верхнього поверху черевної порожнини, було направлено на вирішення завдань, висунутих при виконанні різних операцій на жовчному міхурі, печінці та шлунку. Так само як і в разі легких, моделювання грунтувалося на морфометрії анатомічних матеріалів. Комп'ютерна модель печінки відтворила дуже складний рельєф поверхні органу. В системі DUCT5 були змодельовані всі відомі варіанти будови судин і жовчних проток, на яких здійснюється операція видалення жовчного міхура і правильність визначення яких забезпечує успіх чи невдачу при виконанні операції. Основним напрямком в даному випадку є застосування моделі при плануванні лапароскопічних холецистектомій, у визначенні точок введення інструментів, в відтворенні ходу цієї операції, в комп'ютерному відображенні індивідуальної будови жовчних проток за даними холангиографии.
Віртуальна модель шиї була розроблена для навчання перш за все операціями на щитовидній залозі. У цій моделі відбилися не тільки особливості топографії судин і нервів по відношенню до залозі, але і конфігурація залози, яка відповідає певній мірі її дифузного збільшення.
Вид зображення, максимально імітує природний, був отриманий завдяки наявним в пакеті DUCT5 засобам фарбування (матеріал, колір, кількість і розташування джерел світла). Для фарбування судин були підібрані характерні для оригіналу відтінки червоного кольору, коефіцієнти відображення і полірування матеріалу. Жовчний міхур і жовчні протоки отримали забарвлення зеленого кольору. Фарбування бронхів виконано у відтінках білого, сірого і чорного кольорів чергуванням горизонтальних смуг. Всі тривимірні комп'ютерні моделі відобразили багатошарову структуру органів, з урахуванням індивідуальних особливостей анатомічної будови.
Розроблені в пакеті DUCT5 тривимірні моделі за допомогою гнучких засобів редагування і модифікації поверхонь дозволили імітувати довільні просторові трансформації, моделювати можливі зсуви анатомічних структур під час операцій. Це істотно відрізняє отримані моделі від графічних мультимедійних додатків.
Комп'ютерна анатомія, що відображає тривимірне анатомічна будова, була використана для розробки системи віртуального моделювання операцій з позиції анатомічних і технічних обґрунтувань. Повороти графічних моделей органів на довільний кут навколо обраної осі, застосування операцій масштабування забезпечили відтворення архітектоніки судин, бронхів і жовчних проток з різних хірургічних доступів або одночасно з декількох. Багатовіконний режим роботи пакета DUCT дозволив зіставляти в різних вікнах дисплея хід операції при різних варіантах анатомічної будови і різних способах її виконання.
У цій розробці була використана можливість пакету DUCT5 розміщувати різні фрагменти моделі на різних шарах, а потім пошарово візуалізувати цю «багатошарову» модель, в нашому випадку складається з окремих дуже важливих анатомічних елементів. Вбудований командний мова дозволила написати командні файли для управління процесом візуалізації. В результаті на базі синтезованої тривимірної моделі були отримані програми моделювання етапів операцій на легенях, жовчному міхурі, щитовидній залозі з послідовним видаленням і додаванням анатомічних елементів. Моделювання ходу операцій в тривимірному середовищі DUCT дозволяє заздалегідь визначити можливі небезпеки хірургічного втручання при різних способах його виконання і спеціальних випадках анатомічної будови. Тільки використання тривимірної багатошарової моделі дозволяє передбачити хірургічні небезпеки, пов'язані з пошкодженням артерії, вени, жовчної протоки, розташованих в глибині тканин, що може привести до важкого кровотечі і в кінцевому рахунку до проведення операції значно більшого обсягу.
Застосування тривимірного моделювання дозволило проводити вимірювання довжин, кутів і діаметрів усіх анатомічних елементів в початковому стані і при просторових трансформаціях, що має істотне значення в оцінці здійсненності складних реконструктивних втручань, у визначенні оптимального способу. Внаслідок отримання за даними інструментальних досліджень довжину проекції анатомічного елемента на перпендикулярні площині, в тривимірної моделі органу є можливість визначити довжину самого елемента. Для проведення біопсії органів за допомогою комп'ютерної моделі обчислюються необхідні відстань і кут, визначаються координати для виконання прецизійних пункцій.
Розроблені тривимірні комп'ютерні моделі дозволили провести структурний графічний аналіз будови органів, визначити закономірності формування безлічі варіантів їх будови. Виявлення таких закономірностей будови дозволяє визначити оптимальну техніку виконання різних втручань, виходячи з конкретної, а не усередненої просторової конфігурації.
Розроблені тривимірні комп'ютерні моделі, виконані із застосуванням системи DUCT5, були використані в процесі післядипломного навчання лікарів. Тестування лікарів-хірургів показало, що ефективність використання комп'ютерної анатомії даного типу в навчанні в 2,5 рази вище, ніж традиційних засобів.
Таким чином, віртуальна картина органів і областей тіла людини, отримана за допомогою системи тривимірного моделювання DUCT5, відповідає анатомічній будові. Синтезовані комп'ютерні моделі є основою для вирішення завдань передопераційного планування та моделювання ходу майбутньої операції з урахуванням багатьох технічних і анатомічних особливостей. Розроблена система має інформаційними можливостями, які можна використовувати в навчальному процесі з анатомії і оперативної хірургії будь-якій області людського тіла, для створення інтерактивних комп'ютерних атласів і навчальних курсів. Наявна в пакеті DUCT5 можливість запису моделей в форматі VRML дозволяє використовувати її в глобальній мережі Internet, застосовуючи, наприклад, пакет Cosmo Player. Це дозволяє широко використовувати дані розробки як довідкові допомоги в хірургічних відділеннях і хірургічних центрах.
З виходом нової версії системи тривимірного моделювання фірми Delcam plc - PowerSHAPE - можливості використання описаних розробок в медичних установах значно розширилися: стандартний персональний комп'ютер з операційною системою Microsoft Windows NT в якості робочої станції; дуже простий графічний інтерфейс користувача, заснований на технології інтелектуального курсора; можливість обміну даними з зовнішніми додатками через OLE-інтерфейс; можливість безпосереднього введення тривимірних даних за допомогою координатно-вимірювального маніпулятора; наявність безкоштовного «переглядача» (PowerSHAPE Viewer) для раніше створених моделей і т.д. У перспективі розглядається проект випуску комп'ютерного атласу шиї, легенів і верхнього поверху черевної порожнини на CD-диску.
«САПР і графіка» 3'2000
