КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В ВЕТЕРИНАРИИ

Полный текст

Знание ветеринарным врачом индивидуальной анатомии с позиций трехмерной топографии органных структур каждого конкретного животного становится лидирующей задачей на пути решения вопросов высококачественной помощи, оказываемой в современной ветеринарной практике. Морфология животных, изучающая макро- и микроскопическое строение тела разных видов животных является фундаментальной дисциплиной при подготовке специалистов в аграрных вузах и содержит огромный объем материала, требующий упорядоченного изучения и детализированного усвоения. Нарастающее число учебников и атласов по анатомии животных, к сожалению, не способствует улучшению качества знаний обучающихся. Двухмерные иллюстрации не дают необходимой объемной детализации изучаемой области. В условиях постоянно сокращающейся почасовой нагрузки таких фундаментальных дисциплин, как анатомия животных, студенты сельскохозяйственных вузов вынуждены перерабатывать прежний, весьма объемный и сложный для восприятия, поток учебной информации за более короткое время. Нарастающее с каждым годом количество учебно-методических пособий, учебных руководств и атласов по «анатомическим дисциплинам», к сожалению, не в состоянии как-либо помочь в быстром и качественном познании предмета. Зачастую даже стиль изложения мешает правильному восприятию изучаемой области или отдельного органа, а иллюстративный материал не обеспечивает необходимое расположение и масштаб анатомического объекта. Детали строения и положения органа, его формы и взаимоотношения органов даже успевающие студенты плохо усваивают. Будущие ветврачи, зоотехники в конечном итоге обладают узостью мышления и совершают ошибки в трактовке состояния здоровья животных, диагностике и последующем лечении. Изрядная сложность «анатомических дисциплин» и вместе с тем жизненно необходимая информация о строении организма коровы, так необходимые в клинической и производственной практике, может компенсироваться в процессе препарирования (анатомирования) трупов животных. Однако современное состояние законодательства ставит аграрные вузы в крайне затруднительное положение при юридическом оформлении трупного материала на мясокостных заводах. Качество трупов животных не позволяет производить полноценное препарирование большому контингенту студентов. Стремительный процесс цифровизации сфер деятельности животноводства в целом и ветеринарии в частности все острее ставит вопрос о внедрении в образовательный процесс современных средств обучения, компьютерных тренажеров, создании новых форм образования, связанных с заменой образовательных технологий [1, 2, 3, 4]. Перевод текста массы учебно-методических пособий в цифровой формат делает его доступным широкому кругу студентов, но не решает вопрос времени, которое будет затрачено на изучение, и не решает вопрос визуализации анатомических объектов. Необходима новая методика в изучении анатомии животных, основанная на системе визуализации анатомических объектов по данным интроскопии: компьютерной томографии (КТ), магнитно-резонансной томографии (МРТ) и других методов исследования [7, 8]. Новый раздел морфологии, где представлено виртуальное животное с характерными пропорциональными соотношениями и анатомической достоверностью живого животного с полным объемом изображений макроскопической и микроскопической морфологии организма - это вычислительная анатомия или anatomia in silico [3, 6]. Цель исследований - разработать и внедрить в образовательный процесс аграрных вузов по дисциплине «Анатомия животных» новый обучающий продукт - интерактивный анатомический 3D-атлас коровы. Задачи исследований: - выбрать комплекс программных средств для моделирования учебно-практического процесса; - подготовить исходный материал по 11 системам органов крупного рогатого скота; - разработать интерфейс и провести сканирование костей скелета на 3D-сканере с последующей обработкой с помощью программ ZBrash и Autodesk 3Ds Max; - подготовить текстуры разных органов методом биофиксации биоматериалов; - преобразовать анатомические препараты после сканирования в цифровую форму; - смоделировать точное расположение кровеносных сосудов, нервов во взаимосвязи со структурами различных органов и областями тела животного; - смоделировать патологические изменения в органах, создать текстуры и описательную часть с интеграцией трехмерных моделей; - написать код для функционала, создать программный продукт 3D-атласа на электронном носителе. Материалы и методы исследований. Для достижения цели исследований выполнено анатомическое препарирование, проведена морфометрия, включающая позиционные данные всех анатомических структур организма коровы черно-пестрой породы в норме. Созданы карты текстур и эластических свойств тканей органов, полученных при помощи тензометрического стенда. Проведен клинико-диагностический анализ результатов ультразвукового дуплексного сканирования с цветным картированием, мультиспиральной компьютерной томографии и магнитно-резонансной томографии. Использован нейросетевой анализ. Компьютерную томографию каждого органа, костей выполняли на базе 64-срезового томографа Toshiba Aquilion 64 в Клиниках Самарского государственного медицинского университета (СамГМУ). Полученные данные с помощью системы передачи и архивирования DICOM конвертировали далее в полигональную модель. Ультразвуковое сканирование выполнено также на базе клиник СамГМУ на мультифункциональном аппарате General Electric. Для математического моделирования и создания трехмерной модели коровы применяли сканирование препарированных анатомических структур организма коровы 3D-сканером Solutionix Regscan III с последующей обработкой отсканированных объектов с помощью 3D-редактора Autodesk Maya. 3D-сканер Solutionix Rexcan III - это оптическая 3D измерительная система с высоким разрешением (до 5 Мп) и точностью (0,007 мм), с низкими показателями зашумления. На препарированный труп устанавливали метки совмещения, регистрируя которые 3D-сканер формировал единую систему координат и таким образом производил оцифровку объекта и давал возможность получить полные трехмерные копии без дополнительной сборки-сшивки отдельных элементов. В дальнейшем элементы сессии сканирования были экспортированы в программу для ЭВМ ezScan7 с последующей обработкой моделей в редакторе Autodesk Maya. Результаты исследований. Активное междисциплинарное взаимодействие представителей разных наук с привлечением инновационных компьютерных технологий позволило создать на кафедрах «Анатомия, акушерство и хирургия» Самарского государственного аграрного университета, «Оперативная хирургия и клиническая анатомия с курсом инновационных технологий» Самарского государственного медицинского университета (СамГМУ) и на базе Центра прорывных исследований «Информационные технологии в медицине» (ЦПИ «ИТ в медицине») высоко реалистичную низкополигональную модель коровы и на ее основе атлас трехмерной анатомии «In body Anatomy». Созданная модель позволила построить программно-аппаратный комплекс для виртуальной работы с трехмерной моделью коровы - интерактивный анатомический 3D-атлас коровы. Он существенно расширил сферу применения обучающего материала от визуального знакомства с анатомическим материалом и получения текстовой информации до проверки качества полученных знаний и автоматической обработки результатов. От строения организма коровы на макроскопическом уровне можно перейти на микроскопический уровень, также есть возможность сравнения различных анатомических объектов между собой (включая норму и патологию), изучения дополнительных диагностических материалов (данные КТ, МРТ, УЗИ). Именно микроскопический уровень, патология и диагностические данные существенно отличают данный обучающий продукт от зарубежных разработок. Интерактивный анатомический 3D-атлас коровы был протестирован на практических занятиях по анатомии животных, клинической анатомии у студентов 2-3 курсов. Расширена и детализирована база данных по анатомическим объектам с учетом требований дисциплины «Анатомия животных», что позволило использовать интерактивный атлас не только на этапе завершения изучения классической анатомии, но и сделало возможным применение его уже с первых занятий по этой дисциплине. Учитывая сложность и объемность учебного материала по анатомии, который ложится в основу изучения клинической анатомии, патологической анатомии, судебно-ветеринарной медицины и других клинических дисциплин, приходится использовать в основном аналитический метод обучения. В результате целостный организм животного разделяется на системы, затем на отдельные органы. Клиническая анатомия, как и другие клинические дисциплины, нуждается в синергетическом восприятии определенных областей тела животного, в которых задействованы различные системы органов, взаимодействующие в живом организме комплексно (синергетически) в своем возникновении, развитии и функционировании, а не изолированно. Такое восприятие изучаемого материала дает трехмерный анатомический атлас, который включает 4 режима работы: 1) «Просмотр». Для интерактивной работы с 3D-объектами. Этот режим предусмотрен для визуального знакомства с изолированными анатомическими объектами. База включает 14 систем органов или более 4000 3D-объектов и постоянно пополняется. На монитор или экран телевизора можно вывести любую анатомическую структуру виртуального животного. Изображение можно приближать и вращать во всех плоскостях. Например, из мышечной системы можно выделить группу мышц, изучить положение отдельной мышцы в этой группе. Затем ее изолировать и подключить костные структуры данной области или весь скелет в целом, чтобы визуализировать точки прикрепления мышцы на костях. Можно вывести строение скелетной мышцы на гистологический уровень, а также рассмотреть источники кровоснабжения и иннервации этой мышцы, последовательно подключая соответствующие системы. Сколько времени в реальности займет обычное препарирование на трупном материале даже в плане подхода к отдельной группе мышц? Можно, конечно же, добавить еще и микроскопию со всеми процессами проводки материала по спиртам, изготовлению гистологических срезов и окрашиванию материала. С помощью интерактивного анатомического 3D-атласа студенты могут практиковать препарирование без использования трупа животного, то есть анатомировать цифровое тело. Такое цифровое препарирование позволяет выполнять его и поэтапно, и произвольно в течение нескольких секунд. Можно последовательно удалить кожный покров, послойно мышцы и кости, чтобы изучить систему органов или отдельно какой-либо орган. Можно показать скелетотопию органа. Цифровой формат позволяет проводить манипуляции и в обратной последовательности. Можно сразу выделить и изучить изолированно любой внутренний орган, затем добавить соседние органы, кости, затем постепенно нарастить мышцы и кожный покров - и виртуальное животное снова готово к анатомированию. Процесс цифрового анатомирования позволяет увидеть организм животного с совершенно уникальной точки зрения - изнутри, путем выделения и удаления части 3D-изображений. Все анатомические 3D-объекты имеют подробное текстовое описание с указанием всех анатомических названий (на латинском и английском языках) в соответствии с международной анатомической номенклатурой (рис. 1). Рис. 1. Пример послойного разбора анатомической модели 2) «Сравнение». Для сравнения парных органов, нормы и патологии, а так же различных патологий между собой. В базу данных атласа внесены смоделированные патологические состояния основных органов, включено около 4 Гб диагностической информации. Более 100 типичных патологических изменений позволяют создавать пользовательские сцены. Сцена - это комбинация для иллюстрирования самых редких анатомических случаев, которые встречаются в учебных пособиях на уровне текстового описания. Интерактивный анатомический стол 3D-атласа дает возможность изучения комплексного строения тела животного при акте дыхания, при сокращении различных отделов сердца, пульсации сосудов, перистальтике внутренних органов, то есть в непрерывном физиологическом движении анатомических структур. Возможность познания формы и ее изменения при функциональных нагрузках существенно дополняет классическую анатомию (рис. 2). Рис. 2. Органы пищеварения в норме 3) «Диагностика». Для получения дополнительной диагностической информации, а именно данные КТ, МРТ, УЗИ. Имеется информативный фото- и видеоматериал. Внесенные данные по патологии и диагностические показатели ультразвукового исследования, компьютерной и магнитно-резонансной томографии дают возможность использования интерактивного анатомического 3D-атласа не только студентам, но и слушателям циклов повышения квалификации. Режим «Диагностика» позволяет интерактивно изучать диагностическую информацию: компьютерные и магнитно-резонансные аксиальные, фронтальные и поперечные срезы, а также просматривать ультразвуковые изображения по 8 позициям датчика для каждого органа. 4) «Проверка знаний». Для составления тестов для проверки качества полученных знаний. Преподаватели классической и клинической анатомии имеют возможность использовать анатомический атлас в качестве медиа сопровождения и лекционного курса, и практических занятий. Программное обеспечение стола позволяет самостоятельно создавать тесты для студентов по текущим и пройденным темам. Любой вопрос может быть привязан к 3D-модели, а в качестве ответа на вопрос студенту предлагается выбрать правильный анатомический объект в 3D-сцене. Заключение. Интерактивный анатомический 3D-атлас позволяет перевести изучение анатомических дисциплин в новое русло, потому что помогает студентам лучше представить сложную пространственно-временную организацию систем органов, гетерогенность, индивидуальность, подвижность практически всех уровней живого организма животного. Он допускает манипуляции с виртуальным животным в пространстве и во времени. Становится разумной альтернативой традиционному препарированию, потому что дает возможность многократного удаления и восстановления объемных слоев тела животного и взаимоотношений органо-сосудисто-нервных образований. Обеспечивает полный цикл изучения анатомических дисциплин - от визуализации анатомических объектов до проверки качества полученной информации с последующей автоматической обработкой результатов тестирования. Точность строения коровы, структурированность огромного массива анатомической информации, ее хранение, а также быстрый поиск и качество патологических образцов делают разработанный атлас уникальным по анатомическому, топографическому и клиническому наполнению. В принципе данные вычислительной анатомии применяются не только в учебном процессе, но и в клинической практике и научно-исследовательской работе. Прочное усвоение анатомических знаний дает возможность их практического применения с правильным и адекватным воздействием на организм животных в процессе лечения. Морфология животных, не теряя актуальности фундаментального изучения строения животного, становится одной из бурно развивающихся дисциплин.

Об авторах

Александр Михайлович Петров

ФГБОУ ВО Самарский ГАУ

Email: Petrov_AM@ssaa.ru
канд. тех. наук, профессор, зав. кафедрой «Сельскохозяйственные машины и механизация животноводства» Самарская область, п.г.т. Усть-Кинельский

Александр Владимирович Колсанов

ФГБОУ ВО Самарский ГМУ Минздрава РФ

Email: avkolsanov@mail.ru
д-р мед. наук, профессор РАН, зав. кафедрой «Оперативная хирургия и клиническая анатомия с курсом инновационных технологий»; директор Института инновационного развития, директор Центра прорывных исследований «Информационные технологии в медицине» Самара

Хамидулла Балтуханович Баймишев

ФГБОУ ВО Самарский ГАУ

Email: Baimischev_hb@mail.ru
д-р биол. наук, профессор, зав. кафедрой «Анатомия, акушерство и хирургия» Самарская область, п.г.т. Усть-Кинельский

Айкуш Карлосовна Назарян

ФГБОУ ВО Самарский ГМУ Минздрава РФ

Email: aikush@samsmu.net
ст. преподаватель кафедры «Оперативная хирургия и клиническая анатомия с курсом инновационных технологий» Самара

Список литературы

Дополнительные файлы