Проект "3D цифровой пациент"

Повышение качества диагностики было и остается первоочередной задачей медицины и, во многом, определяет результат лечения. Поэтому все большее применение для диагностики находят такие источники информации как компьютерные рентгеновские, магнитно-резонансные, позитронно-эмиссионные и однофотонные эмиссионные томографы, приборы радиоизотопоной диагностики, ультразвуковые диагностические приборы, рентгеновские аппараты и ангиографические приборы, маммографы, эндоскопы, микроскопы, приборы функциональной диагностики и лабораторных исследований. Эти приборы позволяют получать высококачественную цифровую информацию об исследуемых органах и структурах тела человека.
Регистрация получаемых данных, их обработка и архивирование позволяют создавать базы данных по различным заболеваниям, прослеживать динамику результатов лечения, анализировать клинические случаи и проводить консультации специалистов в режиме «реального» времени. Обеспечение современными компьютерными средствами просмотра и анализа двумерных (2D), трехмерных (3D) и динамических (2D+T / 3D+T) изображений, получаемых от разных по физическим методам регистрации приборов при наложении объективных данных, регистрируемых приборами функциональных и лабораторных исследований открывает новые возможности диагностики.


Основываясь на успешно работающих и развиваемых в медицинских учреждениях России КАП «ГАММА МУЛЬТИВОКС», мы разрабатываем проект «3D цифровой пациент». Проект ставит целью создание аппаратно-программного Комплекса, который будет являться инструментом врача и позволит обеспечить индивидуальный научно-исследовательский подход к оценке состояния больного, на основе построения виртуальных персонализированных моделей анатомических структур и функций органов и тканей человека по данным медицинских изображений, функциональных и лабораторных исследований для диагностики, планирования и контроля лечения. Комплекс должен обеспечить врачей новой формой представления информации о состояниях и особенностях функционирования внутренних органов пациента на основе динамического отображения процессов в тканях, на анатомически правильное отображение формы исследуемых структур.

В процессе выполнения Проекта разрабатываются направления использования создаваемого Комплекса для решения следующих задач:
1. Диагностики и оценки качества лечения малоподвижных (статических) органов при обеспечении «3D виртуальной навигации» по структурам внутренних органов, например, таким как дерево коронарных сосудов, по дыхательным путям, кишечнику и пр.
2. Диагностики и контроля лечения подвижных (динамических) органов – сердца, кровеносных сосудов, легких и пр. Комплекс с такими возможностями может использоваться в клинике для диагностики больных с сердечно-сосудистыми патологиями (ИБС, заболеваниями клапанных аппаратов, опухолей сердца, коронарных сосудов, крупных кровеносных сосудов (например, аневризмы аорты) и многими другими).
3. Создания методов «виртуальной хирургии» со специализированными программами для планирования операций:
  • полостных операций (операции на легких, органах абдоминальной области, операций на опухолевых тканях, операций на головном мозге и пр.);
  • операций по пересадке органов и фрагментов органов (печень, почка, легкие и пр.);
  • при планировании операций программы Комплекса должны показывать хирургу, где возможно проводить разрез тканей, а где он может повредить сосуды и нервные сплетения;
  • операций на сердце, крупных кровеносных сосудах (например, при замене клапанов, аневризме аорты и пр.). Комплекс может использоваться, например, для планирования хирургических вмешательств, позволяя по регистрируемым во время операций сериям ультразвуковых изображений камер сердца и расчетам на (2D+Т)/(3D+Т) моделях потоков крови определять место для наиболее эффективной установки клапанного аппарата при его замене.
4. Контроля и прогнозирования состояний пациентов:
  • контроля состояния в настоящий момент времени при сравнении с результатами ранее выполненных и сохраненных в базе данных исследований;
  • прогнозирования изменений состояния;
  • при сравнении состояния пациента с аналогичными случаями, накопленными в базе данных;
  • состояний пациентов покинувших после лечения медицинское учреждение и нуждающихся в долечивании и/или постоянном контроле по месту жительства (например, после пересадки органа) через Интернет взаимодействие.
5. Накопление в базе данных информации, ее обработки, анализа и систематизации с целью последующего использования этих результатов:
  • при разработке средств интеллектуальной поддержки решений врача по диагностике и лечению больных;
  • при реализации алгоритмов, позволяющих использовать информацию в базе данных, как средства доказательной медицины для сравнения результатов лечения данного больного с результатами лечения других пациентов, имеющих аналогичное заболевание (поиск похожих случаев в базе данных на конкретный случай у пациента);
  • для обучения студентов и курсантов на основе представительных выборок по разным патологиям с возможностью наглядной (3D+T) визуализации и представления причинно-следственных связей развития процессов.

В процессе реализации Проекта решаются задачи разработки методического, алгоритмического и программного обеспечения Комплекса для построения виртуальных персонализированных (3D+Т) моделей исследуемых структур и органов человека и использования (3D+Т) моделей для диагностики, планирования, проектирования хирургического вмешательства (система «виртуальной хирургии»), контроля лечения.

Для построения 3D виртуальных персонализированных моделей выполняются следующие разработки:
  • выделение и анализ характеристик 2D/3D персонализированных моделей (анатомических и физиологических) из медицинских изображений с целью обеспечения объективной оценки состояния и функционирования исследуемых «статических» и «динамических» органов больного;
  • построение 2D/3D статических, (2D+T)/(3D+Т) динамических и комплексных моделей;
  • наложение на 3D анатомические модели измеряемых по изображениям и другим методам исследований физических и функциональных характеристик, что позволяет получить 3D+Т динамические физиологические моделей исследуемых органов и структур;
  • наложение 2D/3D изображений исследуемых структур (для статических органов), получаемых от разных по своей физической природе приборов - источников изображений, что обеспечивает более полное использование их диагностических возможностей (например, для одновременной визуализации структуры и функции - анатомических особенностей и перфузии тканей; анатомии и электрической активности и т.п.);
  • «3D виртуальную навигацию» по структурам внутренних органов, имеющим полую ветвеобразную организацию;
  • визуализацию - представление на экране компьютера 3D/3D+Т моделей для комплексного анализа, а также средства интерактивного взаимодействия врач-компьютер для оперативного и удобного управления 3D/(3D+Т) моделями на экране.

На основе использования 3D/(3D+Т) моделей должно обеспечиваться:
  • решение задач диагностики, ретроспективного анализа (на основе результатов исследований сохраненных в базе данных) и прогнозирования изменений состояния пациентов;
  • оценка эффективности действия медикаментозного и хирургического лечения больных, отображаемая в изменении характеристик моделей.

Для использования 3D/3D+Т виртуальных персонализированных моделей при планировании и разработки хирургического вмешательства («виртуальной хирургии») выполняются следующие разработки:
  • представление на экране монитора компьютера 3D анатомо-физиологических моделей области тела пациента, где предстоит оперативное вмешательство;
  • «проигрывание» на виртуальной модели действий хирурга в процессе операции;
  • оценка результатов действий хирурга во время операции.
  • Комплекс должен обеспечить оказание помощи хирургам при анализе перед операцией анатомических и физиологических особенностей области тела больного, которая должна подвергаться операционному вмешательству.

    При разработке моделей обеспечивается выполнение следующих требований:
    • 3D/(3D+Т) модели должны быть понятны врачам, используемые в моделях характеристики должны иметь ясную медико-биологическую интерпретацию;
    • 3D/(3D+Т) модели должны быть персональными (индивидуальными) моделями больного, что дает полное представление об особенностях анатомии исследуемых органов и особенностях патологических изменений при включении в модель биофизических и функциональных характеристик;
    • в разрабатываемых 3D/(3D+Т) моделях должна обеспечиваться возможность детализации на разных уровнях от микроскопического (клеточного) уровня до органных систем для обеспечения комплексного и всестороннего анализа;
    • 3D/(3D+Т) модели должны обеспечивать возможность анализа происходящих процессов с целью выявления причинно-следственных связей возникших изменений.


    В Проекте разрабатывается новая информационная технология для комплексной оценки состояний исследуемых органов и тканей пациента, которая состоит в том, что:
    • врачу представляются качественно новые диагностические результаты, получаемые на основе использования мультимодального подхода, который состоит в применении компьютерных методов обработки и комплексного анализа сигналов и изображений, получаемых от разных по физическим методам регистрации, уже имеющихся в клиниках и вновь разрабатываемых диагностических приборов.
    • врач получает возможность видеть на экране компьютера 2D/(2D+T)/3D/(3D+T) виртуальную, анатомо-физиологическую модель, персонализированную относительно интересующих врача внутренних структур и органов конкретного больного с отображением на модели результатов функциональной диагностики, биофизических и биохимических исследований. Комплекс обеспечит врачу-клиницисту индивидуальный научно-исследовательский подход к оценке состояния больного.
    • на 3D персонализированных моделях пациентов, при интерактивном взаимодействии врач-ЭВМ, врач получает возможность проводить комплексную диагностику, ретроспективный анализ, прогноз изменения состояния больного, планирование хирургических вмешательств, оценку результатов терапевтического и хирургического лечения.

    При последующем развитии работ, выполняемых в рамках Проекта, предполагается перейти к многомасштабному анатомо-физиологическому моделированию от органных систем до микроскопического (клеточного) уровня при использовании информации о форме (анатомии), механических, гидродинамических, электрофизиологических и биохимических процессах, для обеспечения объективизации диагностических исследований и комплексного анализа состояния больного.

    Разрабатываемая в Проекте информационная технология использует системный подход к извлечению и представлению врачу нового медико-биологического знания из медицинских изображений, эмпирических данных, получаемых при клинических диагностических и лабораторных исследованиях.

    Проект обеспечивает врачей новым инструментом медико-биологического познания, обеспечивающим на основе использования виртуальных моделей, научно-обоснованную формализацию проводимых действий по анализу состояния больного, выявлению причинно-следственных связей лежащих в основе развития патологического процесса и выбору лечебных мероприятий. По сути, Проект создает интеллектуальную систему медико-биологического познания, способствующую развитию медицинской науки.

    В рамках выполнения Проекта разрабатывается Комплекс методических, алгоритмических и аппаратно программных средств, построенный на современной высокопроизводительной вычислительной технике класса персональных компьютеров с использованием специализированных вычислителей и современных IT технологий. Данный Комплекс должен являться базовым средством для постоянного развития и совершенствования создаваемых на его основе методов и средств регистрации, обработки и анализа данных. Единая аппаратно-программная реализация создаваемого Комплекса для научных исследований и использования в практике, позволит быстро переходить от этапа научной разработки методов диагностики и лечения к их внедрению в практическую медицину и их использованию в повседневной рутинной работе врачей.

    Разрабатываемый Комплекс является основой для построения интеллектуальной общебольничной медицинской информационной системы, обеспечивающей врачей разных специализаций инструментом поддержки принятия решений по диагностике и лечению.

    Реализация Комплекса позволит консолидировать усилия сообщества специалистов разного профиля для развития идеи Проекта «3D ЦИФРОВОЙ ПАЦИЕНТ» и создания новых информационных технологий диагностики и лечения больных для разных областей медицины.