Software & Systems

Симуляционное обучение в медицине – это вид учебной деятельности, направленной на освоение обучающимися всех категорий практических навыков, комплексных умений и отработку командных действий при оказании медицинской помощи на основе применения симуляционных моделей: роботов-симуляторов пациента, виртуальных тренажеров, муляжей, фантомов и манекенов. Симуляционные технологии в медицине являются новым для российского здравоохранения форматом обучения с выраженным практическим акцентом, эффективно формирующим в участниках прикладные навыки через погружение в реальность [1]. В связи с этим актуальна задача разработки и внедрения современных технологий симуляционного обучения в медицинских вузах [2, 3].

Обладающие высокой реалистичностью медицинские тренажеры [4] для обучения врачей-хи­рургов навыкам и умениям, необходимым для эндохирургического вмешательства, достаточно дороги и при этом не позволяют в полной мере моделировать обратную связь, что существенно снижает достоверность тактильных ощущений. С целью устранения этого недостатка был разработан аппаратно-программный комплекс «Виртуальный хирург» [5] для 3D-моделирования опера­ционного процесса и системного обучения врача-хирурга методикам эндоскопической хирургии на этапах додипломного и последипломного образования.

Комплекс универсален, он может применяться для отработки базовых навыков и для освоения методик проведения операций, включая тактику при возникающих осложнениях. Возможность неограниченного повторения упражнений позволяет использовать комплекс для закрепления навыков. Наличие алгоритмов оценки качества в составе учебно-методических модулей комплекса дает возможность объективно оценивать результаты тренировок.

При разработке программной части использована модульная архитектура с четко определенными потоками данных между модулями. Это позволяет вносить изменения в реализацию каждого модуля независимо от других при условии, что объем передаваемых данных не меняется.

Система разделена на следующие основные модули:

-      модуль 3D-визуализации позволяет визуализировать операционное поле, включая органы, инструменты, течение жидкостей;

-      модуль физики обеспечивает реализацию модели физического взаимодействия в рамках операционного поля, включая обнаружение случаев взаимодействия объектов операционного поля между собой (столкновений), определение изменений в положении (перемещение) и в геометрии (деформация) объектов операционного поля, изменение топологии объектов операционного поля (нарушение целостности), обработку дискретных событий, изменяющих физическую модель операционного поля (клипирование, отрезание, коагуляция, смена инструмента и т.д.), регистрацию событий взаимодействия инструментов с объектами операционного поля с требуемой детализацией для дальнейшей обработки в модуле управления операцией, а также расчет положений и сил при взаимодействии инструментов с объектами операционного поля;

-      модуль взаимодействия с манипуляторами дает возможность обмениваться информацией с манипуляторами с максимально возможной частотой;

-      модуль управления операцией обеспечивает высокоуровневое управление всеми остальными модулями в соответствии с логикой операции, включая отслеживание и регистрацию существенных для хода операции событий, определение качественных и количественных показателей, используемых для оценки операции, отслеживание критериев аварийного завершения операции, моделирование действий хирурга, реализованных за пределами манипуляторов (например смена инструмента), и реализацию интерфейса управления операцией.

ПО комплекса реализовано с использованием современных технологий для построения и моделирования 3D-сред и физических свойств материалов: USB HID, DirectInput, SDL, OpenGL, Direct3D, OpenCL, DirectCompute, CUDA, PhysX, Havok. На рисунке 1 приведена диаграмма классов UML, иллюстрирующая особенности реализации ПО тренажера.

После загрузки программного модуля требуемой методики и уровня сложности пользователь приступает к выполнению симуляции хирургического вмешательства, используя манипуляторы комплекса, действуя по методике выполнения операции и контролируя свои действия по изображению на мониторе и по ощущениям обратной силовой реакции манипуляторов. В ходе выполнения операции пользователь может выбирать разные инструменты для правой и левой руки и задавать другие параметры моделирования (см. рис. 2).

Изображение на мониторе строится на основании отслеженных изменений положения манипуляторов и команд пользователя. На рисунке 3 приведен пример моделирования лапароскопической холецистэктомии. Обратные силовые реакции манипуляторов имитируют сопротивление тканей и инструментов, создавая на рукоятках управления силы сопротивления, пропорциональные приложенным пользователем усилиям и рассчитанные по заложенным критериям сопротивления тканей и инструментов. По окончании симуляции на экран выводятся результаты работы пользователя в виде текста. Пользователь с правами администратора может выбирать методики и уровень сложности симуляции, а также распечатывать результаты.

Таким образом, по заданию оператора комплекс может проводить трехмерное моделирование операционного процесса, загружая учебно-методические модули по конкретным методикам эндоскопической хирургии. Моделирование проводится по установленным сценариям. В зависимости от уровня подготовки пользователя могут быть выбраны сценарии различной сложности, включающие особенности анатомического строения органов и варианты развития осложнений до и в ходе операции.

Следует отметить возможность оттачивания базовых навыков владения эндоскопическими инструментами. Это самый первый шаг в освоении лапароскопии, на котором в процессе выполнения нескольких упражнений студент знакомится с основными возможностями инструментов, учится правильно манипулировать ими, верно определять взаимное расположение объектов по изображению, получаемому с камеры, контролировать движение инструментов, а также координировать взаимодействие камеры и инструментов. Реализация базовых навыков потребовала разработки новых алгоритмов моделирования физических тел трехмерной сцены и обработки случаев их столкновений (см. рис. 4).

Разработанные технологии 3D-моделирования операционного процесса и учебно-методические модули позволяют обеспечить системное обучение врача-хирурга методикам эндоскопической хирургии на этапах додипломного и последипломного образования. Использование его в учебном процессе позволяет повысить качество подготовки медицинских специалистов.

Литература

1.     Филимонов В.С., Талибов О.Б., Верткин А.Л. Эффективность симуляционной технологии обучения врачей по ведению пациентов в критических ситуациях // Врач скорой помощи. 2010. № 6. С. 9–19.

2.     Свистунов А.А., Коссович М.А., Васильев М.В., Шубина Л.Б., Грибков Д.М. Оптимизация обучения лапароскопической хирургии в условиях центра непрерывного профессионального образования // Виртуальные технологии в медицине. 2012. № 1 (7). С. 27–34.

3.     Колсанов А.В., Юнусов Р.Р., Яремин Б.И., Чаплыгин С.С., Воронин А.С., Грачев Б.Д., Дубинин А.А., Назарян А.К. Разработка и внедрение современных медицинских технологий в систему медицинского образования // Врач-аспирант. 2012. № 2.4 (51). С. 584–588.

4.     Горшков М.Д., Федоров А.В. Классификация по уровням реалистичности оборудования для обучения эндохирургии // Виртуальные технологии в медицине. 2012. № 1(7). С. 35–39.

5.     Батраков М.Ю., Горбаченко Н.А., Зайцев Д.Ю., Сапцин Н.В., Иващенко А.В., Чаплыгин С.С., Колсанов А.В. Тренажер для симуляционного обучения эндоскопическому оперативному вмешательству // Перспективные информационные технологии в научных исследованиях, проектировании и обучении (ПИТ 2012): тр. науч.-технич. конф. Самара: СНЦ РАН, 2012. С. 269–273.

References

1.  Filimonov V.S., Talibov O.B., Vertkin A.L.,  Vrach skoroy pomoshchi [An emergency doctor], 2010, no. 6, pp. 9–19.

2.  Svistunov A.A., Kossovich M.A., Vasilev M.V., Shubina L.B., Gribkov D.M.,  Virtualnye tekhnologii v meditsine  [Virtual Simulators in Medicine], 2012, no. 1 (7), pp. 27–34.

3.  Kolsanov A.V., Yunusov R.R., Yaremin B.I., Chaplygin S.S., Voronin A.S., Grachev B.D., Dubinin A.A., Nazaryan A.K., Vrach-aspirant  [Postgraduate doctor], 2012, no. 2.4 (51), pp. 584–588.

4.  Gorshkov M.D., Fedorov A.V.,  Virtualnye tekhnologii v meditsine  [Virtual Simulators in Medicine], 2012, no. 1(7), pp. 35–39.

5.  Batrakov M.Yu., Gorbachenko N.A., Zaytsev D.Yu., Saptsin N.V., Ivashchenko A.V., Chaplygin S.S., Kolsanov A.V., Tr. nauch.-tekhnich. konf.  «PIT 2012»  [Proc.  of Sci. and Technolog. Conf. «PIT 2012»], Samara, SNTs RAN, 2012, pp. 269–273.