Наука

Основываясь на комплексах «Гамма Мультивокс», мы разрабатываем проект «3D Цифровой пациент». Проект ставит целью создание аппаратно-программного комплекса, который обеспечит врачу 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 обеспечит 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. (по дереву 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 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 пациента 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 пациента;
• 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.