Трехмерное моделирование строения человека и оперативных вмешательств с помощью системы DUCT5

Семен Симбирцев, Виктор Стрельченя, Александр Лойт, Евгений Трунин, Анатолий Лебедев, Андрей Кулаков

До настоящего времени основной сферой применения САПР являлись различные отрасли машиностроения, промышленные системы. Для решения медицинских и биологических задач САПР еще не применялись. Представляем вашему вниманию работу, выполненную сотрудниками Медицинской академии последипломного образования с помощью представительства фирмы Delcam plc (Великобритания) в Санкт-Петербурге.

Целью этой работы являлось создание трехмерной компьютерной модели органов шеи, груди и живота, которая позволила бы ответить на большинство вопросов, встающих перед хирургом при проведении операций на щитовидной железе, легких, печени, желудке и желчном пузыре. Для решения задач оперативной хирургии на базе системы DUCT фирмы Delcam plc был разработан объемный компьютерный атлас анатомии легких, верхнего этажа брюшной полости и органов шеи.

Строение внутренних органов и систем, а тем более целых анатомических областей, таких как шея, грудь и живот, является очень сложным. Выполнение любого хирургического вмешательства требует точного представления о деталях анатомических соотношений отдельных артерий, вен, нервов, желчных протоков, частей бронхиального дерева.

Любые операции на легких основаны на точном знании пространственных особенностей строения. В то же время строение легких в высшей степени вариабельно, а элементы строения — артерии и вены, которые приходится перевязывать или оставлять без пересечения, — расположены так близко друг к другу, что вероятность их неправильной идентификации очень велика. Выполнение сложных реконструктивных оперативных вмешательств на трахее и бронхах требует учета индивидуальных особенностей человека. Диагностические пункции опухолей легких через грудную стенку требуют аналитически точного описания строения и расчета с высокой степенью точности, чтобы не повредить при проколе легочные артерии и вены.

Специфика оперативных вмешательств на органах живота иная. Сосудов и анатомических вариантов здесь значительно меньше, чем в легких. Однако при выполнении операции лапароскопическим методом все манипуляции осуществляются в ограниченном поле зрения через полые трубки, без возможности определить анатомические элементы на ощупь. Кроме того, при лапароскопических операциях резко возрастает риск повреждения отдельных сосудов. Повреждение сосуда даже малого диаметра из-за трудноустранимого кровотечения требует прекращения эндовидеохирургической операции и перехода на выполнение ее открытым методом.

Область шеи характеризуется тем, что в ней располагаются жизненно важные органы и структуры: гортань, трахея, пищевод, сонные артерии и яремные вены, щитовидная железа, множество ветвей сосудов и нервов не только самой шеи, но и тех, которые распространяются на верхние конечности. Сложность операций на шее определяется не только непосредственной близостью органов и других анатомических структур друг к другу, но и особой подвижностью и смещаемостью этих структур, нарушающей привычные хирургу соотношения. Указанные особенности могут быть смоделированы на соответствующих компьютерных моделях и просмотрены как в процессе подготовки, так и непосредственно перед операцией.

В процессе подготовки к оперативному вмешательству хирург использует все доступные ему графические материалы, чаще всего содержащиеся в атласах и руководствах. Однако имеющиеся атласы из всех возможных вариантов строения содержат только часть наиболее типичных, к тому же представленных в двухмерном изображении.

В то же время современные способы диагностики с использованием ультразвука, компьютерной томографии, ядерного магнитного резонанса позволяют определить локализацию патологического очага с точностью до 1 мм. Чаще всего результатом исследований является срез по плоскости, проходящий через этот очаг и содержащий изображения артерий, вен, нервов и других элементов, лежащих в данном срезе. Однако опознать большинство из них не представляется возможным вследствие подобия форм и размеров. Получение трехмерных реконструкций при данных методах обследования возможно, но воспроизвести полученную трехмерную модель на персональном компьютере нельзя вследствие избыточного объема информации.

Для решения задач биологии и медицины разработано множество компьютерных пакетов, содержащих изображения внутренних органов, сосудов и нервов, других анатомических структур. Компьютерные модели, используемые в пакетах, как правило, двухмерные, но встречаются и трехмерные реконструкции. Последние содержат такие программы, как 3D-Body Adventure (США), Advantage Windows (США), ADAM (Великобритания), Corps Human (Франция). Наиболее известная программа Body Voyage (США), созданная в рамках исследования Visible Human Project (США), была построена по данным 1800 одномиллиметровых поперечных срезов человеческого тела. Точечная трехмерная модель тела человека потребовала 15 Гбайт компьютерной памяти. В основе большинства указанных программ лежит использование художественных графических пакетов с записью всех точек всех поверхностей в пространстве.

Основным требованием, которому должны отвечать компьютерные модели строения человека, является количество анатомических элементов, составляющих каждый внутренний орган. Необходимо наличие графических образов различных анатомических вариантов, так как типичные варианты специалистам хорошо известны. Если каждый анатомический элемент представлен в компьютерной модели в виде отдельного пространственного тела, возможно динамическое моделирование различных операций.

Известные пакеты отвечают этим требованиям в очень малой степени. Для них характерны ограниченные возможности построения виртуальных моделей, освоения хирургической техники, рассмотрения моделей на разных этапах операции. В то же время использование систем трехмерного поверхностного моделирования, применяемых в машиностроении (CAD/CAM-системы), позволяет реализовать эти требования.

Как во всех подобных исследованиях, конкретные данные были получены при изучении анатомических материалов. Все анатомические структуры легких (бронхи, артерии и вены легких) были представлены в аналитической форме, характеризующей их пространственное положение. Для создания компьютерной модели органов груди в аналитической форме было записано положение аорты, пищевода, трахеи, сердца и магистральных сосудов. Полученные показатели характеризовали не только типовое строение легких, но и множество анатомических вариантов, то есть то, что наиболее важно для хирурга. Аналитическое описание анатомии легких послужило основой построения их трехмерной компьютерной модели.

Трехмерная графическая компьютерная модель, содержащая несколько десятков вариантов строения правого и левого легкого, была выполнена с помощью пакета DUCT. Вследствие сложной пространственной локализации сосудов легких с большим количеством изгибов модель каждой артерии или вены содержала не менее пяти промежуточных сечений. Бронхи не имеют изгибов, поэтому для каждого бронха потребовалось записать только два сечения. Разветвления бронхов моделировались с помощью стандартной процедуры, имеющейся в исходном пакете. Разработанная модель позволила последовательно воспроизвести отдельные бронхи, бронхиальное дерево целиком, а затем в уже готовое изображение встроить ветви легочных артерий и вен с учетом реальной трехмерной структуры легких. Такая модель позволяет при подготовке легко запомнить, а в ходе операции опознать все анатомические элементы сложной структуры.

Компьютерное моделирование органов брюшной полости, особенно верхнего этажа брюшной полости, было направлено на решение задач, выдвигаемых при выполнении различных операций на желчном пузыре, печени и желудке. Так же как и в случае легких, моделирование основывалось на морфометрии анатомических материалов. Компьютерная модель печени воспроизвела очень сложный рельеф поверхности органа. В системе DUCT5 были смоделированы все известные варианты строения сосудов и желчных протоков, на которых осуществляется операция удаления желчного пузыря и правильность определения которых обеспечивает успех или неудачу при выполнении операции. Основным направлением в данном случае является применение модели при планировании лапароскопических холецистэктомий, в определении точек введения инструментов, в воспроизведении хода этой операции, в компьютерном отображении индивидуального строения желчных протоков по данным холангиографии.

Виртуальная модель шеи была разработана для обучения прежде всего операциям на щитовидной железе. В этой модели отразились не только особенности топографии сосудов и нервов по отношению к железе, но и конфигурация железы, соответствующая определенной степени ее диффузного увеличения.

Вид изображения, максимально имитирующий естественный, был получен благодаря имеющимся в пакете DUCT5 средствам окрашивания (материал, цвет, количество и расположение источников света). Для окрашивания сосудов были подобраны характерные для оригинала оттенки красного цвета, коэффициенты отражения и полировки материала. Желчный пузырь и желчные протоки получили окраску зеленого цвета. Окрашивание бронхов выполнено в оттенках белого, серого и черного цветов чередованием горизонтальных полос. Все трехмерные компьютерные модели отобразили многослойную структуру органов, с учетом индивидуальных особенностей анатомического строения.

Разработанные в пакете DUCT5 трехмерные модели с помощью гибких средств редактирования и модификации поверхностей позволили имитировать произвольные пространственные трансформации, моделировать возможные смещения анатомических структур во время операций. Это существенно отличает полученные модели от графических мультимедийных приложений.

Компьютерная анатомия, отражающая трехмерное анатомическое строение, была использована для разработки системы виртуального моделирования операций с позиции анатомических и технических обоснований. Повороты графических моделей органов на произвольный угол вокруг выбранной оси, применение операций масштабирования обеспечили воспроизведение архитектоники сосудов, бронхов и желчных протоков из различных хирургических доступов или одновременно из нескольких. Многооконный режим работы пакета DUCT позволил сопоставлять в разных окнах дисплея ход операции при разных вариантах анатомического строения и разных способах ее выполнения.

В настоящей разработке была использована возможность пакета DUCT5 размещать различные фрагменты модели на разных слоях, а затем послойно визуализировать эту «многослойную» модель, в нашем случае состоящую из отдельных очень важных анатомических элементов. Встроенный командный язык позволил написать командные файлы для управления процессом визуализации. В результате на базе синтезированной трехмерной модели были получены программы моделирования этапов операций на легких, желчном пузыре, щитовидной железе с последовательным удалением и добавлением анатомических элементов. Моделирование хода операций в трехмерной среде DUCT позволяет заранее определить возможные опасности хирургического вмешательства при разных способах его выполнения и особых вариантах анатомического строения. Только использование трехмерной многослойной модели позволяет предвидеть хирургические опасности, связанные с повреждением артерии, вены, желчного протока, располагающихся в глубине тканей, что может привести к тяжелому кровотечению и в конечном счете к проведению операции значительно большего объема.

Применение трехмерного моделирования позволило проводить измерения длин, углов и диаметров всех анатомических элементов в исходном состоянии и при пространственных трансформациях, что имеет существенное значение в оценке выполнимости сложных реконструктивных вмешательств, в определении оптимального способа. Вследствие получения по данным инструментальных исследований длину проекции анатомического элемента на перпендикулярные плоскости, в трехмерной модели органа имеется возможность определить длину самого элемента. Для проведения биопсии органов с помощью компьютерной модели вычисляются необходимые расстояние и угол, определяются координаты для выполнения прецизионных пункций.

Разработанные трехмерные компьютерные модели позволили провести структурный графический анализ строения органов, определить закономерности формирования множества вариантов их строения. Выявление таких закономерностей строения позволяет определить оптимальную технику выполнения различных вмешательств, исходя из конкретной, а не усредненной пространственной конфигурации.

Разработанные трехмерные компьютерные модели, выполненные с применением системы DUCT5, были использованы в процессе последипломного обучения врачей. Тестирование врачей-хирургов показало, что эффективность использования компьютерной анатомии данного типа в обучении в 2,5 раза выше, чем традиционных средств.

Таким образом, виртуальная картина органов и областей тела человека, полученная с помощью системы трехмерного моделирования DUCT5, соответствует анатомическому строению. Синтезированные компьютерные модели служат основой для решения задач предоперационного планирования и моделирования хода будущей операции с учетом многих технических и анатомических особенностей. Разработанная система обладает информационными возможностями, которые можно использовать в учебном процессе по анатомии и оперативной хирургии любой области человеческого тела, для создания интерактивных компьютерных атласов и учебных курсов. Имеющаяся в пакете DUCT5 возможность записи моделей в формате VRML позволяет использовать ее в глобальной сети Internet, применяя, например, пакет Cosmo Player. Это позволяет широко использовать данные разработки как справочные пособия в хирургических отделениях и хирургических центрах.

С выходом новой версии системы трехмерного моделирования фирмы Delcam plc — PowerSHAPE — возможности использования описанных разработок в медицинских учреждениях значительно расширились: стандартный персональный компьютер с операционной системой Microsoft Windows NT в качестве рабочей станции; очень простой графический интерфейс пользователя, основанный на технологии интеллектуального курсора; возможность обмена данными с внешними приложениями через OLE-интерфейс; возможность непосредственного ввода трехмерных данных с помощью координатно-измерительного манипулятора; наличие бесплатного «просмотрщика» (PowerSHAPE Viewer) для ранее созданных моделей и т.д. В перспективе рассматривается проект выпуска компьютерного атласа шеи, легких и верхнего этажа брюшной полости на CD-диске.

«САПР и графика» 3'2000